Antimon nanokristályok elemekhez

Az ETH Zürich és az Empa kutatóinak először sikerült egységes antimon nanokristályokat előállítaniuk. A laboratóriumi elemek alkatrészeiként tesztelve ezek nagy számban képesek tárolni mind a lítium, mind a nátrium ionokat. Ezek a nanoanyagok nagy sebességgel működnek, és végül alternatív anódanyagokként felhasználhatók a jövőbeni nagy energiasűrűségű akkumulátorokban.

Folyamatban van a vadászat - olyan új anyagokat kell használni a következő generációs akkumulátorokban, amelyek egy napon helyettesíthetik a jelenlegi lítium-ion akkumulátorokat. Ma ez utóbbiak mindennaposak, és megbízható áramforrást biztosítanak az okostelefonok, laptopok és sok más hordozható elektromos eszköz számára.

Egyrészt azonban az elektromos mobilitás és a helyhez kötött áramtárolás nagyobb számú, nagyobb teljesítményű akkumulátort igényel; és a magas lítium iránti kereslet végül az alapanyag hiányához vezethet. Éppen ezért az elkövetkezendő években egyre nagyobb figyelmet kap a nátriumionokon alapuló, koncepció szerint azonos technológia. A több mint 20 éve kutatott lítium elemekkel ellentétben sokkal kevésbé ismertek olyan anyagokról, amelyek hatékonyan képesek tárolni a nátriumionokat.

Antimon elektródák?

A Maksym Kovalenko vezetésével az ETH Zürich és az Empa kutatócsoportja egy lépéssel közelebb kerülhetett az alternatív akkumulátoranyagok azonosításához: elsőként szintetizálnak egységes antimon nanokristályokat, amelyek különleges tulajdonságai miatt az anódanyagok elsődleges jelöltjei lítium-ion és nátrium-ion akkumulátorok egyaránt. A tudósok tanulmányának eredményeit a Nano Letters most publikálta.

Hosszú ideig az antimonot ígéretes anódanyagnak tekintik a nagy teljesítményű lítium-ion akkumulátorok számára, mivel ez a metalloid nagy töltési kapacitást mutat, kétszerese nagyobb, mint az általánosan használt grafité. Az első vizsgálatok azt mutatták, hogy az antimon alkalmas lehet újratölthető lítium- és nátrium-ion akkumulátorokra, mivel mindkét típusú iont képes tárolni. A nátriumot a lítium lehetséges olcsó alternatívájának tekintik, mivel természetesen sokkal bőségesebb és tartalékai egyenletesebben oszlanak el a Földön.

Ahhoz azonban, hogy az antimon elérje nagy tárolási képességét, speciális formában kell előállítani. A kutatóknak sikerült kémiai úton szintetizálniuk az úgynevezett "monodiszperz" antimon nanokristályokat, amelyek tíz és húsz nanométer közöttiek voltak.

Az antimon teljes lítiuma vagy sodrása nagy térfogati változásokhoz vezet. Nanokristályok alkalmazásával ezek a térfogat-módosítások visszafordíthatók és gyorsak lehetnek, és nem vezetnek az anyag azonnali töréséhez. A nanokristályok (vagy nanorészecskék) további fontos előnye, hogy összekeverhetők egy vezető szén-töltőanyaggal a nanorészecskék aggregációjának megakadályozása érdekében.

Ideális jelölt anódanyagra

Az elektrokémiai vizsgálatok azt mutatták Kovalenko és csapata számára, hogy az ezekből az antimon nanokristályokból készült elektródok ugyanolyan jól teljesítenek nátrium- és lítium-ion akkumulátorokban. Ez az antimonot különösen ígéretes a nátrium-elemek esetében, mivel a legjobb lítiumtároló anódanyagok (grafit és szilícium) nem nátriummal működnek.

A nagymértékben monodiszperz nanokristályok, legfeljebb tíz százalékos méreteltéréssel, lehetővé teszik az optimális méret-teljesítmény viszony azonosítását. A tíz nanométeres vagy annál kisebb nanokristályok oxidációban szenvednek a túlzott felület miatt. Másrészről, a 100 nanométernél nagyobb átmérőjű antimonkristályok nem elég stabilak a fent említett hatalmas térfogat-bővülés és összehúzódás miatt az akkumulátor működése során. A kutatók a legjobb eredményeket 20 nanométeres nagy részecskékkel érték el.

A teljesítmény nem annyira méretfüggő

Ennek a tanulmánynak egy másik fontos eredménye, amelyet ezek a rendkívül egyenletes részecskék tesznek lehetővé, az, hogy a kutatók körülbelül 20-100 nanométeres nagyságrendet határoztak meg, amelyen belül ez az anyag kiváló, méretfüggetlen teljesítményt mutat, mind az energiasűrűség, mind az arány tekintetében -képesség.

Ezek a tulajdonságok lehetővé teszik még a polidiszperz antimonrészecskék használatát, hogy ugyanolyan teljesítményt érjenek el, mint a nagyon monodiszperz részecskéknél, mindaddig, amíg méretük ebben a 20–100 nanométeres tartományban marad.

"Ez nagymértékben leegyszerűsíti a gazdaságilag életképes szintézis módszer megtalálásának feladatát" - mondja Kovalenko. "Az ilyen költséghatékony szintézis fejlesztése a következő lépés számunkra, ipari partnerünkkel együtt." Csoportjának más anyagok monodiszperz nanorészecskéin végzett kísérletei sokkal meredekebb méret-teljesítmény összefüggéseket mutatnak, mint például a gyors teljesítményromlás a részecskeméret növelésével, az antimon egyedülálló helyzetbe hozása a lítiummal és nátriummal ötvözött anyagok között.

Drágább alternatíva

Ez azt jelenti, hogy a mai lítium-ion akkumulátorok alternatívája a mi kezünkben van? Kovalenko megrázza a fejét. Bár a módszer viszonylag egyszerű, elegendő számú kiváló minőségű egységes antimon nanokristály előállítása még mindig túl drága.

"Összességében elmondható, hogy a nátriumionokat és antimon nanokristályokat anódként tartalmazó akkumulátorok csak akkor jelentenek nagyon ígéretes alternatívát a mai lítium-ion akkumulátorokkal szemben, ha az elemek előállításának költségei összehasonlíthatók lesznek" - mondja Kovalenko.

Körülbelül még egy évtizedbe telik, mire az antimonelektródákkal rendelkező nátrium-ion akkumulátor piacra kerülhet - becsüli az ETH-Zürich professzora. A téma kutatása még mindig csak gyerekcipőben jár. "Azonban más kutatócsoportok hamarosan csatlakoznak az erőfeszítésekhez" - van meggyőződve a vegyészről.