A Sb80Cd20 katód, amely egy új ternáris ötvözési lemerülési folyamatot mutat, kivételes lítiumtároló képességével kiemelkedő, 500 mAh g−1 fölötti kapacitást ér el, így meghaladja az eddig ismert összes lítium-fém akkumulátor (LMB) katód teljesítményét. Ez a gyors elektron- és lítium-diffúziós hálózat jelentősen felgyorsítja az elektród reakciókinetikáját, lehetővé téve a kivételes energiasűrűséget (398,4 Wh kg−1 200 mA cm−2-nél) és jobb terhelhetőséget (542,5 W kg−1 2400 mA cm−2-nél). Az átmenetifémek és ezek ötvözeteinek beépítése a Li, Na, K, Mg és Ca alapú LMB-kbe alacsonyabb költséget, magas lemerülési kapacitást, stabil ciklusélettartamot és nagy energiasűrűséget eredményezett. Ugyanakkor számos kihívással is szembesültek, amelyek akadályozzák a magas teljesítményű LMB-k elterjedését.

A folyékonyfém akkumulátorok egyik fő problémája a magas hőmérsékleten történő működés, amely elengedhetetlen a folyékony-folyékony elektród és elektrolit határfelületek kialakításához. A magas hőmérséklet alacsony interfész ellenállást és gyors reakciókinetikát biztosít, ezáltal növelve az akkumulátor hatékonyságát. Ugyanakkor ez a magas üzemi hőmérséklet komoly technológiai akadályokat jelent: a szigetelő tömítések gyors romlását, szigorú hőszabályozási igényt, valamint az elektrolit és az elektródok magas reakciókészségét, ami fémes oldódáshoz, önkisüléshez és végső soron az akkumulátor visszafordíthatatlan teljesítményromlásához vezethet. A folyékony komponensek korlátozzák az akkumulátor mobilitását és növelik a szivárgás kockázatát, amely hőtermelést és rövidzárlatot okozhat. Ezek a tényezők jelentősen megnövelik a gyártási és üzemeltetési költségeket, így a magas hőmérsékletű LMB-k nem versenyképesek más, jelenleg elterjedt technológiákkal szemben sem az energiahálózati, sem a hordozható piacokon.

Az alacsonyabb működési hőmérséklet csökkenti a reakciókinetikák sebességét és a teljesítményt, de lehetőséget teremt a mechanikailag ellenállóbb, alacsonyabb hőveszteségű polimer tömítések használatára, amelyek javítják a korrózióállóságot és egyszerűsítik a csomagolást. A toxikus anyagok alkalmazása is korlátozott; például a higany alapú akkumulátorok mérgező hatásai miatt az ilyen hulladékok kezelése különleges óvatosságot igényel. Ezzel szemben a gallium és ötvözetei nem mérgezők, viszonylag stabilak, önjavító tulajdonságokkal rendelkeznek, így ígéretes alternatívát jelentenek.

A korrózió komoly problémát jelent, amely a folyékonyfém és az elektrolit közötti kémiai vagy elektrokémiai reakciókból ered. A korrózió mértékét az üzemi hőmérséklet, az elektrolit összetétele és az oxigénszint erősen befolyásolja. Az energiasűrűség és a teljesítmény sűrűség kritikus szempontok, különösen hordozható eszközök és energiatároló rendszerek (ESS) számára. Az energiasűrűség értékei gyakran 200 Wh kg−1 alatt maradnak, különösen magas hőmérsékleten működő LMB-k esetén, és az alacsonyabb hőmérsékletekre történő átállás további csökkenést okozhat. Az utóbbi időben egyre nagyobb hangsúlyt kapnak a nagy energiasűrűségű, alacsonyabb hőmérsékleten működő LMB-k, melyek magas áramdensitást képesek kezelni.

Az ötvözés hatékony módszer a magas olvadáspontú fémek problémájának leküzdésére. A eutektikus ötvözetek jelentősen csökkentik az elektródok olvadáspontját, lehetővé téve alacsonyabb működési hőmérsékletet. A többelemes, olvadékfém ötvözetek még szélesebb körű anyagválasztékot és költséghatékonyabb megoldásokat tesznek lehetővé, tovább csökkentve az LMB-k költségeit. Emellett fontos az elektromos vezetőképesség és a felületi nedvesíthetőség maximalizálása, ami elősegíti az elektromos áram hatékony átvitelét az elektródok és az elektrolit között.

