You are currently viewing Kobaltmentes akkumulátorok táplálhatják a jövő autóit
Fotó: Felipe Simo on Unsplash

Kobaltmentes akkumulátorok táplálhatják a jövő autóit

Hirdetések
tradingview 250

Sok elektromos járművet kobaltot tartalmazó akkumulátorok hajtanak – ez a fém magas pénzügyi, környezeti és társadalmi költségekkel jár.

Az MIT kutatói most olyan akkumulátor-anyagot terveztek, amely fenntarthatóbb módot kínálhat az elektromos autók működtetésére. Az új lítium-ion akkumulátor szerves anyagokon alapuló katódot tartalmaz kobalt vagy nikkel (egy másik, lítium-ion akkumulátorokban gyakran használt fém) helyett.

Egy új tanulmányban a kutatók kimutatták, hogy ez az anyag, amelyet sokkal olcsóbban lehetne előállítani, mint a kobalt-tartalmú akkumulátorokat, hasonló sebességgel képes vezetni az áramot, mint a kobaltos akkumulátorok. Az új akkumulátor emellett hasonló tárolókapacitással rendelkezik, és gyorsabban feltölthető, mint a kobalt akkumulátorok – számolnak be a kutatók.

Hirdetések

“Úgy gondolom, hogy ennek az anyagnak nagy hatása lehet, mert nagyon jól működik” – mondja Mircea Dincă, az MIT W.M. Keck energiaprofesszora. “Már most is versenyképes a már létező technológiákkal, és sok költséget, fájdalmat és környezetvédelmi problémát megspórolhat, amelyek a jelenleg az akkumulátorokba kerülő fémek bányászatával kapcsolatosak.”

kobalt akkumulator-1
A Layered Organic Cathode for High-Energy, Fast-Charging, and Long-Lasting Li-Ion Batteries Tianyang Chen, Harish Banda, Jiande Wang, Julius J. Oppenheim, Alessandro Franceschi, and Mircea Dincǎ ACS Central Science Article ASAP

 

Dincă a vezető szerzője a tanulmánynak, amely ma jelenik meg az ACS Central Science című folyóiratban. Tianyang Chen PhD ’23 és Harish Banda, az MIT korábbi posztdoktora a tanulmány vezető szerzői. További szerzők Jiande Wang, az MIT posztdoktorandusza, Julius Oppenheim, az MIT végzős hallgatója és Alessandro Franceschi, a Bolognai Egyetem kutatója.

A kobalt alternatívái

A legtöbb elektromos autót lítium-ion akkumulátorok működtetik, egy olyan akkumulátortípus, amely úgy töltődik fel, hogy a lítiumionok egy pozitív töltésű elektródáról, az úgynevezett katódról egy negatív töltésű elektródra, az úgynevezett anódra áramlanak. A legtöbb lítiumion-akkumulátorban a katód kobaltot tartalmaz, egy olyan fémet, amely nagy stabilitást és energiasűrűséget biztosít.

A kobaltnak azonban jelentős hátrányai vannak. Mivel ritka fém, ára drámaian ingadozhat, és a világ kobaltlelőhelyeinek nagy része politikailag instabil országokban található. A kobalt kitermelése veszélyes munkakörülményeket teremt, és mérgező hulladékot termel, amely szennyezi a bányákat körülvevő földet, levegőt és vizet.

“A kobalt akkumulátorok sok energiát képesek tárolni, és rendelkeznek mindazokkal a tulajdonságokkal, amelyek az embereket a teljesítmény szempontjából érdeklik, de az a probléma, hogy nem széles körben elérhetőek, és a költségek a nyersanyagárakkal együtt nagymértékben ingadoznak. És ahogyan a fogyasztói piacon átállunk a villamosított járművek sokkal nagyobb arányára, ez minden bizonnyal drágulni fog” – mondja Dincă.

A kobalt számos hátránya miatt rengeteg kutatás irányult arra, hogy alternatív akkumulátor-anyagokat próbáljanak kifejleszteni. Az egyik ilyen anyag a lítium-vas-foszfát (LFP), amelyet egyes autógyártók kezdenek használni az elektromos járművekben. Bár gyakorlatilag még mindig hasznos, az LFP energiasűrűsége csak fele a kobalt- és nikkelakkumulátorokénak.

