Új nagyteljesítményű akkumulátorok a láthatáron

Koreai kutatók kifejlesztettek egy olyan eljárást, amely a jövőben új generációs nagyteljesítményű Lítiumion-akkumulátorok gyártását segítheti elő. A technológia alapját térbeli porózus szilícium struktúrák képezik - erről a kutatók az Alkalmazott Kémia c. folyóiratban számoltak be.

Lítiumion-akkumulátorokkal általában nagy teljesítményfelvételű hordozható készülékeket (pl. mobiltelefonokat, laptopokat, mp3 lejátszókat stb.) látnak el villamos energiával. Az akkumulátorok kapacitása és ezzel együtt a működési idejük azonban egyenlőre igen korlátozott: egy korszerű laptopot például legfeljebb 3-4 óráig lehet akkumulátorról üzemeltetni. Az alacsony kapacitás annak „köszönhető”, hogy az akkumulátorban található grafit anódok nem képesek elegendő Lítiumiont megkötni.

Az akkumulátorokban az áram ionok „vándorlásával” keletkezik. A Lítiuminonnal működő akkumulátorok rendelkeznek egy rendszerint fémoxidból (pl. Lítium-Kobaltoxid) álló katóddal, illetve egy grafit anóddal. Töltés közben a Lítiumionok az anódhoz kapcsolódnak, ahol a grafitrétegek között képesek megkötődni. Kisütés közben innen vándorolnak vissza a katódra.

Egy olyan anódra lenne tehát szükség, amely a grafitnál több Lítiumiont képes tárolni. A szilícium érdekes alternatívát jelentene, azonban rendelkezik egy kellemetlen tulajdonsággal: a Lítiumionok felvétele (azaz töltés) közben a szilícium kitágul, majd leadásuk (kisütés) közben újra összemegy. Néhány ciklus után a vékony szilícium rétegek elporladnak és nem lehet újból feltölteni őket.

A Jaephil Cho vezette kutatócsoport a koreai Hanyang Egyetemről kifejlesztett egy egyszerű előállítási technológiát olyan porózus szilíciumanódokra, amelyek képesek ellenállni ennek az igénybevételnek. Ehhez szilíciumdioxid nanorészecskéket hevítenek fel és kevernek össze olyan szilíciumrészecskékkel, amelyeknek a külső atomjaihoz rövid szénhidrogén láncok kapcsolódnak. A hevítést 900°C-on, Argon gázburokban végzik.

Az így létrejövő anyagból savak segítségével kioldják a szilíciumdioxidot. A visszamaradó anyag gyakorlatilag szénhidrogén bevonattal rendelkező szilíciumkristályokból áll, amelyek porózus, háromdimenziós struktúrát alkotnak.

A kutatók szerint az ilyen porózus szilíciumból előállított anódok jelentős mennyiségű Lítiumiont képesek megkötni. Ráadásul az ionok nagy sebességgel jutnak el és ágyazódnak be az anód belsejébe. Mindez azt jelenti, hogy a töltési- és kisütési folyamat jelentős mértékben felgyorsul. Ugyanakkor az akkumulátor kapacitása nem csökken a gyors feltöltés ellenére sem.

A feltöltés- és kisütés közben bekövetkező térfogatváltozás a speciális szilíciumanód esetén nem számottevő: kevesebb, mint 70 nanométer nagyságú ingadozás mérhető az anódok felületén. Ráadásul az első töltés során egy amorf (azaz nemkristályos) szilíciumanyag keletkezik a pórusok falaiban a nanokristályok körül. Ennek köszönhetően a pórusok falain jelentkező mechanikai igénybevétel még 100 töltési/kisütési ciklus után sem jelentős.

(idw – Gesellschaft Deutscher Chemiker - DLO)
Forrás: www.scinexx.de

Bárdossy Gergely