Az Sb-Sn ötvözetek alkalmazása például kiváló sebességteljesítményt mutat, mindössze 13%-os kapacitáscsökkenéssel 100 mA cm−2-ről 1 A cm−2-re növelve az áramdensitást, valamint 200 Wh kg−1 feletti energiasűrűséget biztosítva alacsonyabb hőmérsékleten. Ez az irány jó alapot ad a jövőbeli fejlesztésekhez.

Fontos, hogy az olvadékfém akkumulátorok fejlesztése során ne csak a kapacitásra és teljesítményre fókuszáljunk, hanem figyelembe vegyük a működési környezet biztonságát, az anyagok környezeti hatásait és a hosszú távú stabilitást is. A magas hőmérsékletű rendszerek korlátozott mobilitása és magas költsége mellett a mérnöki kihívások közé tartozik az anyagok korrózióval és kémiai reakciókkal szembeni ellenálló képességének javítása, valamint a mérgező komponensek minimalizálása. A folyamatos innováció az ötvözési technikákban, valamint az alacsonyabb hőmérsékleten működő, nagy energiasűrűségű megoldások fejlesztése kulcsfontosságú a LMB technológia széles körű elterjedéséhez.

Milyen előnyökkel és kihívásokkal járnak a lítium-antimon alapú folyékony fém akkumulátorok?

A lítium, mint a legkönnyebb fém és legalacsonyabb oxidációs potenciállal rendelkező elem (−3,04 V a standard hidrogénelektródhoz képest), számos elektro-kémiai tárolórendszer negatív elektródájaként szolgál magas fajlagos és térfogati energiasűrűsége, magas feszültségkapacitása és kedvező iontranszport tulajdonságai miatt. A lítium-antimon (Li-Sb) rendszer a magas nyitott áramkörű feszültsége (OCV 0,92 V) miatt vonzó jelölt volt folyékony fém akkumulátorok (LMB) számára. Azonban az antimon magas olvadáspontja miatt tiszta Sb elektróddal működő akkumulátor csak 630 °C felett használható, ami jelentősen növeli az eszköz költségét és korróziós problémákat okoz.

A probléma megoldására hatékony módszer az olvadáspont csökkentése úgy, hogy az Sb alapú elektródák folyékony állapotban maradjanak, de alacsonyabb hőmérsékleten működjenek. Wang és munkatársai 2014-ben kifejlesztettek egy Li║Sb-Pb akkumulátort, amelyben az Sb-Pb eutektikus ötvözet a pozitív elektródként szolgált. Az ólom (Pb) alacsony olvadáspontja és kedvező ára miatt került kiválasztásra, emellett elektronegativitása alacsonyabb az antimonénál, így nem keletkezik intermetál vegyület az ötvözetben, az ólom kizárólag az olvadáspont csökkentésében játszik szerepet. Ez a felfedezés lehetővé tette, hogy az akkumulátor 450 °C-on működjön, és az elektrolit összetételének optimalizálásával ez az érték 400 °C alá is csökkenthető.

A három elektródás cellával végzett kísérletek során a LiF-LiCl-LiI ternáris olvadékelektrolitban 450 °C-on az Sb-Pb ötvözetek elektromotoros erejét (EMF) mérték. Még az alacsony Sb-tartalmú ötvözetek is magas, 0,87 V-os OCV-t mutattak lítiummal szemben, ami csak alig marad el a tiszta Li-Sb ötvözet 0,92 V-jától. Ez arra utal, hogy az elektród anyagok közül az antimon az egyetlen elektrokémiailag aktív komponens, míg a Pb csak támogatja az ötvözetet. Az 1,9 Ah kapacitású Li | LiF-LiCl-LiI | Sb-Pb cellák 275 mA/cm²-es áramdensitáson az elméleti kapacitás 93%-át tudták leadni 0,73 V névleges feszültség mellett. A ciklikus tesztek kimutatták, hogy az akkumulátor 450 ciklus után is megőrzi az eredeti kapacitás 94%-át, 98%-os coulombikus hatásfokkal és 73%-os energiahatékonysággal. Az 100. ciklust követően a kapacitáscsökkenés jelentősen lelassult, és a 450. ciklusig csupán 0,004% kapacitásvesztés történt ciklusonként. Az akkumulátor különféle áramdensitások között (100–1000 mA/cm²) is kiváló teljesítményt mutatott, még 1000 mA/cm²-en is az elméleti kapacitás több mint 50%-át megőrizte.

