Stanley Whittingham kémikus az 1970-es években az Exxonnál dolgozott, mellékprojektként pedig ekkoriban kezdett el foglalkozni a lítium alapú akkumulátorok kifejlesztésével. Az általa megépített prototípus anódja lítiumból és fémből készült, míg a katódja titánium-diszulfidból. Az eszköz két szempontból is rendkívül hasznosnak ígérkezett: egyfelől nagyobb volt az energiasűrűsége és élettartama, mint a használatban lévő nikkel-kadmium akkumulátorokénak, másrészt a lítiumionos eszköz könnyebben újratölthető volt (nem igényelt teljes lemerítést). Az akkumulátor azonban nehezen és költségesen előállítható jellege, valamint nem éppen biztonságos használata miatt eleinte nem örvendett akkora népszerűségnek, mint manapság, a tömeggyártásra pedig csak jóval később került sor.

Ebben az időben sokan kezdtek kísérletezni az újfajta energiatároló eszköz vizsgálatával a laboratóriumokban, a kanadai
Moli Energy vállalatot viszont kifejezetten azzal a céllal alapították, hogy a technológiát kivigyék a laborok falai közül és kereskedelmi forgalomba hozzák. 1985-ben hozták létre a Molicelt, a 2.2 voltos akkumulátorukat, amit négy évvel később dobtak piacra. Mivel a hetvenes években sok olyan fogyasztói technológiai újdonság látott napvilágot, amelyek a nyolcvanas években kezdtek igazán elterjedni a világban, ilyenek voltak például a mobiltelefonok és laptopok is, ezért egyre nagyobb igény jelentkezett a minél jobb minőségű és hosszabb élettartamú akkumulátorokra. A lítiumion-akkumulátor terjedése azonban nem ment zökkenőmentesen, rögtön az elején, már 1989-ben megérkeztek az első beszámolók azokról a felhasználókról, akik égési sérüléseket szenvedtek a kigyulladó tepefonjaik miatt.

Mint kiderült, a mobilok Molicellel működtek, a vizsgálatok pedig fényt derítettek rá, hogy az akkumulátorok azért kapnak lángra, mert alapvetően instabil volt a működésük és nem igazán voltak alkalmasak arra, hogy gyorsan, néhány óra alatt töltsék fel őket, márpedig erre a telefonok és laptopok esetén szükség van. A lítiumion-akkumulátorokat többek között John Goodenough és Akira Yoshino fejlesztette tovább, Goodenough az oxidált kobaltot tartalmazó katódot (lítium-kobalt-oxid, LixCoO2) találta fel, amely a lítiumionokat hatékonyan tudja tárolni és így az energiasűrűséget növelni, Yoshino pedig ezt változtatta meg úgy, hogy az anód anyagául petróleumkokszot használt (a kőolajfeldolgozás egyik melléktermékét). A Sony 1991-ben kezdte forgalmazni ezt a fajta akkumulátort. A három kutató 2019-ben kapta meg a Nobel-díjat, a lítiumion-akkumulátorok kifejlesztéséért, amely, a Nobel Bizottság elmondása szerint hozzájárul egy fosszilis tüzelőanyagtól mentes társadalom kialakításához.

Az energiatárolást megformáló eszköz azonban még nem érte el maximális teljesítményét, mivel továbbra is küszködik bizonyos problémákkal, amelyek rontják a hatékonyságot.

Egyike ezeknek az az kapacitásveszteség, amely még az első töltési ciklus alatt jelentkezik és a későbbi élettartamot is lerövidíti.

Ennek háttérben azok a tisztaságot befolyásoló tényezők állnak, melyek kialakulása a nikkelt tartalmazó katóddal hozható összefüggésbe: a katód felületén megjelenő hibák azért keletkeznek, mert a nikkel könnyen reakcióba lép a környezetében található elemekkel és ez a tulajdonsága az akkumulátor belsejében is instabilitáshoz vezet. A Whittingham vezetésével készült új vizsgálat során olyan nióbium tartalmú bevonattal kísérleteztek, amely megakadályozta ezeket a reakciókat és stabilizálta a felszínt, így az kapacitásveszteség is lecsökkent. A tesztek szerint a bevonattal kezelt nikkel-mangán-kobalt (NMC 811) katódban magasabb hőmérsékleten a nióbium atomok egy része átvette a mangán atomok helyét és ezzel a későbbi kapacitásveszteséget is redukálta. Az akkumulátorok 250 töltési ciklus alatt 93%-kal jobban őrizték meg az eredeti tárolási képességüket.

Ugyan a nióbium használatával már más kutatók is foglalkoznak és a Nano One cég májusban be is jelentette a CBMM-el (Companhia Brasileira de Metalurgia e Mineração) való együttműködését, amely során ilyen bevonattal rendelkező katódokat fognak gyártani, de az új tanulmány közelebbi betekintést nyújt abba, hogy pontosan miért is olyan hatékony a nióbium alkalmazása és segít még nagyobb hatásfokú akkumulátorokat fejleszteni. Ez hozzájárulhat a Whittinghamet is tagjai között tudható, 2016-ban alapított Battery500 Konzorcium célkitűzéseinek megvalósításához, amely olyan akkumulátorokat tervez létrehozni, amelyek kilogrammonként 500 Wh kapacitásúak.

Frissítés: a cikk előző verziójában tévesen adtuk meg a lítiumion-akkumulátorok nikkel-kadmium akkumulátorokhoz viszonyított kedvező tulajdonságait és a Battery500 által tervbe vett akkumulátor kapacitását

(Electricautonomy, Nature, Oak Ridge National Laboratory Fotó: Wikimedia Commons, GettyImages/Petmal)

További cikkek a témában:

A tévétávirányítók, konzol-kontrollerek, elemes gyerekjátékok miért nem lítiumíakkuval működnek? Ha a telefonok, laptopok, autók mind lítium-akkumulátorral mennek, miért bajlódunk még mindig eldobós ceruzaelemekkel?
Mesterséges intelligencia mutatja meg, hogy egy akkumulátor mennyire elhasznált Az algoritmust úgy fejlesztették ki, hogy az csupán a feszültségből és az áramból származó nyers adatokból kikalkulálja az akkumulátor élettartamát.
Innen tudhatod, hogy az okostelefon akkumulátora cserére szorul Legjobb esetben akár éveket is nyerhet az ember, ha kicsit alaposabban a készülék ’lelkébe’ néz, mielőtt azonnal lecseréli.