A Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST) kutatói egy kereskedelmi lítiumion-akkumulátorokban alkalmazott grafitanód belső szerkezete alapján készítettek háromdimenziós digitális ikert. A modellben külön-külön rekonstruálták a lítium tárolására szolgáló grafitszemcséket, az ezeket összetartó kötőanyagot, valamint az elektrolittal kitöltött pórusokat. Ezzel pedig olyan folyamatokat is vizsgálni tudtak, amelyek hagyományos kísérletekkel nehezen különíthetők el egymástól.
A gyorstöltés egyik problémája, hogy a lítiumionok nagy töltőáram mellett nem mindig képesek elég gyorsan beépülni a grafit szerkezetébe. Ilyenkor fémes lítium válhat ki az anód felületén. Az úgynevezett lítiumkiválás (Li plating) rontja a teljesítményt és gyorsítja az akkumulátor öregedését. Emellett a grafiton kialakuló szilárd elektrolit-határfázis, az SEI-réteg egyenetlen növekedése, valamint a töltés közben fellépő mechanikai feszültségek is hozzájárulhatnak a cella degradációjához.
A kutatók a digitális modellben az elektróda vastagságát, porozitását és a kötőanyag térbeli eloszlását változtatták. Az eredmények szerint az átlagos anyagjellemzők önmagukban nem feltétlenül mutatják meg, hogy az elektróda egyes részein milyen károsodási folyamatok zajlanak.
Például egy 50 mikrométer vastag anódnál a különböző kötőanyag-eloszlások között a teljes töltési kapacitás eltérése 4 százalékon belül maradt. A mikroszerkezet szintjén azonban jelentős különbségek jelentkeztek. Ha a kötőanyag a szeparátor közelében koncentrálódott, csökkent a lítiumionok mozgásához rendelkezésre álló pórustér, emiatt egyenetlenebbé vált az ionáramlás. Ebben az esetben az áramgyűjtő közelében kialakuló lítiumkiválás több mint 10 százalékkal nőtt az egyenletes kötőanyag-eloszlású elektródához képest.
A hatás vastagabb elektródáknál még erőteljesebbnek bizonyult: 83 mikrométeres anódnál a különböző kötőanyag-eloszlásokhoz tartozó töltési kapacitások eltérése már mintegy 18 százalékra nőtt. Ez ipari szempontból különösen fontos, mert a nagyobb energiasűrűség elérésének egyik kézenfekvő módja a vastagabb, több aktív anyagot tartalmazó elektródák alkalmazása. A kutatás szerint azonban ilyenkor a belső struktúra szabályozása egyre fontosabbá válik.
A mikroszerkezet szabályozása lehet a kulcs
A pórusok eloszlása a mechanikai terhelést is befolyásolta. A megfelelően porózus területeken több hely maradt a grafitszemcsék töltés közbeni tágulására, míg az alacsonyabb porozitású zónákban helyi feszültségcsúcsok alakulhattak ki. A nagyobb porozitás emellett az iontranszportot is javította, ezáltal mérsékelte a töltés során fellépő egyenlőtlenségeket.
Az eredmények a gyártás számára azért lehetnek jelentősek, mert azt mutatják: az elektródatervezésnél nem elegendő pusztán a grafit, a kötőanyag és a pórustér átlagos arányát meghatározni. A gyártási folyamatnak ezek térbeli eloszlását is kontrollálnia kell. A digitális iker segítségével a gyártók virtuálisan tesztelhetnek különböző elektródastruktúrákat, mielőtt azokat tényleges cellák formájában legyártanák.
A módszer így csökkentheti a kísérleti fejlesztéshez szükséges prototípusok számát, és gyorsíthatja az optimális elektródaszerkezet megtalálását. Hosszabb távon olyan akkumulátorok fejlesztését segítheti, amelyek nagyobb energiasűrűség mellett is jobban viselik a gyorstöltést, miközben lassabban degradálódnak.
A kutatást Kang Taek Lee, a KAIST gépészmérnöki tanszékének professzora és az EunAe Cho anyagtudományi kutatócsoportja végezte; a tanulmány első szerzője Yejin Kang doktorandusz. A szakmailag lektorált munka az InfoMat folyóiratban jelent meg.
Forrás: KAIST/EurekAlert/InfoMat
A borítókép illusztráció, fotó: Adobe Stock
