Kobaltmentes akkumulátorral állt elő a Toshiba

A kobaltot és a nikkelt széles körben használják a lítiumion akkumulátorok katódjainak stabilizálására, a kobalt azonban egy ritka fém, ezért gondok akadhatnak a beszerzéssel és az árak stabilitásával. A nikkel használata is aggályos, mivel az elmúlt évek növekvő kereslete felfelé tornázta az árakat. A Toshiba új akkumulátora kobaltot egyáltalán nem, nikkelből pedig kevesebbet tartalmaz, ezért költséghatékonysági és alapanyagtakarékossági szempontból is előnyös.

Az 5V besorolású, magas potenciálú katód a lítiumion akkumulátorokban növeli a cellafeszültséget és javítja a teljesítménymutatókat, de a fejlesztését hátráltatja, hogy egy járulékos reakció során a telep elektrolitja felbomlik és a keletkező gáz rontja a teljesítményt. A Toshiba új katódja jelentősen csökkenti ennek a gáznak a képződését hagyományos, magas vezetőképességű elektrolit használata mellett. A tesztek során az akkumulátor több mint három volt feszültséget ért el, és 80 százalékra öt perc alatt lehetett feltölteni. A telep nagy teljesítmény leadására képes, és kiváló élettartammal kecsegtet még 60 Celsius-fokos hőmérsékleten is. Az új akkumulátort a kézi elektromos szerszámoktól a kis akkumulátorból nagy feszültségigényű ipari alkalmazásokon át az elektromos autókig széles körű használatra szánja a Toshiba. A vállalat az új katódtechnológiát a 64. Japán Akkumulátor Szimpóziumon mutatta be, amelyet 2023. november 28. és 30. között rendeztek Osakában.

Környezetvédelmi és gazdasági fenntartások a ritka alapanyagok körül

A karbonsemleges jövőre törekedve egyre nő a kereslet lítiumion akkumulátorok iránt különböző alkalmazásokban. A mai akkumulátorok nagyrészt a kobaltra támaszkodnak a katód stabilizálására, de ritka fém lévén folyamatos probléma áll fenn a beszerzési helyekkel, az ellátási lánc stabilitásával, a költségek fluktuációjával, a föld- valamint vízszennyezéssel és a biodiverzitás bányászathoz és feldolgozáshoz köthető megszűnésével kapcsolatban.

A nikkel széleskörűen használt anyag a lítiumion akkumulátorok energiasűrűségének javítására, de a finomítási eljárása egyenetlenül oszlik el a világban, pár ország végzi csak. Az akkumulátorok ellátási láncának kockázatcsökkentése szempontjából fontos, hogy az akkumulátorgyártás ne a ritka fémekre támaszkodjon, hanem próbáljon a bőséggel rendelkezésre álló anyagokból gazdálkodni.

Az egyik legnagyobb felvevőpiacnak számító autóiparban nagy hangsúlyt fektetnek az akkucsomagok feszültségének növelésére, hogy ezáltal rövidebb töltési időt, nagyobb teljesítményt, és a hajtáslánc elemeinek hatékonyabb működését érjék el. A magasabb feszültség lehetővé teszi kevesebb cella használatát is, csökkentve a költségeket.

Komoly technológiai kihívás

A spinell-típusú fémoxid, a nikkel-mangán-oxid (LNMO) egy kobaltmentes, magas potenciálú, alacsony nikkeltartalmú katódalapanyag, amely egy igen versenyképes alternatívát nyújt a jövő lítiumion akkumulátorainak készítéséhez. A bökkenő az LNMO-val az, hogy a magas munkapotenciálja miatt oxidálja az akkumulátor elektrolitját, gázzá bomlasztva azt, ami a telep jelentős duzzadásához és élettartamvesztéshez vezet. Számos kísérlet született már a probléma orvoslására, például az elektrolitkoncentráció növelése és a fluorozott oldószerek és ionos folyadékok használata által, azonban minden esetben fel kellett áldozni a lítiumionok vezetőképességének jelentős hányadát. A gyakorlati megvalósítás során mindig költség- és teljesítménybeli problémák merültek fel.

Két megoldás kéz a kézben

A Toshiba kutatása rávilágított, hogy az elektrolit a katód felületén bomlik le és termel gázt, a katód fém része pedig feloldódik és lerakódást képez az anód felületén. A vállalat kifejlesztett egy technológiát, amely megváltoztatja a katód felületét, lecsökkentve annak reakcióját az elektrolittal. Létrehoztak egy olyan technológiát is, amely deaktiválja az átvitt ionokat az anód felületén, a kettő együtt pedig mérsékli a gázképződést hagyományos elektrolit használata mellett is.

Az új technológiát egy 1,5 amperórás tasak (pouch) kivitelű akkumulátorcellákkal készült telepet vizsgáltak NTO (nióbium-titán-oxid) anóddal. A teszt során kiderült, hogy az akkumulátor élettartama 6000 merítés/töltés ciklus után is 80 százalék felett maradt, és erre 60 Celsius-fokon is képes volt.

A potenciális alkalmazások közül a Toshiba először elektromos kéziszerszámokban és olyan ipari gépekben akarja használni a technológiát, amelyeknél fontos, hogy kis akkumulátorból nagy feszültséget lehessen kisajtolni. A későbbiekben nagyobb modulok készítését is tervezik elektromos autók számára. A fejlesztés folyamatosan zajlik, a piacra dobás 2028-ra várható – írta meg a Green Car Congress.