Miért eddig hiúsultak meg a szilárdtest-akkumulátorok?
A fejlett szilárdtest-akkumulátorok egyik kulcseleme, hogy a folyékony helyett szilárd elektrolitot használnak. Ez a megoldás lehetővé tenné a lítiumfém-akkumulátorokat, melyek akár többszörös energiát is eltárolhatnak, mint a most használt lítium-ion cellák, miközben hamarabb feltölthetők és jóval kevésbé gyúlékonyak. Azonban a kerámiaalapú szilárd elektrolitok rideg szerkezetük miatt mikroszkopikus repedéseket hajlamosak kialakítani. Ezek az apró hibák a töltési ciklusok során fokozatosan terjednek, végül az egész akkumulátor meghibásodását okozva.
Ezüst: apró réteg, forradalmi hatás
A Stanford kutatói több évnyi kutatás után jöttek rá, hogy egy rendkívül vékony, mindössze 3 nanométeres ezüstréteg hőkezeléssel történő felvitele az úgynevezett LLZO nevű kerámiaelektrolitra (amely lítium, lantán, cirkónium és oxigén keveréke), gyakorlatilag ötször ellenállóbbá teszi azt a repedésekkel szemben. Az ezüst pozitív töltésű (Ag+-)ionjai beépülnek a kerámia kristályszerkezetének felső 20–50 nanométeres rétegébe, itt helyettesítik a kisebb lítiumionokat, és megakadályozzák a repedések továbbterjedését, illetve a káros lítiumlerakódások kialakulását.
Nem sokkal később újabb csavar következett: más kutatók már próbálkoztak fém ezüstrétegekkel, ám a Stanford csapata felismerte, hogy csak az oldott, Ag+-ionként jelenlévő ezüst nyújt valódi védelmet. A módszer egyszerű: a kerámia felületét ezüstionokban fürdetik, majd 300 Celsius-fokos hevítésnek vetik alá, az ezüstionok pedig rögzülnek – anélkül, hogy fémes ezüstté válnának.
Kísérleti eredmények és gyakorlati lehetőségek
Ez volt az a pillanat, amikor minden megváltozott: a kísérletek során kiderült, hogy a kezelt kerámiának ötször nagyobb nyomás kellett, hogy megrepedjen, mint a kezeletlen anyagnak. Egy speciális, pásztázó elektronmikroszkópos vizsgálattal igazolták a különbséget. Különösen a gyors töltésnél döntő jelentőségű, hogy a káros repedések ne szélesedjenek ki, mert ezek tartósan rontják az akkumulátor teljesítményét.
Még csak laboratóriumi szinten, kisméretű mintákkal dolgoztak, így egyelőre nem világos, mennyire lehet ipari léptékben alkalmazni az új módszert. A kutatók már fejlesztik a technikát teljes szilárdtest-akkumulátor-cellákon, többféle kerámiával, például a stabilabb, kéntartalmú változatokkal is kísérleteznek.
Ezüst, de lehet réz vagy más is?
Felmerült, hogy nem feltétlenül csak ezüstionokat lehet bejuttatni a szilárd elektrolitokba. Akár magasabb iontömegű fémek – mint a réz – is szóba jöhetnek, igaz, a réz a kezdeti tesztek szerint kevésbé hatékony, mint az ezüst. A koncepció a nátriumalapú akkumulátoroknál is ígéretes, így a lítium iránti kereslet miatt növekvő ellátási kihívásokat is enyhítheti.
Végső soron a szilárdtest-akkumulátorok áttörésének kulcsa lehet ez a nanoszintű felületkezelés, amelyre hétköznapi, törékeny porcelánedényeink is utalnak – egy apró réteg, ami forradalmat hozhat az energiatárolásban.
