Gyorsabban töltődő akkuk nanotechnológiával

Egy háromdimenziós nanoszerkezet döbbenetesen gyorsan tölthető és kisüthető akkumulátorokat ígér, mindezt az energiatárolási kapacitás megtartása mellett.

Paul Braun professzor fejlesztése komoly áttörést jelenthet az elektromos járművek, az orvosi eszközök, a különböző lézerek és katonai alkalmazások számára egyaránt. "A kapott rendszer kondenzátorszerű teljesítményt biztosít akkumulátorokra jellemző energiatárolással" - mondta Braun, az Illinois Egyetem anyagtudományi professzora. "A legtöbb kondenzátor nem jeleskedik a tárolásban, viszont rendkívül gyorsan le tudja adni az energiát. Az akkumulátorok többsége meglehetősen nagy energiamennyiséget tárol, viszont nem képesek az energia gyors fogadására vagy leadására. Ez mindkettőt tudja."

Az átlagos lítium-ion (Li-ion) vagy nikkel-fém hidrid (NiMH) akkuk teljesítménye jelentősen romlik, ha gyorsan töltjük vagy merítjük le azokat. Az akku aktív anyagát egy vékony hártyává alakítva lehetővé válik a gyors töltés és kisütés, ez azonban szinte nullára csökkenti a tároló kapacitást, mert az aktív anyagnak alig marad térfogata az energia eltárolásához.


Paul Braun (középen), Xindi Yu tanuló (balra) és Huigang Zhang kutató (jobbra) társaságában
Braun és munkatársai egy háromdimenziós szerkezetet alkottak a vékony hártyából, amivel tízszer, vagy akár százszor gyorsabban töltődő akkumulátorok készíthetők, melyek ennek ellenére teljesen megszokottan teljesítenek a hordozható készülékekben. A technika másodpercek alatt feltölthető telefonokat és percek alatt tölthető laptopokat eredményezhet, nem is szólva a nagy teljesítményű lézerekről és defibrillátorokról, amiknek nem kell az impulzusok előtt vagy közben a töltődésre várniuk.

Braun különösen az elektromos járművekkel kapcsolatban optimista, melyeknél az akkuk töltési ideje és élettartama komoly korlátokat jelent. A hosszú távú utazást gyakorlatilag lehetetlenné teszik az alig 200 kilométeres táv megtételére elegendő akkuk, melyek feltöltése megközelítőleg egy órát vesz igénybe. "Ha mindössze 5 percig tartana a töltési idő, akkor már-már ugyanúgy tekintenénk ezekre a járművekre, mint a belső égésű motorokkal szereltekre" - mondta Braun.


Braun nanostruktúrás katódjait használó lítium-ion akkumulátor (balra), és ugyanez egy pásztázó elektronmikroszkóp alatt (jobbra)
A technika kulcsa a kutatók újszerű háromdimenziós szerkezete. Egy felületre parányi gömbökből álló bevonatot visznek fel, olyan szorosan zsúfolva egymás mellé, hogy azok szabályos rácsba rendezik önmagukat. Ezután a kutatók fémmel töltik fel a gömbök közötti és körüli teret. A folyamatban a gömbök elolvadnak vagy feloldnak, egy lyukacsos, szivacsszerű háromdimenziós fémszerkezetet hagyva maguk után. Ezután egy elektrokémiai polírozásnak nevezett eljárással egységessé marják a szerkezet felszínét, megnagyobbítva a lyukakat és teljesen nyitottá téve a vázat, amit végül egy vékony aktív anyag hártyával vonnak be.

Az eredmény egy kölcsönösen folytonos elektródaszerkezet apró összekapcsolódásokkal, amiben a lítium ionok gyors mozgásra képesek, a vékony aktív anyag hártyának köszönhetően a diffúziós kinetika is felgyorsul, a fémváz pedig kitűnő elektromos vezető. A csapat NiMH és Li-ion akkukal is demonstrálta technikáját, a szerkezet azonban általános, vagyis bármilyen aktív anyagot ülepíthetnek a fémvázra. "Azt szeretjük benne, hogy univerzális, vagyis ha valaki kitalál egy jobb akkukémiát, a koncepció alkalmazkodik" - magyarázta Braun.