A lítium-ion akkumulátorok ma már szinte minden modern eszköz, például okostelefonok, laptopok és elektromos autók alapvető energiaforrásai. Ezek az akkumulátorok azonban bizonyos körülmények között, például ha megsérülnek vagy átszúródnak, veszélyes tüzeket vagy akár robbanásokat is okozhatnak. Egy új kutatás azonban áttörést hozhat ezen a területen: egyetlen anyagcserével az elektrolitban jelentősen csökkenthető az ilyen balesetek kockázata, miközben a gyártás folyamata nem változik.
A hagyományos lítium-ion akkumulátorok felépítése és működése
A jelenleg használt lítium-ion akkumulátorok három fő összetevőből állnak:
- Grafit elektróda: az anód szerepét tölti be.
- Fém-oxid elektróda: a katód, amely a lítiumionokat fogadja és leadja.
- Elektrolit: egy folyékony oldat, amelyben lítium-só oldódik, és lehetővé teszi az ionok áramlását az elektródák között.
Az elektrolit folyadék biztosítja, hogy az ionok egy irányba áramoljanak töltés közben, majd fordított irányba kisütéskor, így energiát szolgáltatva az eszközöknek. Ez a folyékony közeg azonban egyben gyenge pont is: ha az akkumulátor megsérül vagy átszúródik, rövidzárlat keletkezhet, ami gyors energiafelszabaduláshoz vezet.
A tűzesetek oka: a termikus runaway folyamat
Amikor az akkumulátort átszúrják vagy megrongálják, a benne tárolt kémiai energia hirtelen szabadul fel. Ennek hátterében egy termikus runaway, vagyis hőfutás nevű folyamat áll. Ez akkor indul be, amikor a negatív töltésű ionok (anionok) elszakadnak a lítiummal alkotott kötéseiktől. A kötés szakadása további hőt termel, ami tovább bontja a kötéseket, így egy önfenntartó és gyorsan terjedő hőfelszabadulási ciklus alakul ki.
Az új elektrolit anyag: hogyan működik és miért biztonságosabb?
A Hongkongi Kínai Egyetem kutatócsoportja, Yue Sun vezetésével egy olyan új elektrolitot fejlesztett ki, amely megakadályozza ezt a veszélyes láncreakciót. Az új összetevő neve lítium bis(fluoroszulfonil)imid, amely egy második oldószerként működik az akkumulátorban.
Ez az anyag csak magasabb hőmérsékleten – amikor már elkezdődne a termikus runaway – lép kölcsönhatásba a lítiummal az eredeti oldószerből. Fontos különbség azonban, hogy ebben az új oldószerben nem alakulnak ki anion-lítium kötések, így nem jöhet létre az önfenntartó hőfelszabadulási ciklus.
Gyakorlatban mit jelent ez?
Egy egyszerű teszt során, amikor egy szöget szúrtak át az akkumulátoron:
- Hagyományos akkumulátor: belső hőmérséklete akár 500°C fölé emelkedett.
- Új elektrolitos akkumulátor: mindössze 3,5°C-os hőmérséklet-emelkedést tapasztaltak.
Ezzel jelentősen csökken annak esélye, hogy az átszúrás tűzesetet vagy robbanást okozzon.
Szakértői vélemény és jövőbeli kilátások
„A probléma gyökere az anion,” magyarázza Gary Leeke professzor a brit Birmingham Egyetemről. „Ezeknek az ionoknak nagy kötési energiájuk van, és amikor ezek a kötések megszakadnak, elindítják a termikus runaway folyamatot. Az új elektrolit izolálja ezt a ‘rosszfiút’ ebből a folyamatból – ez hatalmas előrelépés az akkumulátorbiztonság terén.”
A kutatók azt is megállapították, hogy az új elektrolitos akkumulátorok hosszú távon is versenyképesek: 4100 óra használat után még mindig 82%-os kapacitást tartanak meg. Ez azt jelenti, hogy nemcsak biztonságosabbak, hanem tartósak is maradnak.
A szakértők szerint ez az innováció akár már három-öt éven belül beépülhet a következő generációs lítium-ion akkumulátorok tömeggyártásába, így hamarosan biztonságosabb eszközöket használhatunk mindennapjainkban.
Összegzés
A Hongkongi Kínai Egyetem kutatóinak áttörése jelentős lépést jelenthet a lítium-ion akkumulátorok biztonságának növelésében. Egyetlen anyagcsere – az elektrolit összetételének módosítása – képes megakadályozni a veszélyes termikus runaway folyamatot és ezzel együtt a tűzeseteket és robbanásokat. Ez nemcsak növeli felhasználói biztonságot, hanem lehetőséget teremt arra is, hogy továbbra is széles körben alkalmazzuk ezt a technológiát okostelefonjainkban, laptopjainkban és elektromos járműveinkben.