Az elektromos autók terjedésével, valamint a klímaváltozás elleni megújulóenergiás átmenet miatt egyre nagyobb szükség van akkumulátorokra, miközben a hordozható eszközök elterjedésével - okostelefonok, laptopok, tabletek stb. - már eleve kötöttek az ellátási lehetőségek. A hagyományos - és leggyakrabban használt - lítiumion-akkumulátorok gyártási lehetőségei korlátozottak a felhasznált ritkább nyersanyagok, mint amilyen maga az alkálifém, vagy a kobalt és a szintén szükséges nikkel miatt, de a széleskörben használt rézkészletek hozzáférhetősége is egyre rosszabb. Éppen ezért az egyik legfontosabb kutatási területté lépett elő, hogy új, könnyebben elérhető alkotóelemekből készítsenek nagy hatékonyságú cellákat. Az elmúlt időszakban ezért sok kísérleti technológia jelent meg: terjednek a nátriumion-, vas-víz-, vagy a vas-levegő-akkumulátorok is. 

A mai lítiumion-akkumulátorok, amelyeket a mobiltelefonoktól kezdve az autókig mindenben széles körben használnak, folyékony szerves oldószerben oldott lítiumsóból készült elektrolitokat tartalmaznak. Az elektrolit feladata a lítiumionok elvezetése az akkumulátor katódja és anódja között. A folyékony elektrolitok elég jól működnek, de van néhány hátrányuk is. Nagy áram esetén az elektrolitban apró lítiumfémszálak, úgynevezett dendritek képződhetnek, ami rövidzárlatokhoz vezethet. Ezenkívül a folyékony elektrolitok gyúlékony és mérgező vegyi anyagokból készülnek, amelyek meggyulladhatnak.

Kapcsolódó

Most viszont egy egészen új megközelítéssel álltak elő a Brown és a Marylandi Egyetemek kutatói: fenntartható forrásból, fából készítettek akkumulátorelemeket. A Nature folyóiratban közzétett kutatásban a csapat olyan szilárd ionvezetőt mutatott be, amely a rezet cellulóz nanofibrillákkal - fából származó polimercsövekkel - kombinálja. A papírvékony anyag ionvezető képessége 10-100-szor jobb, mint más polimer ionvezetőké - állítják a kutatók. Az anyagot szilárd akkumulátor-elektrolitként vagy egy teljesen szilárdtest-akkumulátor katódjának ionvezető kötőanyagaként lehetne használni.

"A rezet egydimenziós cellulóz nanofibrillákba beépítve kimutattuk, hogy az általában ionszigetelő cellulóz gyorsabb lítiumion-transzportot biztosít a polimerláncokon belül"" - mondta Liangbing Hu, a Marylandi Egyetem Anyagtudományi és Műszaki Tanszékének professzora a Technology Network szerint. "Sőt, úgy találtuk, hogy ez az elektrolit rekordmagas ionvezetőképességet ért el az összes szilárd polimer elektrolit között" - tette hozzá a szakember.

Szemben a folyékony fémoldatos megoldással, a szilárd elektrolitok megakadályozhatják a dendritek behatolását, és nem gyúlékony anyagokból készülhetnek.  Az eddig vizsgált szilárd elektrolitok többsége kerámia anyag, amelyek nagyszerűen vezetik az ionokat, de vastagok, merevek és törékenyek is. A gyártás, valamint a töltés és kisütés során fellépő feszültségek repedésekhez és törésekhez vezethetnek.

Az ebben a tanulmányban bemutatott anyag azonban vékony és rugalmas, szinte olyan, mint egy papírlap. Ionvezetőképessége pedig a kerámiával egyenrangú.

A Brown kutatói számítógépes szimulációkat végeztek a réz-cellulóz anyag mikroszkopikus szerkezetéről, hogy megértsék, miért képes ilyen jól vezetni az ionokat. Ez a vizsgálat pedig kimutatta, hogy a réz növeli a cellulóz polimerláncok közötti teret, amelyek általában szorosan csomagolt kötegekbe állnak össze. A megnövekedett távolság olyan ionszupersztrádákat hoz létre, amelyeken keresztül a lítiumionok szinte akadálytalanul tudnak elszáguldani.

"A lítiumionok ebben a szerves szilárd elektrolitban olyan mechanizmusokon keresztül mozognak, amelyeket jellemzően a szervetlen kerámiákban találunk, ami lehetővé teszi a rekordmagas ionvezetést" - mondta az egyik kutató a fejlesztésről. 

A fejlesztés igazán nagy eredménye, hogy a természet által biztosított anyagok használata csökkenti az akkumulátorgyártás környezetünkre gyakorolt általános hatását. A fából kinyerhető cellulóz pedig fenntartható módon előállítható.

Amellett, hogy az új akkumulátorban a cellulóz szilárd elektrolitként működik, az új anyag a szilárdtest-akkumulátor katódkötőanyagaként is működhet. Ahhoz, hogy az anódok kapacitását elérjék, a katódoknak lényegesen vastagabbnak kell lenniük. Ez a vastagság azonban veszélyeztetheti az ionvezetést, ami csökkenti a hatékonyságot. Ahhoz, hogy a vastagabb katódok működőképesek legyenek, ionvezető kötőanyagba kell őket burkolni. Az új anyagukat kötőanyagként használva a kutatócsoport bemutatta, hogy véleményük szerint ez az egyik legvastagabb funkcionális katód, amelyről valaha beszámoltak.

A kutatók bíznak abban, hogy az új anyag egy lépés lehet afelé, hogy a szilárdtest-akkumulátor-technológiát a tömegpiacon is használni lehessen.