Akkumulátor technológia: savas ólomakkumulátorok

A modern elektromos autózás megteremtésében az anyagtechnológia, azon belül is az akkumulátor technológia fejlődése játszotta és játssza ma is a legnagyobb szerepet. Hogy ezt jobban megértsük, érdemes megismerkedni az energiatárolás fejlődésével. Öt részes cikksorozatunk elkalauzol az akkumulátorok fejlődésének legfontosabb állomásaira és segít megérteni, hogy miért a lítium-ion technológia az, ami az utóbbi években újabb esélyt adott az elektromos autózásnak.

Első cikkünk a világ legismertebb és legelterjedtebb akkumulátor fajtájával, a savas ólomakkumulátorral foglalkozik, vágjunk is bele!

Savas ólomakkumulátorok

Minden ember, aki legalább életében egyszer vette a bátorságot, hogy kinyissa egy autó motorháztetejét, látott már ólomakkumulátort, ugyanis a belsőégésű motorral szerelt járművekben, kivétel nélkül ez a fajta áramforrás található. Gondoskodik a jármű fogyasztóinak ideiglenes ellátásáról, arra az időre, amíg áll a motor, valamint kulcsfontosságú szerepet játszik annak beindításában. De hogyan jutott el idáig a technológia?

A savas ólomakkumulátor belső felépítése. Forrás: barden-uk.com

Egy francia fizikus, Gaston Planté találta fel a savas ólomakkumulátort (lead acid battery) 1859-ben. Ez volt az első újratölthető áramforrás, amely kereskedelmi forgalomba került. Számos előnyének köszönhetően mára a világ legismertebb akkumulátor típusává vált. Széles körben alkalmazzák szünetmentes tápegységekben (UPS), hajók, tengeralattjárók, fő áramforrásaként, kisméretű elektromos járművekben, például golf-kocsikban, valamint belsőégésű motorral szerelt járművek indító akkumulátoraként.

Felépítését tekintve rendkívül egyszerű, két elektrolitba merített nagy felületű ólomlapból és a tároló edényből áll. A felület növelése érdekében egy ólomlap helyett gyakran alkalmaznak sűrű rácsot vagy több vékonyabb lapot, ezáltal sokkal nagyobb érintkezési felület jön létre az ólom és az elektrolit között. Az elektrolit általában kénsav (H₂SO₄) amely maró kémhatása miatt elővigyázatosságot igényel. Mivel a tiszta ólom (Pb) egy rendkívül puha fém ezért minden esetben valamilyen ötvöző anyag segítségével teszik ellenállóbbá a fizikai behatásokkal szemben. Ilyen ötvöző lehet az antimon (Sb), a kalcium (Ca), az ón (Sn) és a szelén (Se). A hozzáadott fémek nem csak a fizikai tulajdonságában jelentenek előnyt, hanem egyéb kémiai és elektromos jellemzői is javulnak, például csökken az önkisülés, jobban bírja a mélykisütést, vagy a ciklikus használatot.

Az ólom miatt a kész akkumulátor a felületnövelési technikák ellenére is nehéz lesz és sok esetben rosszabbul bírja a gyűrődést, azaz kevésbé tartós, mint a modernebb akkumulátorfajták. Ennek ellenére megvannak azok a területek, ahol egyéb előnyös tulajdonságuk miatt megéri alkalmazni őket.

A kisütések mélységétől függően 200-300 teljes töltés-kisütés ciklust képes elviselni. A relatíve kis ciklusszám fő oka a kémiai korrózió, amely az akkumulátor belsejében játszódik le, minden olyan esetben, amikor töltések haladnak át rajta. A korróziós folyamatok, a töltés, és a kisütés mértékének növelésével valamint a hőmérséklet emelkedésével tovább gyorsulnak. A folyamat során az akkumulátor veszít a kapacitásából, eleinte csak lassan, aztán az öregedés előrehaladtával egyre gyorsabban.

Az ólomakkumulátor kapacitásának alakulása az élettartama amiatt. Forrás: batteryuniversity.com

Az ólomakkumulátorok előnye, az egyszerű felépítésén kívül, a pozitív értelemben vett igénytelensége. Sem töltése, sem kisütése nem igényel precíz felügyeleti áramkört. Természetesen ez nem azt jelenti, hogy ne lennének követelmények a megfelelő töltési feszültséggel és töltőárammal szemben, de sokkal kevésbé érzékeny az ideális paraméterektől való eltérésre, mint az NiMH vagy az Li-ion akkumulátorok. A túltöltés vagy a túl nagy áramú töltés esetén lassan megkezdődik a kénsavban lévő víz alkotóelemeire bontása, ami hidrogént és oxigént jelent. Nagy mennyiségben felhalmozódva ez a gázelegy (durranógáz) rendkívül veszélyes, ezért töltés esetén minden esetben biztosítani kell a szellőzést. Ha tartósan fennáll ez az állapot, csökken az elektrolit szintje, és ezzel együtt az akkumulátor kapacitása is. Az elpárolgott víz pótlásával azonban regenerálhatjuk az akkut. A másik eset a túlmerítés, vagy más néven mélykisütés. Ilyenkor az akkumulátorban megindul a szulfátosodásnak nevezett kémiai folyamat, amely visszafordíthatatlan károkat okoz az elektródák felületén.

