Mérföldkövek az akkumulátor- és energia kutatásban

Klímaváltozás, CO2-emelkedés az egyik oldalon, és a növekvő világ népesség a szűkös erőforrások mellett a másikon, fokozza a vita a széntüzelésű erőművek kivonásáról és a fosszilis tüzelőanyagok helyettesítéséről. Az általánosan követelt energiaátállás nagy elvárásokat támaszt, és még nagyobb kihívásokat rejt magában. A klímavédelmi csomagok és a különféle programok a CO2-kibocsátás csökkentésére egyaránt kértek és fejlesztés alatt állnak a tudomány, az ipar és a politika részéről. A jövő technológiái, mint a megújuló energiaforrások és az új típusú energiatárolási koncepciók, valamint ezekhez szükséges új anyagok a sikeres energiaátállás alapfeltételei és elengedhetetlenek. Nagy elvárások nehezednek a akkumulátorkutatásra, és az elektromobilitás akár a reménysugarak közé is tartozik. Az idő és a legjobb koncepciók versenye megkezdődött.

Jövő technológiái

Jelenleg és a közeljövőben a lítium-ion akkumulátorok továbbra is a legmagasabb teljesítményt nyújtó eszközök a mobil és állandó energiaellátásban. Csak általuk vált lehetővé az elektromobilitás és vált gyakorlatilag is alkalmazhatóvá. Az erőforrások szűkösségére tekintettel azonban sürgősen alternatívákra van szükség. Mivel a magas teljesítményű akkumulátorrendszerek fejlesztése rendkívül összetett, interdiszciplináris kutatási stratégiákat és hálózatokat igényel a tudomány és az ipar között.

A következő generáció akkumulátorai

A fenntartható és környezetkímélő energiatárolók fejlesztése a nagy kihívások közé tartozik az energiaátállás során. A korábban nagyon sikeres, kompakt lítium-ion akkumulátorok kiváló energia- és teljesítmény sűrűségük miatt magas piaci potenciállal bírnak, azonban gyártásuk energiaigénye és a növekvő kereslet értékes és egyre szűkebb nyersanyagokra, például lítiumra és kobaltokra, rendkívül költségessé és kérdésessé vált. Ezért egyre inkább felmerül az igény energiatakarékosabb, nagyobb teljesítményű, olcsóbb és környezetbarát alternatívák iránt. A nátrium-ion akkumulátorok jövőbeli megoldásokat kínálhatnak.

A kutatás iránti igény magas. „Ez a kutatási irány most éppen egy viharos fellendülést él meg. Németországban a Német Kutatási Közösség (DFG) áprilisban egy kiemelt programot indított (12,6 millió euró, 6 év futamidő), és az EU egy képzési hálózatot (ITN, 4 millió euró, 4 év) – mindkét program koordinálását én vállalom” – közölte Prof. Dr. S. Ulrich Schubert a „Központ az Energia- és Környezetkémia” (Center for Energy and Environmental Chemistry Jena – CEEC Jena) a Friedrich-Schiller-Universität Jena részéről. „Az érdeklődés és a beruházások az Evonik Industries AG részéről egyértelműen mutatják a gazdasági potenciált. És továbbra is rendkívül nagy az érdeklődés Kínából és Japánból.”

Az Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) támogatja a „Transition” nevű konzorciumi projektet, amely fenntarthatóbb energiatárolást céloz meg 1,15 millió euróval. A projektben részt vesz a Karlsruhei Műszaki Egyetem (KIT) által alapított Helmholtz-Institut Ulm (HIU), a Baden-Württemberg Napenergia- és Hidrogénkutató Központ (ZSW), valamint ismét a Friedrich-Schiller-Universität Jena (FSU). Céljuk, hogy alternatívát fejlesszenek ki a hagyományos lítium-ion akkumulátorok helyett. Ebben a projektben a tudósok megfelelő aktív anyagokat és elektrolitokat kutatnak a következő generációs nátrium-ion akkumulátorokhoz.

„A polimer-alapú akkumulátorokat, azaz azokat, amelyek polimereket használnak az elektromos energia tárolására, 2011 óta intenzíven vizsgálom a munkacsoportomban” – jegyezte meg Schubert professzor. „Elsőként sikerült bemutatnunk egy tintasugaras nyomtatással készült vékonyfilm-akkumulátort. Emellett számos új aktív anyagot szabadalmaztattunk és publikáltunk. Az Evonik Industries AG éppen most készíti ezeket az új polimereket nyomtatható tinták formájában (a „TAeTTOOz” márkanév alatt).”

