A svájci nemzeti kutatási alap (SNF) támogatásával megvalósuló kutatási program célja, hogy olyan új ionvezetőket keressenek, amelyek felhasználhatók az újratölthető akkumulátorokban, alternatívákat biztosítva a lítiumion alapuló technológiával szemben.

A lítiumalapú akkumulátoroknak számos hátrányuk van, köztük az alapanyag korlátozott léte, valamint biztonsági problémák, mivel túltöltés vagy magasabb feszültséggel való töltés esetén hő fejlődik, ami az akku felrobbanásához is vezethet.

Az Empa kutatólaboratórium Arndt Remhof vezette csoportja két prototípust fejlesztett ki, az egyikben a töltés tárolásához nátriummal helyettesítik a lítiumot, a másikban magnéziummal. Mindkét anyag haszna a lítiummal szemben, hogy korlátlanul rendelkezésre áll.

A kutatók előtt álló egyik kihívás az volt, hogy szilárd elektrolitokat állítsanak elő, amelyek az ionokat akadálytalanul képesek mozgatni. Az ionok helyváltoztatásának elősegítésére a kutatók kristályszerkezetű szilárd elektrolitokat fejlesztettek ki. A lítiumot magnéziummal és nátriummal helyettesítve a csoportnak teljesen meg kellett változtatni ezen anyagok kristályszerkezetét és új alapanyagokat és előállítási folyamatot kellett alkalmazni. Arndt Remhof a kutatást egy futballedző munkájához hasonlította. "A legjobb játékosok esetén is előfordul, hogy semmi sem sikerül, ha nem stimmel a kémiájuk" – hangoztatta.

A nátriumion-alapú akkumulátor esetében a kutatóknak sikerült az ionok mozgását már 20 Celsius-foktól lehetővé tenni - írták a Chemical Communications című folyóiratban megjelent tanulmányukban. Ez azért fontos, mert a mozgáshoz az ionnak hőforrásra van szüksége, és a szobahőmérsékletű reakció előidézése kihívást jelent. A nátriumelektrolit ráadásul nem gyúlékony, 300 Celsius-fokig kémiailag stabil, ami megoldást jelent a lítiumalapú akkuk biztonsági problémáira. (Emlékezetes: ez a Samsung Galaxy Note7-ben nagyon jól jött volna.)

A magnézium esetében is szilárd elektrolitot fejlesztettek ki. Az anyag alkalmazásának előnye, hogy azonos tömeg esetén majdnem kétszer több energiát tárol, mint a lítium, mivel a magnéziumionnak két pozitív töltete van. Ráadásul könnyű anyag, és nem áll fenn a robbanás veszélye. Ugyanakkor nehéz mozgásra bírni a magnéziumiont, ehhez legalább 400 Celsius-fokra volt szükség egyes kísérletekben. A svájci kutatók által kifejlesztett elektrolittal sikerült a vezetőképességet már 70 Celsius-foknál elérni.

"Ez egy úttörő kutatás, és a koncepció kivitelezhető. Távol vagyunk még egy komplett, működő prototípustól, de megtettük az első fontos lépést célunk elérése felé" – hangoztatta Elsa Rodern, a kutatások vezetője. Mivel a nátrium kevesebb energiát tárol, mint az azonos tömegű lítium, ezért még a méretbéli kihívásokat is le kell küzdeniük.