A Li║Sb-Pb rendszer skálázhatóságát Wang csoportja egy 62 Ah kapacitású cellával igazolta, amely 500 °C-on, kb. 0,69 V-os névleges feszültséggel működött, és 20 ciklus után szinte nem mutatott kapacitásvesztést, 98%-os coulombikus és 71%-os energiahatékonysággal. Ez a kutatás igazolta, hogy az Sb Pb-vel való ötvözése az akkumulátor feszültségének csökkenése nélkül teszi lehetővé a működési hőmérséklet és az elektróda olvadáspontjának csökkentését. Ugyanakkor a Pb környezeti szempontból problémás lehet nagyipari alkalmazásokban, ezért alternatív megoldásokat kell keresni.

2016-ban Li és munkatársai egy környezetbarát Sb-Sn ötvözeten alapuló Li||Sb-Sn LMB-t fejlesztettek ki, amely kiváló termodinamikai jellemzőkkel rendelkezik (>0,9 V OCV). A Sn inert oldószerként működik, csökkenti az ötvözet olvadáspontját, növeli az antimon kihasználtságát, és javítja a lítium oldhatóságát a pozitív elektródában, ezáltal csökkentve az anyagköltséget. A Li||Sb-Sn rendszer egyedülálló sebességtűrést és kiemelkedő ciklusstabilitást mutatott, 300 mA/cm²-es áramdensitáson 430 ciklus után is 96,7%-os kapacitásmegtartással. Az ilyen akkumulátorok kapacitása a 100 mA/cm²-hez képest 87%-os maradt még 1000 mA/cm²-es áramon is.

Az Sb-Sn folyékony katód azonban komoly korróziós problémákat okozott a hagyományos elektród anyagokon, mint a Mo, Ti vagy rozsdamentes acél. Ezért a volfrám (W) bizonyult a legstabilabb elektród gyűjtő anyagnak, amely védőrétegként csökkenti a költségeket és javítja a stabilitást. Cui és csapata plazmabevonattal készített egy sűrű, alacsony oxidációjú W réteget, amely hatékonyan gátolja a korróziót, ezáltal javítva a ciklusállóságot. Mikro-CT vizsgálatokkal kimutatták, hogy a volfrám bevonat megvédi az SS304 mátrixot a korróziótól. Ezen túlmenően a W réteg karbidokkal való módosítása és vastagítása tovább fokozza a korrózió elleni védelmet magasabb hőmérsékleten.

Fontos megérteni, hogy bár az Sb-Pb és Sb-Sn ötvözetek jelentős előrelépést jelentenek az LMB-k működési hőmérsékletének csökkentésében és a költséghatékonyság javításában, az elektrokémiai rendszerek komplexitása és a hosszú távú stabilitás megőrzése továbbra is kihívás. Az elektródák korrózióállóságának növelése, az elektrolit optimalizálása és a környezeti hatások minimalizálása nélkülözhetetlenek a gyakorlatban alkalmazható, nagy teljesítményű és fenntartható lítium-alapú folyékony fém akkumulátorok kifejlesztéséhez. A fém-ötvözetek pontos szerepének és mechanizmusainak mélyebb megértése elősegíti a további fejlesztéseket, valamint hozzájárulhat a lítium-alapú energiatároló rendszerek szélesebb körű elterjedéséhez.

Hogyan járulnak hozzá a folyékony fém alapú eszközök az energiatároláshoz és érzékeléshez a rugalmas technológiákban?

A folyékony fémek (például Ga és ötvözetei) egyre jelentősebb szerepet töltenek be a rugalmas elektronikai eszközök fejlesztésében, különösen az energia-átalakítás és -tárolás, valamint az érzékelés területén. A triboelektromos nanogenerátorok (TENG-ek) alkalmazásával ezek az eszközök képesek mechanikai energiát elektromos energiává alakítani, melyet aztán mikro-szuperkapacitásokban (MSC-kben) tárolnak, ezáltal önfenntartó rendszereket létrehozva.

