A szilárdtest-akkumulátorokat biztonságosnak tartják, de drágák. Egy új, Dél-Koreából származó eljárás ezen változtathat. A szilárdtest-akkumulátorokat már évek óta a mai lítiumion-akkumulátorok biztonságos alternatívájaként tartják számon. Mivel nem tartalmaznak gyúlékony folyékony elektrolitokat, jelentősen csökkentik a tűz- és robbanásveszélyt. Az áttörés eddig azonban kevésbé a fizikai korlátokon, sokkal inkább a gyártástechnológián bukott el. Egy új dél-koreai fejlesztés pontosan ezen a ponton kínál megoldást.
Szilárd elektrolitok
A lítiumion-akkumulátorok folyékony elektrolitokat használnak. Ezek az anyagok könnyen gyulladnak. Belső rövidzárlat vagy mechanikai sérülés esetén a cellák kigyulladhatnak vagy felrobbanhatnak. Az ilyen tüzek nehezen olthatók, mivel a kémiai reakció során maga a folyamat is oxigént szabadít fel. Adatközpontokban vagy elektromos járműveknél bekövetkezett esetek az elmúlt években ismételten rámutattak erre a gyengeségre. Az úgynevezett teljesen szilárdtest-akkumulátorok (All-Solid-State Batteries, röviden ASSB-k) a folyékony elektrolitot szilárd anyaggal helyettesítik. Ezzel megszűnik a legfőbb tűzforrás. Különösen az oxidalapú szilárdtest-akkumulátorok állnak a kutatások középpontjában. Ezek kerámia elektrolitokat alkalmaznak, amelyek nem éghetők és nem bocsátanak ki mérgező gázokat. A szulfidalapú rendszerek szintén nagy teljesítményűek, azonban nedvességgel érintkezve problémás gázokat képezhetnek.
A kulcsprobléma: gyártás extrém hőmérsékleten
Az oxidalapú szilárdtest-akkumulátorok gyakran gránátszerkezetű szilárd elektrolitokat használnak. Ezek az anyagok jól vezetik a lítiumionokat és kémiailag stabilak. Feldolgozásuk azonban rendkívül igényes. A tömör membránok előállításához a porokat 1000 °C feletti hőmérsékleten kell szinterelni. E folyamat során a lítium – az elektrolit egyik kulcsfontosságú összetevője – elpárolog. Ez a veszteség meggyengíti a szerkezetet, csökkenti az ionvezető képességet és növeli az elektromos ellenállást a határfelületeken. Így gyakorlatilag lehetetlenné válik nagy méretű, hibamentes membránok előállítása.
Költséges kerülőút anyaporral
A gyártók eddig úgy próbálták mérsékelni a lítium elpárolgását, hogy a szinterelés során a membránokat lítiumtartalmú „anyaporral” fedték be. A probléma az, hogy ilyenkor a tényleges membrán mennyiségének több mint tízszerese válik felhasználhatatlanná. A költségek drasztikusan megnőnek. Ipari gyártásra ez az eljárás alig alkalmas.
Új megközelítés Dél-Koreából
A Korea Research Institute of Standards and Science (KRISS) kutatócsoportja most egy alternatív gyártási eljárást mutatott be. A kutatók a szilárd elektrolitporokat vékony rétegben egy lítium–alumínium-oxid alapú, többfunkciós vegyülettel vonják be. Ez a bevonat egyszerre több feladatot is ellát. A szinterelés során további lítiumot biztosít, lassítja annak elpárolgását, és forrasztóanyagként működik a részecskék között. Az eredmény a membrán lényegesen jobb tömörödése.
Sűrűbb, jobb vezetőképességű, olcsóbb
Az új eljárással a kutatócsoport több mint 98,2%-os anyagsűrűséget ért el. A drága anyapor használata feleslegessé vált. Ugyanakkor az ionvezető képesség a hagyományos eljárással készült elektrolitokhoz képest megduplázódott. Az elektronikus vezetőképesség több mint húszszoros mértékben csökkent. Ez mérsékli a belső áramveszteségeket és növeli az akkumulátor biztonságát. Figyelemre méltó a méretarány is. A kutatók 16 négyzetcentiméter felületű membránokat állítottak elő. Ez több mint tízszerese a tipikus laboratóriumi pelletek méretének. A kihozatal 99,9% volt.
Áttörés?
Dr. Baek Seung-Wook, a KRISS munkatársa így értékeli az eredményeket: „Ez az eredmény megoldja azokat az anyag- és gyártástechnológiai kihívásokat, amelyek több mint két évtizede megoldatlanok maradtak a gránátszerkezetű szilárd elektrolitok kutatásában. A gyártási költségek drasztikus csökkentésével technológiánk várhatóan jelentősen felgyorsítja az oxidalapú szilárdtest-akkumulátorok kereskedelmi bevezetését, és előmozdítja a technológiai innovációt az energiatároló rendszerek (ESS) és az elektromos járművek piacán.” A gazdasági vonatkozások szintén hangsúlyosak. Dr. Kim Hwa-Jung így fogalmaz: „Jelenleg Korea teljes mértékben importra szorul a gránátszerkezetű szilárd elektrolit pelletek esetében, amelyek mindössze 1 centiméter átmérő mellett darabonként több mint 550 amerikai dollárba kerülnek. Ez a technológiai áttörés várhatóan megnyitja az utat a következő generációs, kiváló minőségű akkumulátoranyagok hazai gyártása előtt.”
