Berta Sándor
A kalcium helyettesítheti a lítiumot az akkumulátorokban
Az új energiatárolók számos kihívás elé állítják a kutatókat.
Szakemberek régóta a lítiumion-akkumulátorok megfelelő alternatíváit keresik. A jövő energiatárolóival szemben számos elvárás van: legyenek nagy kapacitásúak, mégis percek alatt feltölthetők, hosszú élettartammal és sok feltöltési ciklussal rendelkezzenek, valamint megbízhatók, tartósak és olcsók legyenek. A lítiumion-akkumulátorok kis méretűek és könnyűek, azonban a technológiában rejlő lehetőségek kimerültek. Az alternatívák között felmerülhet a nátrium, a magnézium, az alumínium és a kalcium.
Napjainkra egyre nagyobbak az igények nem csupán az eltárolt energia, hanem a felhasznált anyagok fenntarthatósága és biztonsága tekintetében is. Ezért szeptemberben elindult a CaSino projekt, amelynek célja, hogy meghatározzák az úgynevezett kalcium-kén (Ca-S) akkumulátorban rejlő lehetőségeket, mint a lítiumion-energiatárolók alternatíváját. A program konzorciumát öt kutatóintézet, két ipari vállalat és egy ipari tanácsadó testület alkotja. A projektet a német szövetségi oktatási és kutatási minisztérium 3 millió euróval finanszírozza.
Az iparban jelenleg használt lítiumion-akkumulátorokhoz képest a kalcium-kén energiatárolók számos előnnyel járnak, de egyúttal kihívások elé is állítják a kutatókat. A lítium, amelyet eddig a hagyományos akkumulátorokban használtak, sok szempontból tökéletes elem egy elektrokémiai cellához: nagy áramtárolási kapacitást és cellafeszültséget kombinál gyors ionvándorlással. Ez lehetővé teszi a kompakt energiatárolók létrehozását, valamint a gyors töltést és kisütést. A lítium alapú rendszerek azonban fokozott tűzveszélyt jelentenek, mivel az ismételt töltés során dendritek képződhetnek, amelyek legrosszabb esetben belső rövidzárlathoz vezethetnek. Ráadásul a lítiumlelőhelyek a Földön korlátozottak, és nem minden kontinensen állnak rendelkezésre, a bányászat ellentmondásos, és csak nagy költségekkel lehet újrahasznosítani. A kalcium 400-szor nagyobb mennyiségben fordul elő, ezért olcsó, valamint világszerte elérhető és egyenletesen eloszlik.
A lítiumhoz hasonlóan nagy tárolókapacitással és cellafeszültséggel rendelkezik és a rövidzárlatok szempontjából is biztonságosabb, mivel a kalcium működés közben nem képez jellegzetes dendriteket. A kalcium használata során a legnagyobb kihívást annak reakcióképessége és a felületi rétegek kialakulása jelenti, akár levegővel vagy nedvességgel - vagy akár az akkumulátorban használt elektrolittal - érintkezik. Az oxidált felületek tovább gátolják az ionok diffúzióját, s így megakadályozzák a hatékony töltést és kisütést. A kompatibilis elektrolit kifejlesztése így kulcsfontosságú szerepet kap. Ezenkívül a kénes katód használata oldható poliszulfidokat hoz létre, amelyek szintén eltömíthetik a kalcium anódot - ezt szintén meg kell akadályozni. A CaSino projekt azt a célt tűzte ki maga elé, hogy innovatív anyagfejlesztés révén jelentős előrelépést érjen el a kalcium-kén energiatárolók ciklusstabilitása és energiasűrűsége terén. Ezeket a lépéseket kísérleti vizsgálatok, fejlett analitikai módszerek és kiterjedt modellezési munka kíséri.
A Karlsruhei Technológiai Intézet (KIT) egy nem korróziós bór alapú elektrolittal megteremtette az alapot a kalcium-kén akkumulátorok további vizsgálatához. Ez a legújabb fejlesztés lehetővé teszi a kalcium-kér energiatárolók stabilabb töltését és kisütését több száz cikluson keresztül.
