SZÉN-AEROGÉLEK LÍTIUM-LEVEGŐ AKKUMULÁTORBAN TÖRTÉNŐ ALKALMAZÁSA
A mai akkumulátorok egyik legfőbb problémája, hogy viszonylag kicsi a volumetrikus és fajlagos
kapacitásuk. A legnagyobb fajlagos kapacitást lítium-levegő akkumulátorral tudjuk elérni,
aminek anódja fém lítium, katódja pedig általában valamilyen porózus szén. A teljesítmény
fokozásához ideális katódként szolgálhatnak a világ legkisebb sűrűségű szilárd anyagai, az
aerogélek, mint a rezorcin-formaldehid alapú széngélek (RF). Bálint munkája során kétféle szén
aerogélt használt fel katódként. Az egyik egy rezorcin-formaldehid polimerből pirolízissel
előállított széngél, a másik ennek grafén-oxiddal módosított változata. Az általa pirolizált széngéleket
lítium-levegő akkumulátorba építette be azzal a céllal, hogy a cella teljesítménye, energiasűrűsége,
kapacitása javuljon az aktívszenes cellához képest.
Az akkumulátorok esetén elsősorban azt vizsgálta, hogyan változik a cella karakterisztikája a
katód anyagától függően, ezért a kész cellákat több cikluson keresztül töltötte és sütötte ki potenciosztát
segítségével. Az általa előállított katódokat összehasonlította egy kereskedelmi forgalomban
kapható katódanyaggal, a Vulcan C®-vel. Kutatása keretében előállított akkumulátorokhoz
háromféle katód anyagot vizsgált meg, az RF és RFGO szén aerogéleket, valamint
redukált grafén-oxidot.
A pályázó a kutatásában NMR (mágneses magrezonancia) relaxometria és krioporozimetria
segítségével vizsgálta az előállított anyag pórusszerkezetét és felületi tulajdonságait vizes
közegben, valamint azok hatását az akkumulátor hatékonyságára. Arra a megállapításra jutott,
hogy a grafén-oxid tartalmú minta pórusai rétegszerűen töltődnek vízzel, ami hidrofilabb
felületre, vagyis az oxigén-tartalmú funkcióscsoportok sűrűbb elhelyezkedésére utal, mint a nem
módosított szén aerogél esetén. A pórusok mérete lecsökkent a grafén-oxid hozzáadása után,
ezzel várhatóan megnőtt a fajlagos felülete a mintának.
A redukált grafén-oxid tartalmú szén aerogél beépítésével hatékonyabb, nagyobb kapacitású
akkumulátort sikerült létrehozni, mint az RF szén aerogéllel, aminek az oka valószínűleg a grafén
tartalmú aerogél magasabb oxigéntartalma és megváltozott a morfológiája. A magasabb oxigéntartalom
több aktív centrumot biztosít az oxigén redukciójához, tehát az akkumulátorból fajlagosan
nagyobb teljesítményt lehet kinyerni.
A vizsgált minták alapján kiderült, hogy az akkumulátor-jelleg nagyban függ az aerogél felületén
található oxigéntartalmú funkciós csoportok számától, a pórusok átjárhatóságától, a pórus
méretétől, ezáltal az anyag fajlagos felületétől. Az RFGO minta NMR jellemzése során nagyobb
mennyiségű hidrofil csoportot sikerült detektálni, megváltozott az anyag morfológiája (lecsökkent
a pórusok mérete, és megváltozott a geometriájuk). Ez azt eredményezte, hogy az akkumulátornak
nagyban megnőtt a kapacitása. A potenciosztáttal mért töltés-kisütés görbéken jól
látható az eltérés a két aerogél minta felhasználásával készült cella és a platinát és aktív szenet
tartalmazó akkumulátor között. A grafén-oxiddal módosított szén aerogélt tartalmazó cella 90
óra töltés-kisütés után is ugyanúgy ki tudta rajzolni az akkumulátorra jellemző görbét. Ezt azzal
lehet magyarázni, hogy a redukált grafén-oxid egy olyan felületet kölcsönöz az aerogélnek,
melyen könnyebben, valamint nagyobb számban megy végbe az oxigén redoxireakciója, melynek
eredményeképpen megnő az energiasűrűség és a teljesítmény is. Az akkumulátor sikeresen
meghajtotta a LEGO kisautót.
