Akkumulátor m?ködése él? közvetítésben: amerikai kutatók röntgenmikroszkóp segítségével vizualizálták, mi történik lítium-ion akkumulátorokban töltés és merülés közben – mindezt a nanométeres tartományban. A valós idej? nano-bepillantás az akkumulátorba megmutatta az apró lítium-katódkristályok tölt?dési és merülési folyamatát. Kutatók többek között úgynevezett „turbó zónák” kialakulását mutatták ki a szemcsékben, melyek különösen gyorsan reagálnak, számol be a kutatásról a „Science” cím? szaklap.
Lítium-ion akkumulátor kulcsfolyamatai nano méretekben játszódnak le – mindezeket egy mikroszkóp most láthatóvá tette (Foto: © OneAgency/thinkstock)
Lítium-ion akkumulátor sokféle elektronikai eszközben megtalálható, úgymint mobiltelefonokban, számítógépekben, kamerákban, elektromos autókban és sok más készülékben. Azonban az ilyen típusú akkumulátorok számos hátránnyal rendelkeznek: az id? múlásával teljesítményt veszítenek, illetve túlmelegedés esetén akár fel is robbanhatnak. Bár kutatók sokféle módszert kifejlesztettek annak érdekében, hogy az akkumulátorok biztonságosabbak és hatékonyabbak legyenek, mindez azonban a komponensek nano szintjén történik.
Jongwoo Lim és kollégái a Stanford Egyetemr?l nemrég egy olyan módszert dolgoztak ki, amely valós id?ben enged betekintést az akkumulátor bels? mikrovilágába. Az eddigi módszerek az elektrolit és elektród anyagának koncentrációváltozását, illetve a h?mérséklet eloszlást voltak képesek kimutatni. Ezzel ellentétben az új metódus töltés és merülés közben képes nyomon követi a lítium-vas-foszfát vegyület (LixFePO4) egyes részecskéinek viselkedését, melyek katódként üzemelnek.
30 katódrészecske a célkeresztben
Kutatóknak a lítium-ion akkumulátorba való betekintést egy speciális röntgentechnikával sikerült elérniük, az úgynevezett transzmissziós röntgenmikroszkóppal. A mintadarabra irányított, fókuszált röntgensugár roncsolásmentesen képes azt átsugározni. Kísérletükhöz a kutatók egy kisebb méret? tárolóeszközre méretezve megépítették saját lítium-ion akkumulátorukat.
Mindezzel képesek voltak megfigyelni mi történik az akkumulátorban pár száz nanométeres tartományban. „Ez az a mérettartomány, ahol az alapvet? folyamatok lezajlanak, melyek dönt? fontosságúak a töltési id?t és teljesítményvesztést illet?en”, magyarázza William Chue társszerz?, a Stanford Egyetemr?l. A röntgenmikroszkóp körülbelül 30 LixFePO4 kristály részecskét detektált egy pillanat alatt – mindezt megközelít?leg valós id?ben.
A színezés jelzi, mennyi lítium adódott hozzá vagy vonódott le a katódanyag szemcséihez/szemcséib?l (Foto: © Stanford University/ Chueh Group)
Kristályszemcsék „turbó zónával”
Lítium akkumulátor töltése közben a pozitív töltés? katód részecskék lítium-ionokat adnak le. Merülés esetén pedig a lítium-ionokat fokozatosan veszik fel. Az akkumulátorba való nano-pillantás leleplezte, hogy ez a folyamat semmi esetre sem egyenletesen megy végbe. Bizonyos parányi szemcseterületek különösen gyorsan vesznek fel és adnak le ionokat, míg más zónák lemaradnak.
A tölt?dés és merülés folyamatában a részecskék felületén tisztán elhatárolódnak a különböz? mérték? lítium tartalmak. A röntgenmikroszkóp azt is feltárta, hogy az akku töltése során a lítium-ion leadás kevésbé homogén lefolyású, mint merüléskor. „Ezek az eltérések magyarázatot adhatnak arra, miért olyan aszimmetrikus a feszültség profil töltés és merülés közben”, magyarázza Lim.
A tudósok remélik, hogy a mostani és jöv?beni megfigyelések a nano tartományban segíthetnek továbbfejleszteni a lítium-ion akkumulátorokat. „Egy olyan eljárásmód van a birtokunkban, amivel analizálhatjuk a kulcsfolyamatokat valós id?ben, mikro szinten”, meséli David Shapiro a Lawrence Berkley Nemzetközi Laboratóriumtól. „Mindez segít a folyamatok jobb megértésében és fejlesztésében.”
Forrás: mernokbazis.hu / www.scinexx.de
