Rekord hatékonyságú lítium-levegő akkumulátorok

Az MIT kutatói olyan katalizátor anyagot fejlesztettek, melynek alkalmazásával a lítium-levegő akkumulátorok hatékonysága jelentősen növekedhet a jövőben. „Egy lépésre kerültünk a nagy energiasűrűségű telepek járművekben és egyéb terülteken történő gyakorlati alkalmazásától.” – nyilatkozta Yang Shao-Horn gépészmérnök, az egyetem professzora.

Az új katalizátor arany és platina „ötvözetből” készült nanorészecskéket tartalmaz. A technológiával ellátott akkumulátor a töltésre fordított, majd letárolt energia (vegyi energia) 77 százalékát volt képes a kisütéskor újra villamos energiává alakítani. Ez a kutatók által korábban beharangozott 70 százalékos eredményt felülmúlja, de az értéken természetesen javítani kell. A hagyományos energiatárolók hatásfoka kb. 70, jó esetben 90 százalékos, amit az új fejlesztésnek mindenképpen tudnia kell a piacra kerüléshez – nem megfeledkezve persze arról, hogy a benne rejlő lehetőségek még közel sincsenek kiaknázva.

A lítium-levegő akkumulátorok az elektromosság előállításához katalitikus levegő katódot használnak, ami oxigénnel táplál egy lítium anódot. A technológia, érdemi súlykülönbség nélkül, legalább háromszor - de egyes szakemberek szerint ötször, sőt tízszer - annyi energia tárolására biztosít majd lehetőséget, mint a napjainkban használatos lítium-ion elemek.

Azonban a lítium-levegő akkumulátorok prototípusainál még számos problémát nem sikerült megoldani. Mindamellett, hogy kiemelkedő hatékonysággal rendelkeznek, az élettartamuk még igen csekély - mindössze pár tucat töltési ciklus. Lassúak – csak lassan szabadítják fel a bennük tárolt energiát -, és hajlamosak a víz és szén-dioxid általi szennyeződésre. Az pedig, hogy a technológia kivitelezéséhez az egyik elektróda lítiumból készül, kristályosodáshoz, ezáltal rövidzárlathoz vezethet.

„Az elem hatékonyságának fejlesztése során sikerült leküzdenünk a legnagyobbnak számító akadályt, hiszen az új katalizátorral az élettartamot is jelentősen növelni tudtuk” – mondja Shao-Horn.
Amikor a lítium-levegő akkumulátor kisül, a lítium reakcióba lép az oxigénnel, aminek hatására lítium-oxid keletkezik és elektronok szabadulnak fel. A feltöltéskor oxigén szabadul fel, a lítium pedig újra kiinduló állapotába kerül. Az új katalizátorok elősegítik ezeket a reakciókat, így csökkentik a cellák töltésekor és kisülésekor jelentkező energiaveszteséget.

A katalizátorban a célra tökéletesnek tartott platina helyett arany atomok segítik elő a lítium és az oxigén elegyedését. Bár a platina az első anyagok egyike volt, amit a lítium-levegő akkumulátorokban a lítium és az oxigén gázok katalizálására alkalmaztak, a kísérletek azt mutatták, hogy hatékonysága nem megfelelő, ezért elvetették a használatát. Ugyanakkor a MIT kutatói arra jutottak, hogy a platina igenis kiválóan használható a lítium-levegő telepekhez, csakhogy az ellentétes irányú reakciónál: a töltés során, a lítium-oxidból az oxigén felszabadítására. „Mindenki tudta, hogy a platina inaktív a kisüléskor, de mi megmutattuk, hogy a legjobb katalizátor a töltés során” – mondta Shao-Horn.
 
Egyébként az arany – közömbössége miatt – alapvetően rossz katalizátornak tekinthető a professzor szerint. Olyannyira, hogy a MIT kutatói először egyfajta ellenőrzésként, a gyenge katalizálókkal támogatott reakciók vizsgálatához használták. De meglepetésükre az arany kiválóan teljesített a lítium és az oxigén elegyítésének katalizálása terén – sokkal jobban, mint a platina. Ugyanakkor a kutatók megállapították, hogy mindkét katalizátor sokkal hatékonyabbá vált, amikor nanorészecskékként kombinálták őket.

A hatékonyság javítása mellett e reakciók megfelelő „támogatása” növelheti a lítium-levegő akku ciklusainak számát, illetve minimálisra csökkentheti a lítium-oxid felhalmozódását (ami egyébként eltömíti az elemet). A MIT kutatói arra törekednek, hogy az arany-platina katalizátorok működésének részletes megismerésével olyan információkhoz jussanak, amik segítségével más anyagokat is kombinálva a jelenlegi lehetőségeken messze túlmutató katalizátort fejlesszenek ki.

Folynak természetesen kutatások a költségek csökkentésére is, amit kevesebb platina és arany felhasználásával kívánnak elérni. Az egyik lehetőség erre az, hogy olcsóbb anyagokból készült nanorészecskéket vékony rétegben az értékes fémekkel vonjanak be. „Más kutatások már bizonyították, hogy az olcsóbb mangán-oxid katalizátorok is hatékonyak lehetnek a lítium-levegő akkumulátorokhoz.” – állítja Jean-Marie Tarascon, a párizsi Picardie Jules Verne Egyetem professzora. Szerinte ez az anyag a közelmúltban jobb tulajdonságokat mutatott, mint Shao-Horn katalizátorai, habár az ehhez fűződő adatok még nem kerültek nyilvánosságra.

Forrás: www.technologyreview.com

Varga Balázs