Anód se kell hozzá: ultravékony polimerréteggel növelik a lítiumakkumulátor élettartamát

Az anódmentes lítiumakkumulátorok az elektromos járművek, drónok és a következő generációs nagy teljesítményű energiatárolók lehetséges technológiái közé tartoznak. Az ilyen akkumulátorok lényegesen nagyobb energiasűrűséget kínálnak, mint a hagyományos lítiumion-megoldások, ám a rövid élettartam eddig akadályozta a széles körű alkalmazásukat. Erre találhatott megoldást a Koreai Fejlett Tudomány-Technológiai Intézet (KAIST) kutatócsoportja.

A tudósok olyan megközelítést alkalmaztak, amely nem az elektrolit összetételének folyamatos módosítására épül. A megoldás kizárólag az elektróda felületének kialakítására koncentrál, és ezen keresztül növeli meg az akkumulátor működési idejét.

A KAIST vegyész és biomolekuláris professzorai, Jinwoo Lee és Sung Gap Im által vezetett csapat úgy igyekezett kezelni az anódmentes lítiumakkumulátorok egyik legnagyobb problémáját, a felületi instabilitást, hogy az elektróda felületére egy 15 nanométer vastag, mesterséges polimerréteget vittek fel.

Az egyszerűbb felépítésű lítiumakkumulátor technológiai kihívásai

A Joule-ban publikált tanulmány szerint a hagyományos lítiumion-akkumulátorokétól merőben eltérő felépítést alkalmaztak. Az anód oldalon grafit vagy lítium helyett kizárólag réz áramgyűjtőt használtak, azt remélve, hogy ez a kialakítás 30–50 százalékkal nagyobb energiasűrűséget eredményez, miközben esnek a gyártási költségek és egyszerűsödik a gyártási folyamat.

A technológia egyik kritikus pontja az első töltési ciklus, ugyanis ebben a fázisban a lítium közvetlenül a réz felületére rakódik, ami gyors elektrolitveszteséget okoz, és instabil szilárd elektrolit határfelület, úgynevezett SEI alakul ki, jelentősen csökkentve az akkumulátor élettartamát.

A kutatócsoport éppen ezért nem az elektrolit módosítására összpontosított, hanem arra a felületre, ahol a probléma keletkezik.

Az iCVD, vagyis indított kémiai gőzfázisú leválasztás segítségével egységes, ultravékony polimerréteget alakítottak ki a réz áramgyűjtőn. A megfigyelések szerint ez a réteg szabályozza az elektrolittal való kölcsönhatásokat, és irányítja a lítiumionok mozgását, valamint az elektrolit bomlási folyamatait.

Stabilabb határfelület az elektródán

A hagyományos akkumulátorokban az elektrolit oldószerei bomlanak le, és puha, instabil szerves SEI-rétegeket képeznek. A kutatásban alkalmazott polimerréteg másképp viselkedik: nem keveredik könnyen az elektrolit oldószerével, ezért nem az oldószerek, hanem az elektrolit sókomponenseinek bomlását idézi elő. Ennek következtében merev és stabil, szervetlen SEI jön létre.

A technológia egyik jellemzője, hogy csak egy vékony felületi réteg hozzáadását igényli, miközben az elektrolit összetétele változatlan marad. Ez jelentősen megkönnyíti az integrációt a meglévő gyártási folyamatokba, és alacsony költségterheket jelent.

A KAIST közleménye hangsúlyozza: a kutatás kizárólag az elektróda felületének kialakítására épít, és nem igényli új elektrolitok fejlesztését. A bemutatott megoldás így az anódmentes lítiumfém-akkumulátorok egyik alapvető technológiai kihívására ad választ – meglévő gyártási keretek között.

Gábor János, NEW technology