Egy másik vonzó lehetőség a szerves anyagok, de eddig a legtöbb ilyen anyag nem tudta elérni a kobalt-tartalmú akkumulátorok vezetőképességét, tárolókapacitását és élettartamát. Alacsony vezetőképességük miatt ezeket az anyagokat általában kötőanyagokkal, például polimerekkel kell keverni, amelyek segítenek fenntartani a vezető hálózatot. Ezek a kötőanyagok, amelyek a teljes anyag legalább 50 százalékát teszik ki, csökkentik az akkumulátor tárolókapacitását.

Körülbelül hat évvel ezelőtt Dincă laboratóriuma egy Lamborghini által finanszírozott projekten kezdett dolgozni, amelynek célja egy olyan szerves akkumulátor kifejlesztése volt, amelyet elektromos autók meghajtására lehetne használni. Miközben részben szerves, részben szervetlen porózus anyagokon dolgoztak, Dincă és diákjai rájöttek, hogy egy általuk készített teljesen szerves anyagról úgy tűnt, hogy erős vezető lehet.

Ez az anyag sok réteg TAQ-ból (bisz-tetraaminobenzokinon), egy szerves kismolekulából áll, amely három olvasztott hatszögletű gyűrűt tartalmaz. Ezek a rétegek minden irányban kifelé tudnak nyúlni, a grafithoz hasonló szerkezetet alkotva. A molekulákon belül kinonoknak nevezett kémiai csoportok találhatók, amelyek az elektrontartalékok, valamint aminok, amelyek segítenek az anyagnak erős hidrogénkötések kialakításában.

Ezek a hidrogénkötések teszik az anyagot rendkívül stabillá és egyben nagyon oldhatatlanná. Ez az oldhatatlanság azért fontos, mert megakadályozza, hogy az anyag feloldódjon az akkumulátor elektrolitjában, ahogyan azt néhány szerves akkumulátor-anyag teszi, és ezáltal meghosszabbítja az élettartamát.

“A szerves anyagok egyik fő lebomlási módja az, hogy egyszerűen feloldódnak az akkumulátor elektrolitjában, és átmennek az akkumulátor másik oldalára, lényegében rövidzárlatot okozva. Ha az anyagot teljesen oldhatatlanná tesszük, ez a folyamat nem következik be, így minimális degradációval több mint 2000 töltési ciklusig is eljuthatunk” – mondja Dincă.

Erős teljesítmény

Az anyag tesztjei azt mutatták, hogy vezetőképessége és tárolókapacitása a hagyományos kobalt-tartalmú akkumulátorokéhoz hasonló. Emellett a TAQ katóddal ellátott akkumulátorok gyorsabban tölthetők és lemeríthetők, mint a meglévő akkumulátorok, ami felgyorsíthatja az elektromos járművek töltési sebességét.

A szerves anyag stabilizálása és az akkumulátor rézből vagy alumíniumból készült áramgyűjtőjéhez való tapadási képességének növelése érdekében a kutatók olyan töltőanyagokat adtak hozzá, mint a cellulóz és a gumi. Ezek a töltőanyagok a teljes katódkompozit kevesebb mint egytizedét teszik ki, így nem csökkentik jelentősen az akkumulátor tárolókapacitását.

Ezek a töltőanyagok az akkumulátor katódjának élettartamát is meghosszabbítják azáltal, hogy megakadályozzák annak repedezését, amikor az akkumulátor töltése során lítiumionok áramlanak a katódba.

Az ilyen típusú katódok előállításához szükséges elsődleges anyagok egy kinon prekurzor és egy amin prekurzor, amelyek már kereskedelmi forgalomban kaphatók és nagy mennyiségben gyártják őket, mint alapanyagokat. A kutatók becslése szerint az ilyen szerves akkumulátorok összeszerelésének anyagköltsége a kobalt akkumulátorok árának körülbelül harmada-felét teheti ki.

A Lamborghini licencbe adta a technológia szabadalmát. Dincă laboratóriuma folytatni kívánja az alternatív akkumulátor-anyagok fejlesztését, és vizsgálja a lítium lehetséges helyettesítését nátriummal vagy magnéziummal, amelyek olcsóbbak és nagyobb mennyiségben fordulnak elő, mint a lítium.

Ez is érdekelhet:

Forrás: MIT

Hirdetések
whitepress magyar banner

Nagy Béla

Kezdő szövegíró, és marketinges aki imádja a technológia világát. Kedvencei közé tartoznak az okostelefonok, és a számítógépek. De bármilyen Bluetooth-os kütyüvel eljátszik szabadidejében.