A szilárdtest-akkumulátorok óriási lehetőségeket ígérnek, élettartamuk azonban egyelőre rövid. Hogy ennek mi az oka, arról hosszú ideje vita folyik a kutatók között. Düsseldorfi tudósok most megfejtették a jelenség mögötti mechanizmust, évek óta tartó kutató vita végére került ezzel pont.
A szilárdtest-akkumulátorokkal a mobiltelefonok akár napokig működhetnének egyetlen töltéssel, az elektromos autók pedig háromszor akkora távolságot tehetnének meg, mint a mai lítiumion-akkumulátorokkal. Ezeket az akkumulátorokat a jelenlegi technológia biztonságosabb, tartósabb és nagyobb teljesítményű utódainak tartják. A gyakorlatban azonban egy apró, mégis súlyos következményekkel járó probléma akadályozza az áttörést: töltés közben hajszálvékony fémszálak nőnek át az akkumulátoron, és rövidzárlatot okoznak. Hogy ez pontosan miként történik, eddig heves viták tárgya volt. Most a düsseldorfi Max Planck Fenntartható Anyagok Intézetének (MPI-SusMat) kutatócsoportja új válaszokkal szolgált – és egy meglepő megoldási lehetőséget is felvázolt a probléma enyhítésére. Az eredményeket április végén publikálták a „Nature” szakfolyóiratban.
Mit ígér a szilárdtest-akkumulátor?
A hagyományos lítiumion-akkumulátorok – például az okostelefonokban és elektromos autókban – folyékony elektrolitot használnak. Ez a köztes réteg gyúlékony, ezért baleset vagy meghibásodás esetén veszélyes lehet. A szilárdtest-akkumulátorok ezt a folyadékot szilárd, kerámiaalapú anyaggal helyettesítik. Ez jelentősen csökkenti a tűzveszélyt, és nagyobb energiasűrűséget tesz lehetővé. Elméletileg így egy elektromos autó a jelenlegi 500 kilométer helyett akár 1500 kilométert is megtehetne egyetlen feltöltéssel. A technológia fejlődését azonban jelenleg egy úgynevezett dendritjelenség akadályozza. Töltés közben a fémes lítium nem mindig egyenletesen rakódik le. Ehelyett apró, faszerű képződmények nőnek az akkumulátor egyik oldaláról a szilárd elektroliton keresztül egészen a másik oldalig. Amikor ez megtörténik, rövidzárlat keletkezik, és az akkumulátorcellát tönkreteszi.
A paradoxon: a puha áttöri a keményet
A jelenség első pillantásra ellentmondásos. A lítium rendkívül puha fém – késsel vágható, mint a vaj. A szilárdtest-akkumulátorok kerámiaelektrolitjai viszont rendkívül kemények, szinte porcelánszerűek. Mégis úgy tűnik, hogy a puha lítium képes áttörni ezt a kemény kerámiát. Hogy ez hogyan lehetséges, azon a kutatók évek óta vitatkoznak. Két fő magyarázat létezik:
A mechanikai hipotézis: A növekvő lítiumban minden irányba ható belső nyomás épül fel, amely végül szétrepeszti a rideg kerámiát – hasonlóan ahhoz, ahogy a jég szétfeszíthet egy vízzel teli palackot.
Az elektronhipotézis: Az elektrolit apró gyenge pontjain keresztül elektronok szivárognak át. Ezeknél a pontoknál elszigetelt lítiumlerakódások keletkeznek, amelyek idővel összefüggő vezető hidat alkotnak.
Néhány héttel korábban a Massachusetts Institute of Technology (MIT) kutatói olyan tanulmányt közöltek, amely a mechanikai és kémiai hatások összetett együttműködésére utalt. A düsseldorfi kutatás – amely párhuzamosan készült, és amelyet az MIT már idézett is – most új bizonyítékokat szolgáltat.
Hogyan fejtették meg a rejtélyt?
A Yuwei Zhang és Gerhard Dehm vezette kutatócsoport komoly technikai erőfeszítéseket tett a probléma feltárására. Mivel a lítium már a levegővel is reakcióba lép, és hagyományos mikroszkópos vizsgálat során megváltozik, a mintákat teljes egészében vákuumban és mínusz 190 Celsius-fokon készítették elő és elemezték. A kutatók több nagyfelbontású módszert – köztük kriogén elektronmikroszkópiát és elektrondiffrakciót – alkalmaztak, hogy nanométeres pontossággal feltérképezzék a lítium eloszlását a dendritek csúcsánál. Az eredmény a kutatók szerint egyértelmű volt: a dendritek csúcsa előtt nem találtak elszigetelt lítiumcseppeket. Ez az elektron-szivárgási elmélet ellen szól. Ehelyett azt figyelték meg, hogy magában a dendritben rendkívül nagy, minden irányba ható nyomás épül fel, amely akár 600 megapascalt is elérhet. Ez nagyjából háromezer-szerese egy autógumi nyomásának. „A puha lítium úgy viselkedik, mint egy folyamatos vízsugár, amely áthatol egy sziklán” – magyarázta Zhang az intézet közleményében. Nem maga a fém keménysége töri szét a kerámiát, hanem az úgynevezett hidrosztatikus nyomás. Ez pedig elegendő ahhoz, hogy a rideg kerámia úgy repedjen szét, mint az üveg.
Lehetséges megoldás
A düsseldorfi kutatók rögtön egy lehetséges megoldást is bemutattak. Ha a mechanizmus valóban így működik, akkor a növekvő dendritek iránya célzottan eltéríthető – hasonlóan ahhoz, ahogy egy vízsugár irányt változtat, ha árokba ütközik. A kutatócsoport hagyományos keménységvizsgálóval apró benyomódásokat készített a kerámiában, amelyek keresztirányú mikroréseket hoztak létre. Amikor a dendritek elérték ezeket a repedéseket, valóban hirtelen irányt változtattak: ahelyett, hogy tovább egyenesen növekedtek volna, körülbelül 45 fokos szögben oldalirányba tértek el. Ez új tervezési lehetőséget nyit meg. Ha a szilárdtest-elektrolitokat tudatosan kialakított mikrohibákkal látják el, akkor a veszélyes dendritek eltéríthetők lennének a szemközti elektródától – vagyis elkerülhetővé válhatna a rövidzárlat.
Mit jelent ez a jövő akkumulátorai számára?
A szilárdtest-akkumulátorok ipari bevezetése szempontjából ez a tanulmány fontos mérföldkő. Megszüntet egy régóta fennálló bizonytalanságot, és világos irányt mutat az anyagfejlesztők számára: az elektrolit szemcsehatárainak mechanikai ellenálló képességére, valamint a dendriteket eltérítő, tudatosan kialakított mikroszerkezeti hibákra kell koncentrálni. Közben más kutatócsoportok is alternatív megoldásokon dolgoznak. A svájci Paul Scherrer Intézet például kíméletes szinterezési eljárással és ultravékony védőréteggel kísérletezik, míg dél-koreai kutatók az ilyen elektrolitok gyártási költségeinek drasztikus csökkentésén dolgoznak. Autógyártók – köztük a Mercedes, a BMW, a Volkswagen, a Toyota és a kínai BYD – szintén saját szilárdtest-akkumulátorokat fejlesztenek, de a legtöbb sorozatgyártási bevezetést csak az évtized végére várják. A düsseldorfi kutatás most először ad világos magyarázatot arra, mi történik valójában ezeknek az akkumulátoroknak a belsejében – és arra is, hogyan lehetne kezelni a dendritképződés problémáját.
Kép: Toyota
