MIT-kutatók AI-val kerestek jobb oldószert nátrium-fém akkukhoz

A lítium-ion mellé keresnek kiegészítő megoldást

A mai elektromos járművekben és akkumulátoros energiatároló rendszerekben a lítium-ion technológia a vezető megoldás, de az MIT közleménye szerint ezek az akkuk több kritikus ásványi anyagot tartalmaznak, köztük lítiumot, kobaltot, nikkelt és grafitot. Ezeket gazdasági és nemzetbiztonsági okokból fontosnak tartják, ezért az ellátási láncok zavarai sérülékennyé tehetik a rendszert.

Az MIT-n dolgozó kutatócsoport, Ju Li, a Nuclear Science and Engineering és a Materials Science and Engineering professzorának vezetésével ezért kiegészítő energiatárolási megoldásokat vizsgál. A fókuszban a nátrium-fém akkumulátorok állnak, mivel a nátrium a forrás szerint körülbelül 1 000-szer gyakoribb a lítiumnál, tömegre vetítve pedig nagyjából századrészébe kerül.

A technológia egyik fő akadálya, hogy a nátrium-fém erősen reaktív. Emiatt nehéz egyszerre hosszú távú stabilitást és gyors ciklusokat elérni, pedig a gyors töltés és kisütés a nagy teljesítményű energiatárolásnál kulcskérdés.

Az elektrolit stabilitása a szűk keresztmetszet

Az akkumulátor három fő része az anód, a katód és az elektrolit. Az elektrolit feladata az elektromosan töltött ionok szállítása a két elektróda között. Ju Li a közleményben úgy fogalmazott: „Az elektrolitnak elvileg csak továbbítania kellene ezeket az ionokat”, vagyis ionvezetőként kellene működnie.

A gond az, hogy sok elektrolit nem kívánt kémiai reakciókba lép az elektródákkal. Weiyin Chen, az MIT Nuclear Science and Engineering posztdoktori kutatója és a Joule-cikk egyik vezető szerzője szerint az ilyen mellékreakciók során oldhatatlan vegyületek rakódhatnak le az elektródákon. Ez gátat képezhet az ionok útjában, és végül az akkumulátor meghibásodásához vezethet.

Chen szerint a közelmúltig nem volt olyan nátrium-fém akkumulátorokban használt elektrolit, amely teljesen stabil lett volna mind az anóddal, mind a katóddal szemben. Ez azért fontos, mert az újratölthető akkumulátorok hosszú ciklusélettartamához ilyen stabilitásra van szükség.

A mostani munka egy 2021-es eredményre épít. Akkor Li csoportja és együttműködő partnereik azonosítottak egy DMTMSA nevű szulfonamid molekulát, amely ként, oxigént és nitrogént tartalmaz, és oldószerként használva Li megfogalmazása szerint „varázslatosan stabil mindkét elektródánál a lítiumakkumulátorokban”.

100 000 molekulából választottak kísérleti jelölteket

A kutatók olyan, a DMTMSA-hoz hasonló molekulákat kerestek, amelyek kisebbek, de megőrizhetik a stabilitást. A méret azért számít, mert a forrás szerint a kisebb oldószermolekulákkal körülvett nátriumionok gyorsabban haladhatnak, mint amikor nagyobb, nehézkesebb oldószerek veszik körül őket. A gyorsabb ionszállítás gyorsabb töltést és kisütést tehet lehetővé.

Ez azonban kompromisszummal járhat: a jól vezető elektrolitok gyakran könnyebben reagálnak az elektródákkal, ami rövidíti az akkumulátor élettartamát. Li szerint az oldószerek méretének csökkentése új utat adhat ennek a kompromisszumnak a kezelésére.

Chia-Wei Hsu, az MIT Materials Science and Engineering PhD-hallgatója AI-val támogatott algoritmust készített, amely 24 órán belül 100 000 jelölt molekulát tervezett a számítógépén. A halmazt ezután 200 jelöltre szűkítette, több technikai szempont alapján, például a DMTMSA-hoz hasonló alak és az összevethető elektronikus tulajdonságok szerint.

A kutatók végül 27 reprezentatív jelöltet választottak ki kísérleti tesztekre. Chen a forrás szerint így írta le az eljárást: „Mindegyiket azonos körülmények között teszteltük, hogy tisztességes, közvetlen verseny legyen”. A legjobb eredményt a DMFSA nevű oldószer adta, amely a legkisebb és egyben a legjobb jelöltnek bizonyult.

Tágabb tervezési elv is lehet belőle

Jinhyuk Lee, a McGill University anyagmérnöki docense, aki nem vett részt a kutatásban, a közlemény szerint azt mondta, a munka az akkumulátorkutatás egyik tartós kihívását célozza: a nagy töltési és kisütési sebesség melletti teljesítményjavítást úgy, hogy közben ne vesszen el a hosszú távú stabilitás. Lee szerint az oldószermolekulák méretének tudatos alakítása új tervezési stratégiát mutat, amely alacsonyabb költségű, nagyobb teljesítményű akkumulátorok felé vihet.

A csoport már újabb keresésen dolgozik. Most hasonló módszert használnak, de kiindulópontként a nagyobb DMTMSA helyett a DMFSA szolgál. Chen szerint az új oldószerek idővel olyan újratölthető nátrium-fém akkumulátorokhoz vezethetnek, amelyek bőségesen elérhető, alacsony költségű anyagokat kombinálnak gyors töltéssel és nagy teljesítménnyel.

A felhasználók és a piac szempontjából a hír jelentősége a forrás alapján az, hogy a nátrium-fém akkumulátorok nem X, hanem Y jellegű helyettesítésként jelennek meg: a kutatók kiegészítő energiatárolási megoldást keresnek a növekvő megújulóenergia-, villamosított infrastruktúra- és nagy teljesítményű digitális technológiai igényekhez. A tanulmány szerzői azt is hangsúlyozzák, hogy a cél túlmutat a nátriumakkumulátorokon: az oldószerméretet és a molekuláris hasonlóságot használó elektrolittervezés szélesebb körű elvként is alkalmazható lehet.

Lee megfogalmazása szerint: „Mivel a koncepció széles körben alkalmazható, hatása jóval túlterjedhet a nátriumakkumulátorokon, és befolyásolhatja a jövő energiatárolási technológiáinak széles körét”.