• Vontatási inverter tervezése SiC félvezetőkkel

Raposa Bálint Zsolt

Aszódi Evangélikus Petőfi Gimnázium, Általános Iskola és Kollégium

Konzulensek:
Dr. Kéri Mónika
Nyul Dávid

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.