A Ningbo Egyetem Fizikai Tudományok és Technológia Karán, Csen Vang-hua által vezetett kutatócsoport egy forradalmi, háromdimenziós, „lélegző” szilícium nanohuzalos anódot mutatott be, amely új irányt nyithat a nagy teljesítményű szilárdtest-akkumulátorok fejlesztésében.

Az eredményeket a rangos Energy Storage Materials szakfolyóirat közölte.

Miért kulcsfontosságú a szilárdtest-technológia?

A szilárdtest lítiumakkumulátorokat a következő akkumulátorgeneráció „végső céljának” tekinti a tudomány és az ipar: ezek az eszközök biztonságosabbak, nagyobb energiasűrűséget kínálnak, és jóval hosszabb ciklusélettartamra képesek.

Az anódanyagok terén a szilícium kiemelkedik, mivel elméleti kapacitása tízszerese a grafitéhez képest, miközben kémiai kompatibilitása is igen kedvező. A gyakorlati alkalmazása azonban az korlátozta: a töltés és kisütés során a szilícium térfogata akár háromszorosára is megnő, majd összeesik, ami mechanikai stresszt, leválást és gyors teljesítményromlást okoz.

A „lélegző” szilícium megoldja a legnagyobb problémát

Chen egy találó hasonlattal írta le a problémát: ha az akkumulátort raktárként képzeljük el, a szilícium a „szuper rakodómunkás”, amely óriási mennyiségű energiát képes tárolni. Csakhogy ez a munkás rendkívül labilis – az ionfelvétel hatására annyira kitágul, hogy idővel összeomlik, és ezzel az egész akkumulátor élettartamát lerövidíti.

A kutatócsoport ezért célul tűzte ki, hogy olyan architektúrát hozzon létre, amelyben a szilícium képes „szabadon lélegezni” a merev szilárd elektrolit közegben.

A megoldást a bonyolult, plazmás kémiai gőzfázisú leválasztás (PECVD) nevű technológia jelentette, amellyel háromdimenziós oszlopszerű szilíciumstruktúrát hoztak létre, amely közvetlenül kollektorba integrálódik, egy különleges, kétfázisú „mag-héj” szerkezetre épülve.

Chen kifejtette, hogy szakítottak a hagyományos szilíciumporos technológiával, és helyette „erdőszerű” nanohuzalokat hoztak létre: a szerkezet olyan, mintha fák állnának egymás mellett, közöttük rengeteg apró üreggel, amelyek amolyan „lélegző szelepkét működnek”. Amikor a lítiumionok megérkeznek, a nanohuzalok ezekbe a terekbe tudnak kitágulni anélkül, hogy összeroppantanák a szilárd állapotú elektrolitot.

Rendkívüli mechanikai és elektrokémiai teljesítmény

A tesztek alapján a fejlesztett pillérszerű szilícium-anód kiemelkedő elektrokémiai teljesítményt mutat, és meglepően ellenálló mechanikai hatásokkal szemben: a kísérleti akkumulátor hajlítás vagy akár elvágás után is képes működni. Ebből kirolyólag új architektúra nemcsak nagy energiasűrűséget, hanem kivételes biztonságot és tartósságot is biztosít.

Új irány a következő generációs akkumulátorok felé

A „lélegző” szilíciumtechnológia valós és gyakorlatban alkalmazható megoldást kínál a hosszú élettartamú, nagy energiasűrűségű, szilárdtest szilícium-anódos lítiumakkumulátorok fejlesztéséhez.

A CarNews China szakportál szerint ez fontos mérföldkő a következő generációs energiatárolás megvalósítása felé.

A világ nagy autó- és akkumulátorgyártói egymással versenyt futva próbálják sorozatgyártási szintre tökéltesíteni a szilárdtest-akkumulátoros technológiát, tőle remélve csodát és lendületet a villamosított autóiparban. A BYD például a tavalyi év elején jelentette be, hogy 2027-ben megkezdit az áttérést a szilártest akkumulátorok tömeges alkalmazására, és kísérleti jelleggel már legyártotta 60 Ah-s prototípust.  

Az ugyancsak kínai Chery is azt ígéri, hogy jövőre megkezdi szilárdtest-akkumulátorokkal hajtott autók gyártását, s az újgenerációs áramforrás akár 1500 km-re növeli majd az elektromos autók hatótávját.

A Verge Motorcycles finn vállalat pedig a minap mutatta a világ első szilárdtest-akkumulátoros motorkerékpárját, amely akár 595 kilométeres hatótávot kínál, és extrém hőmérsékleti kürölmények, -30 °C és +100 °C között is megőrzik kapacitásukat, az élettartamuk szinte korlátlan.