Tízszeres kapacitású lélegző akkumulátorok

Egy szabványos lítium-ion elem egy negatív grafit elektródából, egy pozitív lítium kobalt-oxid eletródából és lítium sót tartalmazó elektrolit oldatból áll. A lítium ionok a feltöltődés és lemerülés alatt a két elektróda között vándorolnak, elektronokat küldve a csatlakoztatott áramkörhöz, ami energiával látja el a hozzá tartozó eszközt.

A St Andrews Egyetemen dolgozó Peter Bruce szerint a problémát a lítium kobalt-oxid okozza: túl nagy és túl nehéz. “Az energiasűrűség növelésének legnagyobb akadálya a pozitív elektróda.” – mondja. “Manapság mindenki azon munkálkodik, hogy megnövelje annak lítium tartalmát, ezáltal növelve a kapacitást.”

Egy lélegzetvételnyi friss levegő

Bruce szerint a megoldás a már jelenleg is – például hallókészülékekben – használt cink-levegő akkumulátorokban rejlik, melyek energiájukat az oxigénnel reakcióba lépő cinktől szerzik. Ennek mintájára Strathclyde-i és Newcastle-i egyetemen dolgozó kollégáival karöltve elkezdték megépíteni az első lítium-levegő akkumulátort.

Az új elem nagyobb energiasűrűséggel rendelkezik, mivel nem tartalmaz magas sűrűségű lítium kobalt-oxidot. Helyette a pozitív eletróda szerepét a könnyű és porózus karbon tölti be, a lítium-ionok pedig az elektrolitban helyezkednek el, mely beszivárog a lyukacsos karbonba.

Amikor az aksi lemerül, az oxigén átszivárog egy membránon (lásd a képet), egyenesen a prózus karbonba, ahol reakcióba lép az elektrolitban lévő lítium-ionokkal és a külső áramkörben lévő elektronokkal, amiből lítium-oxid jön létre.

Ez a lítium-oxid fokoztosan feltölti a karbon lyukacsos szerkezetét, ahogy az akkumulátor lemerül. Feltöltéskor ez a lítium-oxid felbomlik, újra lítium-ionok jönnek létre valamint a karbon szerkezete is kiürül. Az oxigén pedig egyszerűen visszajut a levegőbe.

A legtöbb akkumulátorba beépítve található az összes olyan kémiai vegyület, amit működésük során felhasználnak. “A levegőből felvett oxigént használva viszont tömeget és térfogatot spórolhatunk, mivel nem kell még a reagens anyagot is cipelni, csak a könnyű karbon-szerkezetet” – magyarázza a technológia előnyeit Bruce.

Bruce szerint ez olyan mint egy akkumulátor-üzemanyagcella hibrid. Az üzemanyagcellához hasonlóan külső reagenseket használ, ugyanakkor saját belső reagenssel is rendelkezik.

A jelenleg létező prototípus kapacitás/súly aránya 4000 milliamper-óra per gramm, egy átlagos mobiltelefon akkumulátor nyolcszorosa. Elméletben akár tízszeres növekedés is elképzelhető lenne, de Bruce becslése szerint a mostani lítium-ion technológiák mellett a valós növekedés csak kétszeres lesz.

A Bath-i egyetemen kémikusként dolgozó Saiful Islam akkumulátorkutatással foglalkozik, az újfajta elem létrehozásában nem vett részt. “Véleményem szerint a lítium-levegő akkumulátorban megvan a lehetőség, hogy a hordozott energiasűrűséget akár 8-10-szeresére növelje” – nyilatkoza a New Scientist-nek.

“Azonban tökéletesen meg kell értenünk a lezajló folyamatokat” – tette hozzá. “Csak így lehetséges, hogy a technológia optimalizálásával kereskedelmi forgalomba állítható termék jöjjön létre.”

Bruce és kollégai most azon dolgoznak, hogy a prototípus helyett egy olyan kisméretű, valódi akkumulátor-szerű eszközt hozzanak létre, melyeket a ma mobil eszközei használnak. “A technológia azonban a jövő elektromos és hibrid járművei számára is hasznos lehet” – mutatott rá a fejlesztés jelntőségére Bruce.