Az SK On egy lépéssel közelebb került a működőképes szilárdtest-akkumulátorokhoz

A lítiumfém-akkumulátorok a következő generációs energiatárolási technológiák egyik ígéretes irányát képviselik, különösen az elektromos járművek és a hordozható elektronikai eszközök területén, a tiszta lítiumfém-anód elméleti kapacitása ugyanis körülbelül tízszerese a jelenleg elterjedt grafit anódénak (3860 mAh/g vs. 372 mAh/g), ami lehetőséget teremt jóval nagyobb energiasűrűségű akkumulátorcellák kifejlesztésére. Emellett a grafit nélküli anód elméletileg gyorsabb töltést is lehetővé tehet, mivel a lítiumionoknak nem kell beépülniük a réteges grafitszerkezetek közé, így a töltéshez szükséges iontranszport és interkalációs folyamatok egyszerűbbek és gyorsabbak lehetnek. Ugyanakkor a lítium fém magas reakcióképessége, dendritképződési hajlama, illetve az anód nagy térfogatváltozása miatti instabil felületi rétegek nyomán fellépő biztonsági problémák és a rövid élettartam egyelőre komoly akadályt jelentenek a kereskedelmi szintű alkalmazás előtt.

A lítiumfém-akkumulátorok korai fejlesztései során, az 1970-es és 1980-as években, a legnagyobb problémát a dendritképződés jelentette: a töltési-kisütési ciklusok során tűszerű lítiumkristályok alakultak ki, amelyek rövidzárlatot, túlmelegedést vagy akár tüzet okozhattak. Emellett a lítium fém reakcióba lépett a folyékony elektrolitokkal, instabil felületi réteget képezve, ami csökkentette az akkumulátor hatékonyságát és élettartamát. Ezen biztonsági és megbízhatósági problémák, valamint a gyártási nehézségek miatt a lítiumfém-anód helyett a stabilabb és biztonságosabb grafit anód terjedt el. Az utóbbi években azonban a szilárdtest-akkumulátorok megjelenése új lendületet adott a lítiumfém-technológiának. A szilárd elektrolitok, például a szulfid vagy kerámia alapú anyagok, bizonyos esetekben jobban kezelik a lítiumfém reakcióképességét, csökkentik a dendritképződés kockázatát, és lehetővé teszik a biztonságosabb, hosszabb élettartamú akkumulátorok fejlesztését.

Ez utóbbi szempontból különösen jelentős az SK On legújabb kutatási eredménye, amely a szilárdtest lítiumfém-akkumulátorok ciklikus élettartamának növelésére fókuszál. A dél-koreai vállalat a Hanyang Egyetem kutatóival együttműködve olyan innovatív megoldást dolgozott ki, amely előrelépést hozhat a technológia kereskedelmi alkalmazásában. Az erről szóló tanulmány a múlt hónapban jelent meg az ACS Energy Letters című vezető tudományos folyóiratban. A publikáció egy olyan új módszert ismertet, amely védőréteget képez a szulfid alapú, teljesen szilárdtest lítiumfém-akkumulátorok (ASSLMB) lítium fém anódjának felületén – ez nemcsak biztonságosabbá teszi az akkumulátort, hanem hosszabb élettartamot is biztosít számára.

A lítiumfém a jövő anódanyagának számít, mivel kapacitása akár tízszerese is lehet a grafiténak, írja a vállalat sajtóközleménye, hozzátéve azonban, hogy a lítium fém a magas reakcióképessége miatt a levegővel érintkezve instabil réteget képez a felületén, amely gátolja a lítiumionok mozgását, rontja a töltési és kisütési hatékonyságot, valamint elősegíti az úgynevezett dendritek kialakulását – ezek komoly kockázatot jelentenek az akkumulátorok élettartamára nézve.

A lítiumfém-anódot használó teljesen szilárdtest-akkumulátorok általában korlátozott számú töltési-kisütési ciklust bírnak, jellemzően mindössze körülbelül 100-at.
A kutatócsoport erre a problémára kínál megoldást: egy speciálisan kifejlesztett oldattal kezelték a lítiumfém-anódot, aminek eredményeként olyan védőréteg jött létre, amely egyszerre biztosít magas ionvezetőképességet (a lítium-nitrát révén) és mechanikai szilárdságot (a lítium-oxid által).

Az SK On szerint a módszer stabil felületi illeszkedést biztosít, amit a kísérleti eredmények is alátámasztanak: a felületkezelt lítiumfém-anód több mint 300 töltési-kisütési cikluson át stabil működést mutatott szobahőmérsékleten, ami háromszorosa a hagyományos lítiumfém-alapú szilárdtest akkumulátorok élettartamának.

Az SK On emellett egy másik jelentős eredményt is bemutatott, amelyet Dr. Jong Hyeok Park (Yonsei Egyetem) közreműködésével értek el: feltárták, hogy a gélpolimer elektrolitok hőkezelési ideje közvetlen hatással van az akkumulátorok élettartamára.

Az Angewandte Chemie című vezető kémiai szaklap februárban közölte az erről szóló tanulmányt, amely szerint a hosszabb hőkezelési idő javítja a teljesítménymegőrzést: 60 perces hőkezelés esetén csupán 9,1 százalékos kapacitáscsökkenést mértek, míg 20 percnél ez az érték elérte a 34 százalékot. A kutatás szerint a rövidebb hőkezelés gyengíti a katód védőrétegét, így annak lebomlása az akkumulátor gyorsabb elhasználódásához vezet. A kutatók szerint a hosszabb hőkezelés segít stabilabb védőréteget kialakítani az akkumulátor katódján, ami lassítja az elhasználódást. Az SK On szerint az eredmények hozzájárulhatnak a polimer-oxid kompozit-alapú akkumulátorok élettartamának növeléséhez.

A hazánkban is jelenlévő SK On olyan autógyártókkal dolgozik együtt, mint a Ford és a Hyundai, de 2021 óta együttműködik az amerikai Solid Powerrel is, amely vezető szerepet tölt be a szulfid alapú szilárdtest-akkumulátorok fejlesztésében. A koreai vállalat célja, hogy 2028-ra bemutathassa a polimer-oxid kompozit alapú, 2030-ra pedig szulfid alapú szilárdtest-akkumulátorok kereskedelmi prototípusait.

dr. Papp László (Sol Invictus)

Technológiai elemző, és a Villanyautosok.hu csapatának megújuló energiákkal, energiatárolással, illetve piaci trendekkel foglalkozó szakértője. Célja, hogy minél többek számára tegye egyértelművé, hogy a fenntartható jövő gazdaságilag is a legracionálisabb választás.