A savas ólomakkumulátor továbbfejlesztett változatait zártnak vagy karbantartás mentesnek is szokás nevezni, mivel nem találhatók rajta nyílások, ahol kapcsolatba kerülhetünk az elektrolittal. A zárt dobozban a töltéskor felszabaduló gázok képesek visszaalakulni vízzé a kisütés folyamán. Természetesen, ha a nyomás egy biztonságos szint fölé nőne, egy szelep elengedi a felesleges gázokat, viszont víz betöltésére már nincs lehetőség.

Az elektródákat alkotó ólomlapok közé gyakran valamilyen szeparátor anyagot építenek be, ezzel csökkentve a folyadék lötyögését, valamint az elektródákból az öregedés során leváló darabok által okozott rövidzárlat lehetőségét. További előnyökkel jár, ha az elektrolitba zselésítő anyagot kevernek, így az eszköz bármilyen irányban beépíthető, az elektrolit nem folyik ki. Az ilyen ólomakkumulátorokat zselés akkumulátornak is nevezik (AGM). Leginkább a 30 és 100 Ah közötti kapacitástartományban használatos ez a megoldás. Kellemetlen mellékhatásként nő az érzékenysége a túltöltésre és a mélymerítésre.

Az ólomakkumulátorokat két fő alkalmazási területre fejlesztik. Az egyik a belsőégésű motorok indítása, a másik pedig a ciklikus használat, amikor az akku szinte teljesen lemerül, majd teljesen feltöltődik. A két felhasználási mód merőben más felépítést igényel.

Motorindító akkumulátorok (Starter batteries)

Forrás: batteryuniversity.com/

A belsőégésű motorok beindításához egy nagyon rövid ideig, jellemzően 2-4 másodpercig nagyon nagy teljesítmény, jellemzően 2-8 kW leadása szükséges. Extrém esetekben, amikor nehezen indul a motor, szükség lehet 20-30 másodperces indítózásra, akár több alkalommal is. Amikor a motor már jár, a hozzá kapcsolt generátor azonnal tölteni tudja az akkut, mely során az közel 100%-ra töltődik. Ilyen követelményeknek kell megfelelnie egy indítóakkumulátornak. A nagy teljesítmény leadásához nagy áramerősség szükséges, amit az elektróda felületének növelésével lehet elérni, emiatt viszont a sok vékony elektróda sokkal inkább védtelen a korrózióval szemben. Következésképpen ezek az akkumulátorok rendkívül érzékenyek a hosszan tartó és mély merítésekre.

Ciklikus felhasználású akkumulátorok (Deep-cycle Battery)

Forrás: batteryuniversity.com/

Az ilyen akkumulátorokat munkaakkumulátornak is nevezik, mivel valamilyen feladat elvégzésére készítik őket, például egész éjszakás világítás egy csónakban vagy lakóautóban, napelemmel megtermelt energia leadása a napsütésen kívüli időszakban vagy elektromos járművek hajtása. Ilyen felhasználás esetén az akkumulátor kapacitásának 70-90%-át is gyakran kihasználják, ezért töltöttsége sokszor nullára is csökkenhet. Emiatt nagymértékű korróziónak vannak kitéve az elektródák, viszont mind a töltő, mind a kisütő áram kicsi marad. Ilyen felhasználásra a vastagabb, kisebb felületű, de a korróziónak ellenálló elektródákra van szükség. Az akkumulátor élettartama ebben az esetben is függ attól, hogy a kapacitás mekkora részét használja ki a felhasználó. Ha a 100% helyett csak a kapacitás 30%-át vesszük igénybe, akkor akár tízszeresére is növelhetjük az akkumulátor élettartamát, feltételezve, hogy nem az alsó, hanem a felső 30%-kal dolgoztunk.