A Nemesfémek és Fémkémiai Kutatóintézet a vékony és strukturált kalcium anódok iránti igényt vizsgálja, míg a Német Repülési és Űrhajózási Központ Műszaki Termodinamikai Intézete a passziválás elleni védelem érdekében személyre szabott bevonatokat fejleszt ki erre a célra. Az új anyagok elektrokémiai jellemzését a Tübingeni Egyetem Természettudományi és Orvosi Tudományok Intézetében innovatív szerkezeti és morfológiai elemzési módszerekkel (analitikus elektron- és ionmikroszkópia) bővítik. A kísérleti tevékenységeket az Ulmi Egyetemen végzett atomisztikus szimulációk, valamint a Német Repülési és Űrhajózási Központ Műszaki Termodinamikai Intézetében végzett kontinuum-szimulációk és a kalcium-kén cella modellezése is támogatja. Végezetül az EurA AG által végzett átfogó gazdasági és ökológiai szempontú vizsgálat rávilágít a kalcium-kén rendszerben rejlő lehetőségekre a fenntarthatóság, a költségek és az újrahasznosíthatóság tekintetében a legkorszerűbb akkumulátor-anyagokhoz képest.
"A kalcium, akárcsak a lítium, nagy tárolókapacitással és cellafeszültséggel rendelkezik. A földkéregben az ötödik leggyakoribb elem és világszerte egységesen rendelkezésre áll. Ezért a kalcium sokkal olcsóbb, mint a lítium, és stabilabb anyagellátási láncot biztosít" - jelentette ki Maximilian Fichtner, az Ulmi Helmholtz Intézet Ulm (HIU) igazgatója. "A legnagyobb kihívást még mindig a kalcium reakcióképessége jelenti, ami miatt kedvezőtlen felületi rétegeket képez. A bór alapú elektrolitnak köszönhetően azonban már a legújabb technológiával is a legjobb elektrokémiai tulajdonságokat érjük el" - tette hozzá Zhirong Zhao-Karger projektvezető, a HIU munkatársa.
Szakemberek régóta a lítiumion-akkumulátorok megfelelő alternatíváit keresik. A jövő energiatárolóival szemben számos elvárás van: legyenek nagy kapacitásúak, mégis percek alatt feltölthetők, hosszú élettartammal és sok feltöltési ciklussal rendelkezzenek, valamint megbízhatók, tartósak és olcsók legyenek. A lítiumion-akkumulátorok kis méretűek és könnyűek, azonban a technológiában rejlő lehetőségek kimerültek. Az alternatívák között felmerülhet a nátrium, a magnézium, az alumínium és a kalcium.
Napjainkra egyre nagyobbak az igények nem csupán az eltárolt energia, hanem a felhasznált anyagok fenntarthatósága és biztonsága tekintetében is. Ezért szeptemberben elindult a CaSino projekt, amelynek célja, hogy meghatározzák az úgynevezett kalcium-kén (Ca-S) akkumulátorban rejlő lehetőségeket, mint a lítiumion-energiatárolók alternatíváját. A program konzorciumát öt kutatóintézet, két ipari vállalat és egy ipari tanácsadó testület alkotja. A projektet a német szövetségi oktatási és kutatási minisztérium 3 millió euróval finanszírozza.
Az iparban jelenleg használt lítiumion-akkumulátorokhoz képest a kalcium-kén energiatárolók számos előnnyel járnak, de egyúttal kihívások elé is állítják a kutatókat. A lítium, amelyet eddig a hagyományos akkumulátorokban használtak, sok szempontból tökéletes elem egy elektrokémiai cellához: nagy áramtárolási kapacitást és cellafeszültséget kombinál gyors ionvándorlással. Ez lehetővé teszi a kompakt energiatárolók létrehozását, valamint a gyors töltést és kisütést. A lítium alapú rendszerek azonban fokozott tűzveszélyt jelentenek, mivel az ismételt töltés során dendritek képződhetnek, amelyek legrosszabb esetben belső rövidzárlathoz vezethetnek. Ráadásul a lítiumlelőhelyek a Földön korlátozottak, és nem minden kontinensen állnak rendelkezésre, a bányászat ellentmondásos, és csak nagy költségekkel lehet újrahasznosítani. A kalcium 400-szor nagyobb mennyiségben fordul elő, ezért olcsó, valamint világszerte elérhető és egyenletesen eloszlik.
