Az elektromos járművekben általánosan használt lítium akkumulátorok az elektromos energia kémiai energiává alakításával tárolják az energiát, hogy később a katód és az anód között mozgó lítium-ionok mozgása révén a kémiai energiát elektromos energiává alakítsák – írja a ScienceDaily. Ezek az akkumulátorok nagy lítiumion-tárolókapacitásuk miatt főként nikkel katódanyagokat használnak. A hagyományos nikkelalapú anyagok polikristályos morfológiája sok apró kristályból áll, amelyek a töltés és kisütés során szerkezeti degradáción mehetnek keresztül, ami jelentősen csökkenti az élettartamukat.
A probléma megoldásának egyik megközelítése a katódanyag „egykristályos” formában történő előállítása. A nikkelalapú katódanyagok egyetlen nagy részecske, azaz „egykristály” formájában történő előállítása javíthatja szerkezeti és kémiai stabilitásukat és tartósságukat.
Ismeretes, hogy az egykristályos anyagok magas hőmérsékleten szintetizálódnak és merevvé válnak. A szintézis során történő megkeményedés pontos folyamata és a konkrét körülmények, amelyek között ez bekövetkezik, azonban továbbra sem világos.
Megvan a kulcs ahhoz, hogy az elektromos járművek akár egymillió kilométert is megtehessenek? (Fotó: Canva)
Az elektromos járművekhez használt nikkel katódanyagok tartósságának javítása érdekében a kutatók arra összpontosítottak, hogy meghatározzák azt a „kritikus hőmérsékletnek” nevezett specifikus hőmérsékletet, amelyen a kiváló minőségű egykristályos anyagok szintetizálódnak. Különböző szintézis-hőmérsékleteket vizsgáltak, hogy meghatározzák az egykristályok kialakulásának optimális feltételeit egy nikkelalapú katódanyag (N884) szintézisében. A csoport szisztematikusan megfigyelte a hőmérséklet hatását az anyag kapacitására és hosszú távú teljesítményére.
A kutatók felfedezték, hogy a hagyományos polikristályos anyagok, amelyeket egy bizonyos kritikus hőmérséklet alatt szintetizálnak, hajlamosak a degradációra a akkumulátorokban való hosszabb használat során. Ha azonban e kritikus hőmérséklet felett szintetizálják, könnyen előállíthatók kiváló minőségű egykristályok, ami hosszú élettartamú anyagokat eredményez.
Ez a „sűrűsödésnek” nevezett folyamatnak köszönhető, amely egy bizonyos kritikus hőmérséklet felett következik be. E folyamat során az anyag belső szemcsemérete megnő, és az anyagon belüli üres terek sűrűn kitöltődnek.
A sűrűsödött egykristályok rendkívül kemények és hosszabb időn keresztül ellenállnak a lebomlásnak, ami jelentősen növeli a tartósságukat.
Ezen eredmények alapján a csapat megerősítette, hogy az egykristályok szintézise a kritikus hőmérséklet felett előnyösebb anyagtervezési stratégia. Emellett hatékony módszert javasoltak a kiváló minőségű egykristályos anyagok szintézisére.
Kyu-Young Park, a POSTECH professzora kijelentette: „Új szintézisstratégiát vezettünk be a nikkelalapú katódanyagok tartósságának fokozására.” Hozzátette: „Folytatjuk a kutatásainkat, hogy olcsóbbá, gyorsabbá és tartósabbá tegyük az elektromos járművek akkumulátorait”.
Devenyi Dalma
