A nanohuzalok szuper hosszú élettartamú akkumulátorhoz vezethetnek

Probléma van az okostelefonnal. Csak addig bírja a működést, amíg a benne található újratölthető akkumulátor. Körülbelül három év után az akkumulátor belseje annyira leromlott, hogy már nem bírja tölteni. És mivel túl drága a cseréje, az emberek végül új telefont vásárolnak, amikor a régi akkumulátor lemerül. De egy új kutatás segíthet meghosszabbítani az ilyen akkumulátorok élettartamát.

Az okostelefonok és egyéb eszközök – a táblagépektől és számítógépektől az Apple Watch-ig és az elektromos autókig – lítium-ion akkumulátorokra támaszkodnak. Mint minden akkumulátor, a lítium-ion akkumulátorok is két elektródát tartalmaznak. Anódja mínusz jellel megjelölve elektronokat bocsát ki. Katódja plusz jellel jelölt, elektronokat gyűjt. Több száz töltés után azonban ezek az akkumulátorok már nem bírják a töltést. Ennek részben az az oka, hogy a katódban lévő lítium egy része kiszivárgott.

A tudósok éveken keresztül kísérleteztek azzal, hogy a katód lítiumját különböző típusú fémekből készült nanohuzalokkal helyettesítik. A nanoszálak olyan szálak, amelyek sokkal vékonyabbak, mint az emberi haj.

A katód elkészítéséhez sok nanohuzalra van szükség. Ezek használata azonban lehetővé teheti a mérnökök számára, hogy kisebb és nagyobb teljesítményű elemeket készítsenek. Sajnos a nanohuzalok önmagukban nem változtatják meg a katód élettartamát.

Ezért: Az energia tárolása érdekében a nanohuzalokat mangán-oxid bevonattal látják el. Ismételt feltöltés esetén a bevonat törékennyé válik és leesik. Tehát a nanohuzalokat, mint a lítiumot, amelyet le kell cserélni, csak bizonyos mennyiségben lehet újratölteni. Ezek után még mindig lemerült akkumulátor lesz. Egy fiatal vegyész azonban úgy gondolja, hogy megtalálta a módját annak, hogy a nanohuzalos szerkezetek kevésbé törékenyek legyenek.

Mya Le Thai a Kaliforniai Irvine Egyetem (UC-Irvine) végzős hallgatója. Saját kísérleteket végez a katódokkal. És ahelyett, hogy korrodáló fémeket használna – vagyis káros reakciót szenvedne el -, aranyból építi a vezetékeket. Ezeket az aranyhuzalokat mangán-oxiddal vonja be, majd új lépést tesz hozzá. A bevonatolt nanoszálakat speciális gélbe mártja.

Ez a gél elektrolitként működik. Ez a gél nemfémes ionokkal (töltött molekulákkal) van ellátva, amelyek elektromos töltést hordozhatnak. Más kutatók elektrolit gélt használtak az éghető elektrolit folyadékok helyett. De lehet, hogy ez az első alkalom, hogy valaki nanoszálak bevonataként használja – mondja George Crabtree. Ő vezeti a Chicagói Egyesült Államok energiatárolási kutatóközpontját. Ez a központ az energia tárolásának új módjait kutatja.

A Le Thai két katódot készített, mindegyikben 375 kettős mártású nanoszálakkal. A teszteléshez feltöltötte, lemerítette, majd újra feltöltötte őket. Ezt három hónap alatt akár 200.000-szer is megtette. Akárhányszor tette ezt, a nanohuzalok többnyire érintetlenek maradtak. Ez javulás az 5000 vagy 6000 alkalomhoz képest, amikor a nanohuzalokat általában fel lehet tölteni, mielőtt szétesnek.

„Elektronmikroszkóp alatt néztük őket, és a mangán-oxid egyáltalán nem esett le. Ez levert minket ” – mondja Reginald Penner. Az UC-Irvine kémia tanszékét vezeti. Ő is társszerzője volt az új tanulmánynak. “Úgy tűnik, hogy a gél lágyítja az oxid anyagot” – mondja. És úgy tűnik, ez megakadályozza a vezetékek megszakadását.

Más tanulmányok a nanohuzalok használatának ötletét vizsgálták. Ezek a korábbi vezetékek „soha nem működtek olyan jól, mint remélték” – jegyzi meg Crabtree. A chicagói központban nagy figyelmet fordít a nanohuzalos fejlesztésekre, amelyek jobb akkumulátorokhoz vezethetnek. És az UC-Irvine csapat új munkája másnak tűnik, mondja. – Úgy tűnik, ez egy előrelépés lehet. Ennek ellenére az igazi teszt az lesz, hogy kiderül-e, hogy a nanohuzalos katódok megnőnek-e, mondja. Ez alatt azt érti, hogy valódi akkumulátorral – vagy sok valódi akkumulátorral – fognak-e működni.

„Az, ahogyan a dolgokat egy gyárban készítik, nagyon különbözik a laboratóriumban készített módoktól” – jegyzi meg. „A gyárnak olcsónak, gyorsnak és megbízhatónak kell lennie. Ez lesz a következő akkumulátor része? Meglátjuk.”