Általánosságban elmondható a savas ólomakkumulátorról, hogy mérgező, környezetre káros alkotóelemekből épülnek fel, amelyek kiszabadulva komoly környezetszennyezést okoznak, viszont szinte teljes mértékben újrahasznosíthatók és megfelelő odafigyeléssel környezetbarát energiatárolókká válhatnak. Könnyű újrahasznosíthatósága miatt komoly értéket képviselnek még tönkrement állapotban is, a legtöbb MÉH telepen átveszik.

A savas ólomakkumulátorok előnyei és hátrányai

Az ólomakkumulátor tipikus cellafeszültsége 2 V. Egy személyautó akkumulátorában tehát 6 db elemi cella található melyek sorba vannak kapcsolva, így jön létre a 12 V fesztültség a kimeneti kapcsokon. Teljesen feltöltött állapotban körülbelül 2,15 V teljesen lemerült állapotban pedig 1,9 V körül alakul egy cella feszültsége. Azért csak körülbelül, mert a mért érték függ az akkumulátor állapotától és korától is. Az alábbi táblázatban láthatók egy elemi cella, valamint egy hat cellás ólomakkumulátor jellemző kapocsfeszültségei különböző töltöttségi szintek mellett.

6 db cella kapocsfeszültsége a töltöttség függvényében. Forrás: batteryuniversity.com

Ha a feszültség 1,9 V alá esik, akkor az akkumulátor mélykisüléséről beszélünk. Ez a tartomány minden esetben az állapot tartós romlásához és az élettartam csökkenéséhez vezet. Érdemes tehát elkerülni.

A savas akkumulátor töltése nem igényel precíz áramköri megoldásokat, de néhány alapszabályt érdemes betartani, a feszültség határértékeinek túllépése mindkét irányban elkerülendő. A megfelelő töltési eljárás három részre osztható:

• Állandó áramú szakasz (Constan Current, CC)
• Állandó feszültségű szakasz (Constant Voltage, CV)
• Csepptöltés (Float charge)

Az állandó áramú szakaszban a töltőáram szintje nem haladhat meg egy beállított értéket, ami jellemzően 0,1C (a kapacitás 10%-a). A töltés ezen szakaszában a kapocsfeszültség folyamatosan növekszik, amíg a cellák feszültsége nem érte el a 100% körüli szintet. Áramkorlátozó elektronika nélkül, a töltőáram a megengedett többszörösére is felugorhatna. A második szakaszban, amikor a cellák elérték a megengedett maximális feszültséget, a töltőnek át kell váltania az állandó feszültségű szakaszba, ilyenkor a töltőáram folyamatosan csökken. Amikor közel nullára csökkent, indul a harmadik szakasz, a csepptöltés, amikor már csak szinten tartja az akku feszültségét a töltő.

Az ólomakkumulátor töltőárama és feszültsége töltés közben. Forrás: batteryuniversity.com

Az akkumulátor kisütése, szintén körültekintést igényel, de messze nem olyan érzékeny, mint a töltésre. A mélykisütésről már tettünk említést, a másik korlát a maximális kisütőáram, amely szintén nem lépheti túl a gyártó által megadott határértéket, a megadott időintervallumnál tovább. Tehát nagy áramot csak rövid ideig vehetünk ki az akkuból, különben károsodik a belső szerkezete.

Miután megismerkedünk ennek az egyszerű, de hatékony akkumulátornak a felépítésével, lássuk milyen alkalmazási területei vannak.

Az egyik legismertebb terület, a járműipar, ezen belül a belsőégésű motorral szerelt járművek motorjának indítása, valamint elektromos fogyasztóinak működtetése. Egy átlagos személyautó motorjának beindításához 2-3 kW-os teljesítmény szükséges, néhány másodpercig. Egy teherautó, vagy kamion már ennél többet, 6-8 kW-ot igényel. Ezért a személyautók 6 cellás, a teherautók 12 cellás akkumulátorral készülnek, így az indítóáramuk közel azonos, 300- 600 A lehet. Ezt a hatalmas áramot azonban csak néhány másodpercig tudják leadni, mivel a belső kémiai folyamatok nem képesek ilyen sebességgel tartósan lezajlani. Ha tartósan nagy árammal sütjük ki az akkumulátort, akkor a belső ellenállása megnövekszik, tehát a kivehető maximális áram csökken.

Természetesen korai elektromos autókban is alkalmaztak savas ólomakkumulátort, részben nagy kisütő áramuknak, részben alacsony áruknak köszönhetően. Egy autó egyenletes haladása során néhány tíz kilowattnál nem igényel többet, gyorsításkor azonban ennek többszörösére is nőhet a teljesítményfelvétel, viszont ez az állapot jó esetben csak néhány másodpercig (10 – 30 s) áll fenn. Az ilyen jellegű felhasználáshoz az indítóakkumulátoroktól némileg eltérő belső felépítést alkalmaznak, hogy az akku jobban bírja a teljes lemerítéseket.

