Akkumulátor mérőcella, speciális post mortem anyagszerkezeti vizsgálatokhoz.

Honnan indult a kutatásuk?

– Az ötlet még akkor fogalmazódott meg bennem, amikor Németországban szilárdtest-akkumulátorok fejlesztésével foglalkoztam. A kinti kutatócsoportommal már vizsgáltuk a polimerelektrolit-alapú akkumulátorokban rejlő lehetőségeket. Ezt a munkát folytattam, amikor öt évvel ezelőtt családommal visszatértünk Magyarországra, és a HUN-REN Természettudományi Kutatóközpontban kezdtem dolgozni. Ezeket a rendszereket „kvázi-szilárdtest” akkumulátoroknak is nevezhetjük, hiszen valahol a szervetlen anyagokat tartalmazó szilárdtest- és a folyadékelektrolit-alapú akkumulátorok között helyezkednek el. Ezekben az elektrolit nem folyadék és nem is teljesen szilárd halmazállapotú, hanem inkább a műanyagokhoz hasonló szerkezetű és megjelenésű. Ezek a polimerek adott hőmérséklet alatt szilárdak, de melegítve képlékennyé válnak és megolvadnak. A tulajdonságaikat szinte határtalanul módosíthatjuk, például nanokompozitok vagy polimersók hozzáadásával, így térhálós, gumiszerű szerkezetek is előállíthatók.

Kimetszett pozitív elektród alkatrészek a prototípus gombelembe történő beszerelése előtt.

Miért előnyösek ezek a kompozit akkumulátorok?

– Ha a kerámiát keverjük a polimerekkel, és így kompozi­­tot hozunk létre, azzal egyszerre javíthatjuk az anyag fi­zikai, kémiai, mechanikai és elektrokémiai tulajdonságait is. A polimerek gyártástechnológiája kidolgozott, könnyű velük dolgozni, viszont köztudottan gyengék az elektrokémiai tulajdonságaik, például az ionvezető képességük a polimer mátrix olvadáspontja alatt. Jóllehet magas hőmérsékleten – nagyjából 60-70 Celsius-fokon – már a folyadékelektrolitokra jellemző ionvezetést produkál a polimer, ekkor viszont a mechanikai stabilitása romlik le – akár mézszerűen folyóssá is válhat. A kerámiának jók az elektrokémiai tulajdonságai, viszonylag tág hőmérsékleti tartományban stabil mechanikailag, viszont sokkal nehezebb megfelelő minőségben, például vékonyrétegként, nagy tömegben előállítani.

Argon-gázzal töltött inert kesztyűs kamra Li-ion akkumulátorokkal és akkumulátor komponensekkel történő munkavégzéshez.

Vagyis érdemes a polimert és a kerámiát egyesíteni?

– Így van. Innen jött a koncepció, hogy a kerámia jó ion­vezetését és jó elektrokémiai teljesítményét párosítsuk a polimerek jó gyártástechnológiájával. Ezáltal a két rendszer előnyös tulajdonságait kombináljuk, miközben lehetőség szerint kiküszöböljük a hátrányos tulajdonságokat. Ha ezt az új komponenst felhasználva proto­típuscellát tudunk létrehozni, az már alapja lehet a további optimalizálásnak. Még Németországban ismerkedtem meg Ramaswami Murugan professzorral, akinek a nevéhez egy nagyon fontos felfedezés fűződik. Munkatársaival felismerték, hogy a magas lítiumtartalmú gránátkristályok egyik módosulata, a köbösgránát-szerkezet kivételesen jó ionvezető képességgel rendelkezik. Innen jött az ötlet, hogy egyesítsük a szakértelmeinket: az indiai kollégák hozták a gránátszerkezettel kapcsolatos tapasztalataikat, mi pedig a polimerelektrolitokat érintő többéves tapasztalatainkat és tudásunkat, megerősítve a HUN-REN TTK-ban Iván Béla professzor és kutatócsoportja polimerkémiai szakértelmével.

Kísérleti tasakos cella a kifejlesztett akkumulátor komponensek funkcióvizsgálataihoz.

Milyen céllal kezdtek neki a közös munkának?

– Olyan polimer mátrixot akartunk fejleszteni, amelyet a kerámiarészecskékkel kombinálva javítunk az elektrolit ionvezető, illetve mechanikai és elektrokémiai stabilitási tulajdonságain. De itt nem álltunk le, hanem miután ezt a nanokompozit elektrolitot ionvezetés, elektrokémiai stabilitás, hőstabilitás, kémiai és fizikai mikroszerkezet szempontjából teszteltük, a projekt végső szakaszában prototípuscellát is építettünk belőle. Eközben számos konferencián mutattuk be az eredményeinket, több tudományos közleményt is publikáltunk, illetve még most is vannak megjelenés előtt álló publikációink.

Milyen eredményeket értek el a projekt végéig?

– Négy különböző megközelítés alapján fejlesztettünk polimer mátrixokat, és három nagy polimercsaládot szintetizáltunk. Ezeket mind megvizsgáltuk, hogy alkalmasak-e arra, hogy elektrolitként alkalmazzuk őket. E vizsgálatok során NMR (magmágneses rezonancia) spektroszkópiát, különféle spektroszkópiai vizsgálatokat és más eljárásokat alkalmaztunk. A polimert vegyítettük lítiumsókkal, és kompozitot készítettünk belőlük, amelyen aztán újabb átfogó vizsgálatsorozatot végeztünk. E mérések eredményeinek figyelembevételével optimalizáltuk a lítiumsó koncentrációját, hogy ideális, hőmérsékletfüggő ionvezetést érjünk el. Eközben az indiai partnerek a kerámiaelektrolitot fejlesztették. Kölcsönösen küldtünk egymásnak a fejlesztett anyagainkból, amelyeket aztán a partnerlaborok tovább vizsgáltak. Arra voltunk kíváncsiak, hogy a két típusú anyag vegyítése hogyan változtatja meg az előállított mátrix elektrokémiai tulajdonságait. Ennek eredményeképpen pedig megmutattuk, hogy a kerámia hozzákeverésével megnő a polimer mátrix elektrokémiai és mechanikai stabilitása. Ez azt jelenti, hogy az adalékolatlan polimer mátrixhoz képest csökken a képlékenysége. Még sok kutatás-fejlesztésre van szükség, hogy ebből a rendszerből a gyakorlatban is használható, és nagy méretskálán gyártható akkumulátorcella jöjjön létre, de elindultunk a biztató irányba.•

Címlapkép: HUN-REN TTK