A tudósok szervetlen cink alapú vegyületeket használnak a nátrium- és kálium-ion akkumulátorok kapacitásának jelentős javítására.
Autóakkumulátor töltése – szemléltető fotó. Kép jóváírása: JUICE az Unsplash segítségével, ingyenes licenc
Lítium-ion akkumulátorok (LIB) messze az újratölthető akkumulátorok legszélesebb körben használt típusai, amelyek számos alkalmazást felölelnek. Ide tartoznak a fogyasztói elektronikai cikkek, az elektromos járművek (pl. Tesla autók), a megújuló energiarendszerek és az űrhajók.
Bár a LIB-k sok szempontból a legjobb teljesítményt nyújtják más újratölthető akkumulátorokhoz képest, megvannak a maguk hátrányai. A lítium meglehetősen szűkös erőforrás, és az ára gyorsan emelkedni fog a rendelkezésre állás csökkenésével.
Ezenkívül a lítium extrakciója és a helytelenül eldobott LIB-k hatalmas környezeti kihívásokat jelentenek, mivel az általánosan használt folyékony elektrolitok mérgezőek és gyúlékonyak.
A LIB-k hiányosságai világszerte arra ösztönözték a kutatókat, hogy alternatív energiatárolási technológiákat keressenek. A nátrium- (Na)-ion akkumulátorok (NIB-k) és a kálium-ion-akkumulátorok (KIB-ek) két gyorsan terjedő lehetőség, amelyek költséghatékonyak és fenntarthatóak. Az előrejelzések szerint az NIB-ek és a KIB-k is milliárd dolláros iparágak lesznek az évtized végére.
A világ kormányai, beleértve az Egyesült Államokat, Ausztriát, Hongkongot, Németországot és Ausztráliát, támogatják a kutatást és az innovációt ezen a területen. Ezen túlmenően olyan vállalatok, mint a Faradion Limited, a TIAMAT SAS és a HiNa Battery Technology Co. Ltd., jelentős mértékben fektetnek be ebbe a technológiába. Mind a Contemporex Amperex Technology Co. Limited, mind a Build Your Dreams várhatóan hamarosan bemutatja az elektromos járművek akkumulátorait a NIB-ekkel.
Sajnos azonban a NIB-ekben és KIB-ekben használt elektródaanyagok kapacitása még mindig elmarad a LIB-kétől. Ebben az összefüggésben a Shinichi Komaba professzor vezette kutatócsoport, a Tokiói Egyetem Tudományegyetem (TUS, Japán) munkatársa azon dolgozik, hogy úttörő, nagy kapacitású elektródaanyagokat fejlesszen ki NIB-ekhez és KIB-ekhez.
Legújabb tanulmányukban kiadva Fejlett energiaanyagok 9. november 2023-én új szintézis stratégiáról számoltak be nanostrukturált „kemény szén” (HC) elektródák számára, amelyek példátlan teljesítményt nyújtanak. A tanulmány társszerzői Daisuke Igarashi úr, Yoko Tanaka asszony és Ryoichi Tatara junior docens a TUS-tól, valamint Dr. Kei Kubota a japán Nemzeti Anyagtudományi Intézettől (NIMS).
De mi az a HC, és miért hasznos a NIB-k és KIB-k számára? A szén más formáitól, például a graféntől vagy a gyémánttól eltérően a HC amorf; hiányzik belőle egy jól körülhatárolható kristályszerkezet. Ezenkívül erős és ellenálló. Egy korábbi, 2021-es tanulmányban Komaba professzor és munkatársai megtalálták a módját, hogy a magnézium-oxidot (MgO) sablonként használják a HC elektródák szintézise során NIB-ekhez, megváltoztatva azok végső nanoszerkezetét.
A folyamat a MgO eltávolításakor nanopórusok kialakulásához vezetett az elektródákon belül, ami viszont jelentősen megnövelte a Na raktározási képességét.+ ionok.
Korábbi eredményeik alapján a kutatók azt vizsgálták, hogy a cinkből (Zn) és kalciumból (Ca) készült vegyületek hasznosak lehetnek-e nano-sablonként HC elektródákhoz. Ennek érdekében szisztematikusan vizsgálták a különböző cink-oxid (ZnO) és kalcium-karbonát (CaCO) felhasználásával készült HC mintákat.3), és összehasonlították teljesítményüket a magnézium-oxiddal (MgO) szintetizáltakkal.
Az előzetes kísérletek azt mutatták, hogy a ZnO különösen ígéretes a NIB-ek negatív elektródája számára. Ennek megfelelően a kutatók a szintézis során optimalizálták a HC-mátrixba ágyazott ZnO koncentrációját, ami 464 mAhg reverzibilis kapacitást mutatott be.-1 (megfelel a NaC-nek4.8) magas, 91.7%-os kezdeti coulombikus hatásfokkal és alacsony, átlagos potenciállal (0.18 V vs. Na)+/Na.
A csapat figyelemre méltó eredményeket ért el azáltal, hogy ezt az erős elektródaanyagot tényleges akkumulátorba építették be. „Az optimalizált ZnO-templált HC negatív elektróda felhasználásával készült NIB energiasűrűsége 312 Wh kg-1, " kiemeli Prof. Komaba.
„Ez az érték megegyezik a jelenleg kereskedelmi forgalomba hozott, LiFePO-t tartalmazó LIB-k bizonyos típusainak energiasűrűségével4 és grafit, és több mint 1.6-szorosa az első NIB-ek energiasűrűségének (192 Wh kg-1), amelyről laboratóriumunk 2011-ben számolt be.” Nevezetesen, a ZnO-templált HC jelentős, 381 mAh g kapacitást is mutatott-1 amikor beépül egy KIB-be, tovább mutatja a benne rejlő lehetőségeket.
Összességében a tanulmány eredményei azt mutatják, hogy a szervetlen nanorészecskék sablonként történő felhasználása a pórusszerkezet szabályozására hatékony iránymutatást nyújthat a HC elektródák fejlesztéséhez. "Eredményeink azt bizonyítják, hogy a HC-k ígéretes jelöltek negatív elektródák számára a grafit alternatívájaként" – zárja szavait Komaba professzor.
Kemény szén formázása kivételes nagy kapacitású elektródák előállításához nátrium-ion akkumulátorokhoz: Lehetőség van nanopórusok beépítésére a kemény szénbe, ha cink-oxidot használnak sablonként a szintézis során. Ezek a pórusok lehetővé teszik az anyag számára, hogy sokkal több töltéshordozót tároljon, így ígéretes elektródajelölt a nátrium-ion akkumulátorokhoz, amelyek a LiFePO4 típusú lítium-ion akkumulátorokhoz hasonló energiasűrűséget tudnak elérni. A kép jóváírása: Shinichi Komaba, a TUS Japánból
Ez viszont életképessé teheti az NIB-ket olyan gyakorlati alkalmazásokban, mint a fenntartható fogyasztói elektronika és elektromos járművek, valamint az alacsony szén-dioxid-kibocsátású energiatároló rendszerek fejlesztése a nap- és szélerőművekből származó energia tárolására.
Forrás: Tokiói Tudományegyetem
