A kutatók új megközelítésükben mangánt használnak az anódban, hogy olyan nagy energiasűrűségű akkumulátort hozzanak létre, amely egyszerre költséghatékony és fenntartható. Az új, nanoszerkezetű litium-mangán akkumulátor nagyobb felülettel biztosít jó kapacitásmegtartást és kiváló töltési sebességet. A mangán anódok a litium-ion akkumulátorokban 820 Wh/kg-ot értek el, ezzel felülmúlva a nikkel-kobalt akkumulátorok 750 Wh/kg-os értékét.
Az elektromos járművek gyártói a nikkel- és kobalt akkumulátorokat részesítik előnyben, mivel ezek nagyobb energiasűrűséget biztosítanak, ami kisebb akkumulátorcsomaggal nagyobb hatótávolságot jelent. Azonban mindkét alkatrész beszerzése viszonylag drága és ritka, ami fenntarthatatlan opcióvá teszi őket az elektromos autók erős kereslete mellett.
A lítium-ion (Li-ion) akkumulátorok a legtöbb elektronikai eszközben, mobilban, laptopban ott vannak. Alacsonyabb energiasűrűségük miatt azonban a közlekedésben háttérbe szorulnak. Noha a teljesítmény növelésére korábban is kísérleteztek az anódanyagban lévő mangánnal, ezek a fejlesztések korlátozottak voltak az elektróda gyengébb teljesítménye miatt. A mangánt használó akkumulátorokban erős feszültségcsökkenés keletkezett, ami csökkentette az elektronikus eszköz teljesítményét. A japán kutatók ezt a problémát oldották meg legújabb munkájukban: kémiailag felturbózták a mangánt, hogy fázisátalakulás révén elérje a kívánt teljesítményt.
A fázisátalakuláshoz nanoszerkezetű LiMnO2-t szintetizáltak közvetlenül, monoklin réteges doménszerkezettel és nagy felülettel, egyszerű szilárdtest-reakcióval. A monoklin rendszer a szilárd kristályszerkezet csoportos szimmetriájának egy típusa, amely itt aktiválta a LiMnO2 szerkezeti átmenetét egy spinellszerű fázisba. A LiMnO2 a fázisátalakulás elősegítésével javítja az elektródaanyag teljesítményét. A fázisátalakulás nélkül a LiMnO2 elektróda teljesítménye nem lenne optimális. A reakciónak nincsenek köztes lépései, és közvetlenül szintetizálható két komponensből, kalcinálási eljárással.
A tesztek szerint a LiMnO2 elektródával ellátott akkumulátor 820 wattóra/kilogramm energiasűrűséget ért el, szemben a nikkelalapú akkumulátorral elért 750 wattóra/kilogrammal. A lítiumalapú akkumulátorok energiasűrűsége még ennél is alacsonyabb, 500 wattóra/kilogrammal. Ugyanakkor a mangán hátránya, hogy oldódásra hajlamos, akár fázisváltás, akár savas oldattal való reakció miatt. A kutatók azt tervezik, hogy ezt a problémát nagy koncentrációjú elektrolitoldat és egy lítium-foszfát bevonat alkalmazásával orvosolják.
Forrás: Interesting Engineering
A borítókép illusztráció, forrás: Adobe Stock
