A 2019. évi kémiai Nobel-díjas kutatások hátterét világította meg prezentációjában a VBK kutatója.

„Idén egy amerikai, egy brit és egy japán tudós kapta a kémiai Nobel-díjat a Li-ion akkumulátor kifejlesztéséért. A világ legrangosabb tudományos elismerés odaítélésével hosszú évtizedekig tartó munkájuk érett be: ezek az energiatároló egységek mostanra a hordozható eszközeink széles spektrumát szolgálják” – hangsúlyozta Höfler Lajos, a BME Vegyészmérnöki és Biomérnöki Kar (VBK) Szervetlen és Analitikai Kémia Tanszék egyetemi docense, az Elektrokémiai Kutatócsoport tagja azon az előadáson, amelynek apropója nemcsak a neves kitüntetéssel jutalmazott vizsgálatok bemutatása volt, hanem a kari TDK verseny napjának záróprogramja is.

A Ch épületben tartott előadáson a szakember kifejtette, az iparban folyamatosan változó trendek figyelhetők meg, ennek egyik legismertebbike az ún. Moore-törvény, amely szerint az integrált áramkörök összetettsége körülbelül 18 hónaponként megduplázódik. Hasonló tendencia tapasztalható sok más tudományterületeken is: például a DNS-szekvenálás költségei öt nagyságrenddel csökkentek kevesebb, mint két évtized alatt, és exponenciális növekedés azonosítható a mesterséges intelligencia-kutatásoknál is a számítási kapacitás mennyiségében. Itt a változást a többféle, egymást váltó technológiák generációi eredményezték.

Az akkumulátorok nagy előnye, hogy árammal újratölhetők. Fajlagos energiájuk – azaz, hogy mennyi energiát tudnak tárolni adott tömegben – egy rendkívül lényeges mérőszám. A 19. század közepétől használatos ólom, majd a nikkel-kadmium és a nikkel-fémhidrid használata nem változtatta meg lényegesen ezt a mutatót: a Li-ion-akkumulátornál viszont ez folyamatosan növekvő, a Moore-törvényhez hasonló tendenciát jelez.

Akkumulátorok fajlagos energiája (Forrás: Nature 507, 26–28 (2014), US DOE battery cost)

A lítiumion használatára épülő akkumulátorok előnyös tulajdonsága, hogy a lítiumion redukciós potenciálja nagyon alacsony érték, tehát a fém lítium jó redukálószer: könnyen „meg tud szabadulni” az elektronjától, ami így az áramkörbe kerül. Ez egyben technológiai akadályt is jelent, mivel annyira reakcióképes, hogy nem működhet vizes oldatban, sőt a levegő oxigénjével és nitrogénjével is reakcióba léphet.

Az 1950-es években már találtak megfelelő oldószereket, de az igazán nagy áttörést az egyik mostani Nobel-díjas, Stanley Whittingham brit vegyész érte el. Kutatásait főként az 1970-es évek energiaválsága inspirálta, amikor fosszilis üzemanyag felhasználása nélküli technológiák kifejlesztésén dolgozott. Ekkoriban rábukkant egy sajátos, réteges szerkezetű lítium-titán-szulfidos anyagra, amelynek rétegei közé „beszúrva” helyezkednek el a lítiuminonok. A kutató akkumulátorának az anódja részben fémes lítiumból készült, ez viszont robbanásveszélyt jelentett, azaz a tömeggyártása fel sem merülhetett.

Egy oxfordi szilárdtestfizikus, John Goodenough fedezte fel az első olyan anyagokat, amelyek már alkalmasak voltak nagyobb feszültség tárolására. A katódban fém-oxidot használt fém-szulfid helyett és 1980-ban a kobalt-oxidba ágyazott lítiumionos akkumulátora már 4 V feszültségen működött.

A Nobel-díjas professzor sokrétű kutatótevékenységet végzett oxfordi laborjában: nemcsak réteges szerkezetű, hanem többféle kristályszerkezetű lítiumion-akkumulátorokat fejlesztett ki. Számos lítium vegyületet használtak a minél nagyobb kapacitású cellák gyártásához, de előfordult egy gyakori hiba: viszonylag kevés töltés-kisütés után is kialakulhattak ún. lítium tüskék, amelyek rövidzárlatot okoztak.