Egy 10 mm vastag, hexagonális oszlopokkal megerősített habtalpú betét például nemcsak a triboelektromos energia generálására alkalmas, hanem mozgás közbeni erő- és súlymérésekre is, egy 73 kg-os tesztalany esetében akár 2,6 mW pillanatnyi csúcsteljesítményt is produkálva futás közben. Az ilyen alkalmazások jól demonstrálják a habszerkezet és a rugalmas anyagok kombinációjának lehetőségeit az energianyerés és érzékelés együttes megvalósításában.

A Cu-EGaIn alapú elektódokból készült, nyújtható és hajlítható TENG-ek egy önellátó rendszer magját képezik, amely nemcsak a mechanikai energia átalakítására és tárolására képes, hanem egyben működtet egy infravörös cső áramkört is. A nyomás hatására a két súrlódó réteg ellentétes töltéseket generál, majd a rétegek szétválásakor létrejövő elektrosztatikus tér miatt áram indul meg az elektródokon, ezáltal energia halmozódik fel az elektrodokban. Az így előállított energia tartósan, több ezer ciklus után is magas töltésmegtartással rendelkezik, így megbízható alapot nyújt funkcionális rugalmas áramkörök számára.

A továbbfejlesztett intrinszikusan rugalmas folyékony fém szálak (ISLMF-ek) egyesítik a triboelektromos energia-gyűjtést és az elektromágneses energia befogását is, például laptopokból vagy mobiltelefonokból származó sugárzásból. Ezek a szálak egy speciális SEBS alapú rugalmas anyagba töltött EGaIn folyékony fémből állnak, amely egyszerre szolgál triboelektromos és vezető szereppel. A biomechanikai energia hasznosítása mellett az elektromágneses energia gyűjtése rövidebb töltési időt eredményez, miközben nem befolyásolja a sugárzó eszköz normál működését. Így az ISLMF-k képesek digitális órák, számológépek és más kis elektronikus eszközök működtetésére.

A rugalmas folyékony fém alapú érzékelők kulcsfontosságúak lehetnek a környezeti és biológiai ingerek detektálásában, ahol a hagyományos merev érzékelők alkalmazása korlátozott. Ezek az érzékelők képesek reagálni fényre, hőre, mozgásra, nyomásra vagy elektromos impulzusokra, így ideálisak puha robotikában, egészségügyi megfigyelésben és olyan területeken, ahol a mechanikai rugalmasság és a magas válaszkészség elengedhetetlen. A gallium és ötvözetei alacsony Young-modulusuk miatt különösen alkalmasak gyors és pontos jelek előállítására érzékelő alkalmazásokban.

Fontos megérteni, hogy a folyékony fém alapú rendszerek nem csupán egyedülálló anyagtulajdonságaik miatt értékesek, hanem az integrációjuk és funkcionalitásuk komplexitása, valamint az energia- és érzékelési képességek kombinációja miatt is. Az energiahatékonyság és tartósság kérdései mellett lényeges a rendszer stabilitása a hosszú távú használat során, különösen a ciklikus mechanikai igénybevétel alatt. Ezen túlmenően a folyékony fémek biokompatibilitása és környezetbarát előállítása szintén kulcsfontosságú tényezők a jövőbeni alkalmazások szempontjából.

A jövőben a különböző energiaforrások integrálása (triboelektromos, elektromágneses, esetleg termikus energia) új lehetőségeket nyithat meg az önfenntartó rugalmas eszközök fejlesztésében, amelyeket akár viselhető technológiákban vagy intelligens lábbelikben is alkalmazhatunk. A rendszer stabilitása, skálázhatósága és integrálhatósága a hétköznapi használatra szánt eszközökben, valamint a felhasználói élmény szempontjából is kulcsfontosságú.

Hogyan lehet az igazságot kideríteni egy bűnügyi játékban?
Milyen bőrbetegségek és szindrómák jellemzők a különböző bőrtünetekre és milyen kezelési módszerek alkalmazhatók?
Hogyan hatnak a Ruban megoldás különböző esetekben és milyen következményekkel járnak?