Kun Róbert (szerk.)

Energiatárolási és akkumulátoripari alapismeretek

Fejezetek a villamosenergia-rendszerek, az elektrokémiai és további energiatárolási technológiák témaköréből


2.1.4. A magnéziumion-akkumulátor

A magnézium az egyik legnagyobb mennyiségben előforduló fém a Földön, de a természetben csak vegyületeiben fordul elő. A nagy tisztaságú magnéziumot fémsókból energiaigényes elektrolízissel lehet előállítani, hasonlóan az alumínium előállításához. A világpiacon azonban még mindig lényegesen olcsóbb, mint a lítium.
A magnézium moláris tömege 24,3 g/mol, sűrűsége 1,738 g/cm3, de ha a lítiummal hasonlítjuk össze, akkor a 12,15 g/mol tömegű magnézium 2233 mAh/g fajlagos kapacitással és 3832 mAh/cm3 térfogati (volumetrikus) kapacitással rendelkezne. Míg a lítium elméleti fajlagos kapacitása 3862 mAh/g, „csak” 2061 mAh/cm3 térfogati kapacitással rendelkezik. Ezek az értékek egyértelműen azt mutatják, hogy a magnéziumion-akkumulátoroknak szerepük van az energiatárolás világában, mivel elméleti kapacitás/térfogat teljesítményük sokkal nagyobb, mint a lítiumé. Így olyan alkalmazásokban jobb választás lehet, ahol nem a súlycsökkentés az elsődleges szempont [57]. A magnézium további előnye a lítiummal szemben, hogy elektrokémiai ciklusok során kevésbé hajlamos a dendritképződésre. Korábban láttuk, hogy a Li-ion-akkumulátor töltési ciklusai során a lítiumionok egy része szabálytalanul válik le (redukálódik) az anód felületén, és úgynevezett dendriteket képez, amelyek károsítják a cellát, és jelentősen lerövidítik a cella élettartamát. Bár újabb kutatások szerint a magnézium hajlamosabb más típusú dendritképződésre, ez a probléma a magnéziumakkumulátorok esetében minden bizonnyal kevésbé hangsúlyos.
Számos technikai problémát kell azonban még leküzdeni ahhoz, hogy megfelelően működő, a lítiumionhoz energetikailag hasonló magnéziumion-akkumulátorokat lehessen kialakítani. A legjelentősebb kihívások közé tartozik a megfelelő katódanyag-elektrolit párok kifejlesztése, valamint a magnéziumanód lassú reakciókinetikájának leküzdése. Ezenkívül a magnéziumion a kétszeres pozitív töltése (Mg2+) miatt sokkal erősebb kölcsönhatásokat hoz létre a komplexképző donoratomokkal, mint az egyértékű lítiumion (Li+). Ez okozza az egyik fő nehézséget a környezeti hőmérsékleten megfelelő Mg2+-ion-vezető képességgel rendelkező elektrolit megtalálása során. Szintén kihívást jelent a megfelelő elektrolit kifejlesztése a kompromisszumok nélkül működő magnéziumion-akkumulátorhoz. Az ismert folyadékelektrolitokkal kapcsolatban a következő problémák merülnek fel. Az eddig tesztelt folyadékelektrolitok többsége nem bizonyult megfelelőnek magnéziumfém anóddal, mert korrodálják a magnéziumfémet. Ezenkívül ezek az elektrolitok nem rendelkeznek megfelelő elektrokémiai stabilitással, továbbá illékonyak és gyúlékonyak is.
Ezzel szemben a szilárd halmazállapotú MIB-ek nagy előnye, hogy kiküszöbölik a gyulladás veszélyét, így sokkal biztonságosabbak, valamint elektrokémiailag ellenállóbbak és szélesebb hőmérsékleti tartományban használhatók. Továbbá az elektródaktív anyagok és az elektrolit közötti minimális (kémiai és/vagy elektrokémiai) kölcsönhatás miatt a szilárdtest-MIB-ekre nem annyira jellemző a degradációt követő kapacitásvesztés.
A magas ionvezető képesség mellett az optimális szilárdtest-elektrolitnak elhanyagolható elektronvezető képességgel, magas Mg-ion-transzferszámmal1, széles elektrokémiai, kémiai és termikus stabilitással, jó mechanikai ellenállóképességgel, az anódfémmel és a katóddal való kompatibilitással és jó feldolgozhatósággal kell rendelkeznie. Az eddigi kutatások azt mutatták, hogy ilyen tulajdonságokkal rendelkező Mg-ion-vezető szilárd elektrolitokat még nem fejlesztettek ki, a fő probléma az alacsony ionvezető képesség és az alacsony Mg-ion-transzferszám.
 
1 A transzferszám (átviteli szám) megmutatja, hogy az ionvezetők esetében a töltések mekkora hányadát hordozzák a vizsgált ionok, azaz a kationok és az anionok. Mivel a folyadék- és polimer elektrolitokban mind a kationok (ez esetben a Mg2+), mind ellenionjaik, az anionok is elmozdulhatnak az elektromos erőtérben a potenciálkülönbség hatására, így alapvető fontosságú, hogy a kationok és az anionok mozgékonyságának függvényében ismerjük, hogy mekkora hányadban járulnak hozzá a méréssel meghatározott ionvezetéshez. Ezen túlmenően léteznek „single-ion” vezetők, amely elektrolitok esetében csak a kationok (vagy csak az anionok) képesek elmozdulni az elektrolitban. Ezen anyagokban a kation- (vagy anion-) transzferszám tion = 1 érték.

Energiatárolási és akkumulátoripari alapismeretek

Tartalomjegyzék


Kiadó: Akadémiai Kiadó

Online megjelenés éve: 2025

ISBN: 978 963 664 126 9

A kötet átfogó, horizontális tematikával vezeti be az olvasót az akkumulátor értéklánc teljes spektrumába: bemutatja a villamosenergia-piac működését, a telepített energiatárolási megoldásokat, az akkumulátorok járműipari alkalmazása terén az alternatív hajtásláncok felépítését és kulcskomponenseit, valamint részletesen tárgyalja a Li-ion akkumulátorok felépítését, működését, gyártástechnológiáját és a legfrissebb fejlesztési irányokat. Áttekintést nyújt továbbá az akkumulátorok biztonságtechnikájáról, diagnosztikai eljárásairól és az újrahasznosítás legfontosabb szempontjairól. Az olvasó átfogó képet kaphat az elektrokémiai energiatárolás technológiai hátteréről, a mobilitási és telepített tárolási megoldások térnyeréséről, az akkumulátoripar hazai és globális fejlődési irányairól, valamint az ezekhez kapcsolódó lehetőségekről, kihívásokról és szabályozási kérdésekről. A kötet az akkumulátorgyártás alaplépéseitől a jármű- és energiarendszer-integrációig, a töltőinfrastruktúrától a biztonságtechnikai, gazdasági és jogi aspektusokig számos kapcsolódó területet is tárgyal. Hasznos olvasmány lehet gépész-, villamos- és vegyipari mérnökök, mechatronikai és gazdasági szakemberek, autóipari és energiaipari szereplők, valamint a közszféra és az oktatás területén dolgozók számára – de mindazoknak is, akik naprakész, rendszerszintű tudást keresnek az energiatárolás és az elektromobilitás dinamikusan fejlődő világában. A kötet elkészítését a Magyar Akkumulátor Szövetség támogatta.

Hivatkozás: https://mersz.hu/kun-energiatarolasi-es-akkumulatoripari-alapismeretek//

BibTeXEndNoteMendeleyZotero

Kivonat
fullscreenclose
printsave