Korai meghibásodást okozhatnak a lítium tüskék

A harmadik díjazott, Josino Akira japán vegyész volt az, aki rájött, hogy a reaktív lítium anód helyett petrolkoksz alkalmazásával biztonságosabb és jó hatásfokú, akár több ezer töltést bíró lítiumion-akkumulátoroka hozhatók létre. Előnyük, hogy a töltés és kisütés során a lítiumionok oda-vissza vándorolnak az anód és a katód között, tehát nem olyan kémiai folyamatokon alapulnak, amelyekben elhasználódnak az elektródok. Ráadásul viszonylag széles körből lehet kiválasztani olyan anód és katód anyagokat, amelyek képesek a lítiumion tárolására. Ennek az ún. hintaszék-modellnek a megalkotása a rendkívül könnyű, tartós és erős – 1985-től kereskedelmi forgalomba került – akkumulátorok tömeggyártását eredményezte. Az ilyen típusú eszközök kapacitása részleges töltés vagy lemerítés következtében nem csökken jelentősen, ráadásul a többi akkumulátorhoz képest a szabadabb anyagválasztás következtében lehetőség van teljesen nehézfém-mentes cellák előállítására.

„A lítiumion-akkumulátorok forradalmasították az életünket és lefektették a vezeték nélküli, fosszilis energiától mentes társadalom alapjait, nagy hasznára válva az emberiségnek” – állt a Nobel-bizottság indoklásában. Höfler Lajos előadásában rámutatott, sokan nem tudják, hogy az elektromos és a hibrid autók már a 19. század fordulóján megjelentek, de az olcsóbb kőolaj-alapú üzemanyagok kiszorították azokat. A technológiai fejlesztések azonban mára lehetővé tették az elektromos járművek tömeges gyártását, amelyek egyúttal abban is segíthetnek, hogy a megújuló energiaforrások által termelt áram ne csak annak előállítása pillanatában legyen felhasználható, hanem megoldottá váljon a tárolása is.

Akkumulátorárak (Forrás: BloombergNEF)

Napjainkban kutatók sora foglalkozik korszerű technológiák fejlesztésével a területen. Autóipari kutatásokból például az derült ki, hogy az elektromos autók főként a rövidebb, rendszeres utak használatánál gazdaságosak. Gyakran felmerülő aggály az elektromos autókkal szemben a cellák hosszú távú öregedése, hiszen a vásárlók nem szeretnék kicserélni 5-10 évente a költséges akkumulátorcsomagokat, ezért is jelentett áttörést az egymillió mérföld élettartamra becsült Li-ion-akkumulátor kifejlesztéséről szóló, közelmúltban megjelent hír – hívta fel a figyelmet Höfler Lajos, hozzátéve, a téma a fenntarthatóság, a környezetvédelem aktuális kérdései miatt a közeljövőben sem fog lekerülni a tudomány és a piaci szereplők napirendjéről. Előbbire példa az alternatív megoldások keresése: például lítium-levegő, a lítium-kén, vagy a lítiumion helyett magnéziumion alapú akkumulátorral egyaránt zajlanak kísérletek. Mindezek mellett a jelenleg is rendelkezésre álló technológiák minél költséghatékonyabb előállítására pedig a Samsung Gödön épülő akkumulátorgyára a példa, ami világviszonylatban kiemelkedő léptékű beruházás lesz.

A műegyetemi szakemberek is részesei e fontos kutatásoknak. Höfler Lajos – a Michigani Egyetemen és Oxfordban töltött posztdoktori évek után – hazatért, és bekapcsolódott az Elektrokémiai Kutatócsoport munkájába, amelyet 2012-ben alapítottak. A kutatóműhely létrehozását a Volkswagen AG cég elnöke, Martin Winterkorn szorgalmazta, vezetője Gyurcsányi E. Róbert lett. „Az elektromos autókban az akkumulátor a gyenge pont: kutatásaink leginkább a különböző litiumion-akkumulátorok öregedésének a mérésére és modellezésére irányulnak. Eredményeink társadalmi hasznossága abban nyilvánul meg, hogy a cellák öregedésének jobb megértésével lehetőség nyílhat még tartósabb eszközök előállítására. A Műegyetem részére pedig presztízst jelent, hogy a világ legnagyobb autógyártójával működnek együtt az intézmény műegyetemi szakemberei egy ilyen fontos és jövőbemutató területen már több mint 6 éve” – hangsúlyozta Höfler Lajos, aki „Elektrokémiai energiatároló eszközök” címmel tart rendszeres kurzust a téma iránt bővebben érdeklődő hallgatók számára.

HA-GI
Fotó: Philip János