Sok elektromos járművet kobaltot tartalmazó akkumulátorok hajtanak – ez a fém magas pénzügyi, környezeti és társadalmi költségekkel jár – írja a Clean Technica. Az MIT kutatói most olyan akkumulátor-anyagot fejlesztettek, 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.
„Úgy gondolom, ennek az anyagnak nagy hatása lehet, nagyon jól működik” – mondja Mircea Dincă, az MIT W.M. Keck energiaprofesszora. „Már most is versenyképes a már létező technológiákkal, és sok költséget, ártalmat és környezetvédelmi problémát megspórolhat és megelőzhet, amelyek a jelenleg az akkumulátorokba kerülő fémek bányászatával kapcsolatosak.”
Dincă a vezető szerzője a tanulmánynak, amely januárban jelent meg az ACS Central Science című folyóiratban. Tianyang Chen PhD és Harish Banda, az MIT korábbi posztdoktora a tanulmány vezető szerzői. További szerzők még Jiande Wang, az MIT posztdoktorandusza, Julius Oppenheim, az MIT végzős hallgatója és Alessandro Franceschi, a Bolognai Egyetem kutatója.
Az MIT vegyészei olyan szerves anyagokon alapuló akkumulátor-katódot fejlesztettek ki, amely csökkentheti az elektromos járművek iparágának ritka fémektől való függőségét. (Fotó: Canva)
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 tudnak tárolni, és rendelkeznek minden olyan tulajdonsággal, ami az embereket a teljesítmény szempontjából érdekli, 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 körülbelül fele a kobalt- és nikkelakkumulátorokénak.
Egy másik vonzó lehetőséget a szerves anyagok jelentik, 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, 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 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 legtöbb elektromos autót lítium-ion akkumulátorok működtetik. (Fotó: Canva)
Ennek az anyagnak a vizsgálatai azt mutatták, hogy vezetőképessége és tárolókapacitása hasonló a hagyományos kobalt-tartalmú akkumulátorokéhoz. 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 felét-harmadát 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.
Kiemelt kép forrása: Canva
Devenyi Dalma
