A Nature Materials című folyóiratban megjelent kutatás nem csupán a lítium-fém anódot tartalmazó szilárdtest-akkumulátorok készítésének újszerű megközelítését mutatja be, hanem felbecsülhetetlen értékű betekintést nyújt az energetikai megoldások fejleszétéséhez nélkülözhetetlen anyagtani kutatásokba is.
Xin Li, a SEAS anyagtudományi docense és a tanulmány vezető szerzője kiemelte a lítium-fém anódos akkumulátorok jelentőségét, és a hagyományos grafit anódokhoz képest tízszeres kapacitásuk miatt szent grálként jellemezte őket, mivel a technológia jelentősen megnövelheti az elektromos járművek hatótávolságát. Li hangsúlyozta, hogy kutatásuk kulcsfontosságú lépést jelent a széles körű ipari és kereskedelmi alkalmazásokra alkalmas, gyakorlati szilárdtest-akkumulátorok megvalósítása felé.
Az ilyen akkumulátorok fejlesztésének egyik fő akadálya a dendritek – a töltés során az anód felületén megjelenő elágazó struktúrák – kialakulása, amelyek idővel rövidzárlatokat okozhatnak, vagy fokozhatják annak kockázatát, hogy az akkumulátor kigyullad. Ezek a gyökerekhez hasonló dendritek behatolnak az anód és a katód közötti elektrolitgátba, veszélyeztetve az akkumulátor épségét.
E kihívás megoldására Li és csapata korábban, 2021-ben egy többrétegű akkumulátorkonstrukciót javasolt, amely a dendritek növekedésének hatékony megfékezése érdekében különböző stabilitású anyagokat használ fel. Legújabb kutatásuk azonban egy kifinomultabb megoldást alkalmaz, amely mikroméretű szilíciumrészecskéket alkalmaz az anódon belül, hogy megfékezze a lítiációs reakciót és elősegítse a lítiumfém egyenletes bevonatolását.
A hagyományos lítiumion-akkumulátorokkal ellentétben, ahol a lítiumionok mélyen behatolnak az anódba, a szilárdtest-akkumulátor kialakításában a korlátozott lítiációs reakció megakadályozza ezt a beszivárgást. Ehelyett a lítiumionok a szilíciumrészecskék felületén tapadnak meg, és egy lítiumfémrétegbe burkolják őket, hasonlóan a mogyorómagot körülölelő csokoládéborításhoz az édességeknél.
Ez az innovatív konfiguráció homogén felületet biztosít, amely elősegíti az egyenletes árameloszlást, és megakadályozza a dendritek elszaporodását.
Az egyenletes felület által lehetővé tett gyors lemezesedés és lecsupaszítás ráadásul gyors újratöltést tesz lehetővé: az akkumulátor mindössze 10 perc alatt teljesen feltölt.
A kutatócsoport sikeresen gyártott egy postabélyeg méretű, tasakcellás akkumulátort, amely 6000 ciklus után is megtartotta kapacitásának 80%-át, és ezzel felülmúlta a meglévő társait. Ezt a csúcstechnológiát licencbe adták az Adden Energynek, a Harvardon, Li és három harvardi öregdiák által közösen alapított spin-off vállalatnak, amely ezt követően okostelefon méretű tasakcellás akkumulátorok kifejlesztésére törekszik.
A kutatók emellett feltárták, hogy az újonnan alkalmazott szilícium komponensek megakadályozza a lítium diffúzióját, és ezzel egy olyan egyedi tulajdonságot azonosítottak, amely számos szervetlen anyagra alkalmazható. Ez a felfedezés utat nyit a hasonló teljesítménypotenciállal rendelkező alternatív anyagok feltárására, ami további előrelépéseket tesz lehetővé az akkumulátorok tervezésében.
Címlapkép forrása: Just_Super via Getty Images