Az innovatív akkumulátorok fenntarthatóak és környezetbarátok, költséghatékonyak, és magas teljesítményt nyújtanak. Az új típusú fémmentes és nyomtatható polimer-alapú energiatárolók fejlesztése jövőbe mutató alkalmazási területeket nyit az egészségügyben, a szenzorikában és az IoT (dolgok internete) területén. „Ez különösen a nyomtatható vékonyfilm-akkumulátorokat érinti. Az aktív RFIT-címkék, az „öntapadós” egészségügyi funkciók közvetítésére szolgáló „tapaszok”, valamint az intelligens ruházat” – egészítette ki Prof. Dr. Ulrich Schubert.

Energiahatékonyság és Nagy Teljesítmény

Akkumulátoroknak még a legnehezebb körülmények között is bizonyítaniuk kell működőképességüket és teljesítményüket. Ugyanakkor ki kell zárni a veszélyforrásokat és kockázatokat a hibás kezelés és a károk esetén az egész életciklus során. Különösen az elektromobilitás vitájában a hosszú távú működőképesség kérdése áll a középpontban.

Az új típusú műanyag-alapú akkumulátorok számos előnnyel bírnak a hagyományos lítium-ion akkumulátorokhoz képest. Már a gyártásuk is lényegesen energiahatékonyabb az alkalmazott szerves és polimer anyagok miatt. A polimerek aktív anyagként jóval kisebb CO2-lábnyommal gyárthatók. Emellett általában kevésbé toxikusak és gyúlékonyak. Ezek az akkumulátorok nyomtatási technikákkal (szitanyomás, tintasugaras nyomtatás, tekercs-tekercs nyomtatás) is feldolgozhatók.

Ugyanez igaz az alkalmazásukra is. A hulladékkezelés és az újrahasznosítás is környezetbarátabb és lényegesen olcsóbb lesz. A polimer aktív elektródamaterialokat tartalmazó akkumulátorok fenntarthatóbbak, mivel elkerülhető a nehézfémek alkalmazása. A „Transition” konzorciumi projektben például a nátrium-ion akkumulátor prototípusa a szénszálas anódon biomassza alapú anyagokból, vízben oldódó kötőanyagokkal és alumíniummal, mint árnyékolóval, valamint a katódoldalon átmeneti fém-oxidokból áll. A jobb szerkezeti tulajdonságok lehetővé teszik az irányított elektrokémiai reakciókat is.

Elektromobilitás

Rövid és középtávon a lítium-ion akkumulátorok a teljesítmény és az energiasűrűség tekintetében az elektromobilitás motorjai. Biztosítják a működési időt és a hatótávolságot a külső körülmények, például a felhasználási területek, hőmérsékletek és vezetési szokások függvényében. Előreláthatólag a nátrium-ion akkumulátorok nem fogják kiváltani a lítium-ionokat, hanem a szakértők szerint csak kiegészítik azokat. Az elektromobilitás területén a víztechnológia is jelentős potenciállal bír, különböző biztonsági szempontok figyelembevételével.

Analitika és jellemzés

Minden kutatási és fejlesztési eredmény olyan jó, mint az ahhoz kapcsolódó analitika. Ezért a modern elemzési módszerek elengedhetetlenek az elektrolitok meghatározásához és a nyomnyomok, nyersanyagok, anyagkomponensek azonosításához az akkumulátorkutatásban. A legújabb műszaki eszközök az ilyen mérésekhez és anyagvizsgálatokhoz a teljes skálán bemutatásra kerülnek Münchenben az analitica kiállításon. A szakértők a chromatográfia, spektrometria, mikroszkópia, felületi és ionanalitika legújabb technológiáit és módszereit mutatják be a világ vezető analitikai vásárán. A Polimeranalitika/Polimerek élő laborjában élő kísérletek is zajlanak. Az érdeklődők lehetőséget kapnak arra, hogy egy valódi laboratóriumban élőben tapasztalják meg az innovációkat a műanyag- és anyaganalitika területén.

2023. március 30. – április 3. között a szakmai közösség az analitica kiállításon Münchenben tájékozódhat a legfontosabb újdonságokról az iparágban. A szakértői tudás és az innovatív elemzési technológiák hatalmas értéket jelentenek az új akkumulátorrendszerek kutatásában. Münchenben a kulcsfontosságú technológiák lehetővé teszik a jövőbe tekintést.