A lítiumhoz hasonlóan nagy tárolókapacitással és cellafeszültséggel rendelkezik és a rövidzárlatok szempontjából is biztonságosabb, mivel a kalcium működés közben nem képez jellegzetes dendriteket. A kalcium használata során a legnagyobb kihívást annak reakcióképessége és a felületi rétegek kialakulása jelenti, akár levegővel vagy nedvességgel - vagy akár az akkumulátorban használt elektrolittal - érintkezik. Az oxidált felületek tovább gátolják az ionok diffúzióját, s így megakadályozzák a hatékony töltést és kisütést. A kompatibilis elektrolit kifejlesztése így kulcsfontosságú szerepet kap. Ezenkívül a kénes katód használata oldható poliszulfidokat hoz létre, amelyek szintén eltömíthetik a kalcium anódot - ezt szintén meg kell akadályozni. A CaSino projekt azt a célt tűzte ki maga elé, hogy innovatív anyagfejlesztés révén jelentős előrelépést érjen el a kalcium-kén energiatárolók ciklusstabilitása és energiasűrűsége terén. Ezeket a lépéseket kísérleti vizsgálatok, fejlett analitikai módszerek és kiterjedt modellezési munka kíséri.
A Karlsruhei Technológiai Intézet (KIT) egy nem korróziós bór alapú elektrolittal megteremtette az alapot a kalcium-kén akkumulátorok további vizsgálatához. Ez a legújabb fejlesztés lehetővé teszi a kalcium-kér energiatárolók stabilabb töltését és kisütését több száz cikluson keresztül.
A Nemesfémek és Fémkémiai Kutatóintézet a vékony és strukturált kalcium anódok iránti igényt vizsgálja, míg a Német Repülési és Űrhajózási Központ Műszaki Termodinamikai Intézete a passziválás elleni védelem érdekében személyre szabott bevonatokat fejleszt ki erre a célra. Az új anyagok elektrokémiai jellemzését a Tübingeni Egyetem Természettudományi és Orvosi Tudományok Intézetében innovatív szerkezeti és morfológiai elemzési módszerekkel (analitikus elektron- és ionmikroszkópia) bővítik. A kísérleti tevékenységeket az Ulmi Egyetemen végzett atomisztikus szimulációk, valamint a Német Repülési és Űrhajózási Központ Műszaki Termodinamikai Intézetében végzett kontinuum-szimulációk és a kalcium-kén cella modellezése is támogatja. Végezetül az EurA AG által végzett átfogó gazdasági és ökológiai szempontú vizsgálat rávilágít a kalcium-kén rendszerben rejlő lehetőségekre a fenntarthatóság, a költségek és az újrahasznosíthatóság tekintetében a legkorszerűbb akkumulátor-anyagokhoz képest.
"A kalcium, akárcsak a lítium, nagy tárolókapacitással és cellafeszültséggel rendelkezik. A földkéregben az ötödik leggyakoribb elem és világszerte egységesen rendelkezésre áll. Ezért a kalcium sokkal olcsóbb, mint a lítium, és stabilabb anyagellátási láncot biztosít" - jelentette ki Maximilian Fichtner, az Ulmi Helmholtz Intézet Ulm (HIU) igazgatója. "A legnagyobb kihívást még mindig a kalcium reakcióképessége jelenti, ami miatt kedvezőtlen felületi rétegeket képez. A bór alapú elektrolitnak köszönhetően azonban már a legújabb technológiával is a legjobb elektrokémiai tulajdonságokat érjük el" - tette hozzá Zhirong Zhao-Karger projektvezető, a HIU munkatársa.