Forrás: tzev.com

Az egyik kétezres évek előtti, tehát már modernnek számító villanyautó, amelyik savas ólomakkumulátorral is készült a Chrysler TEVan. Ez egy kis négyüléses egyterű, amelyet 1997 és 1998 között gyártottak ezzel a fajta energiatárolóval. Később a gyártás tovább folytatódott, de már NiMH akkumulátorokkal szerelve. Egy másik, talán ismertebb példa, a General Motors EV1-es elektromos autója, amelyet ugyanebben az időszakban gyártottak. Hasonlóan a Chryslerhez, a GM is csak a korai modelleknél választotta az ólmos technológiát. Az akkucsomag kapacitása 16,5 kWh volt és egy 102 kW-os motor mozgatta az 1400 kg-os tömeget. A kétüléses kupé a paraméterek alapján nem tűnik különösen dinamikus járműnek, de a kor autói között jól megállta a helyét.

General Motors EV1. Forrás: wikimedia.org

Szintén 1997-ben volt kapható egy elektromos Pick-up is a General Motors kínálatában a Chevrolet S-10 Electric, amelyet ólmos és NiMH akkumulátorral is szereltek. A hajtásról egy 85 kW-os elektromotor gondoskodott és a gyártó 76 km-es hatótávot adott meg a 16,2 kWh-ás savas akkumulátor csomag mellé. A szerény számok hallatán nem csodálkozhatunk az eladott darabszámon sem, amely 1997 és 1998 között mindössze 60 db volt.

Chevrolet S-10 Electric. Forrás: cleanfuelconnectionnews.com

Utolsóként talán megemlíthetjük a REVAi-t amely egy indiai miniautó. A négy személy szállítására alkalmas járművet 2001 és 2012 (!) között készítették, 2008-ban ez volt a legnagyobb példányszámban eladott elektromos hajtású autó. A haladásról egy 13 kW-os villanymotor gondoskodott, amelyet egy 200 Ah-ás 48 V-os, azaz 9,6 kWh-ás ólomakkumulátorból álló akkumulátorcsomag hajtott. Ez a konfiguráció 80 km/h-ás végsebességet biztosított a 2,6 m hosszú járműnek.

REVAi. Forrás: toltodjfel.hu

A felsorolt példák is alátámasztják, hogy ez a technológia csak erős kompromisszumokkal alkalmas járműhajtásra. Ennek egyik oka, hogy nagy tömege ellenére csak kevés energiát képes tárolni ezért a gyakorlati hatótáv nem, vagy csak alig haladta meg a 100 km-t, ami sajnos nem elég nagy ahhoz, hogy vásárlók tömegét csábítsa a kasszához. A másik ok, a hosszú töltési idő. Egy ilyen akkumulátor csomagnak minimum 12-18 órára van szükségük a teljes töltöttség eléréséhez és ezt nem lehet felgyorsítani még az élettartam csökkenése árán sem. A harmadik ok, a rövid élettartam. A savas ólomakkumulátorok tárolókapacitása 4 év alatt több mint 20%-ot is eshet és ez csak tovább romlik, ha sokszor csökken a töltöttsége a 0% környékére.

Ekkoriban az autógyártóknak csak egyetlen érdeke fűződött ahhoz, hogy ezek a villanyautók létrejöjjenek, ez pedig a környezetvédelmi normáknak való megfelelés termékpaletta szinten. Lényegében promóciós szerepet töltöttek be és rendszerint nem adták el őket, csak lízingelni lehetett.

Az ólomakkumulátor kapacitásának csökkenése az évek során. Forrás: batteryuniversity.com

A gyártók savas ólomakkumulátort vagy nem is vették számításba a fejlesztés során, vagy hamar rájöttek, hogy vannak megfelelőbb alternatívák is a piacon. A mai modern villany és hibrid autókban Li-ion technológiájú akkumulátorok dolgoznak fő energiatárolóként, azonban a belsőégésű motoros társaikhoz hasonlóan megtalálható bennük az ólmos akkumulátor. Jogosan merül fel a kérdés, hogy mi ennek az oka. A válasz természetesen a költséghatékonyságban keresendő. A személyautók villamos fogyasztói, a lámpák, a szellőztetés, a kényelmi elektronikák, a HiFi, a kijelzők és a műszerek már évtizedek óta 12 V-ról üzemelnek. Az autógyárak beszállítói mind erre a feszültségszintre fejlesztik termékeiket és számos szabvány is erre épül, ezért senkinek nem érdeke, hogy gyökeresen átalakuljon.

Az elektromos (és hibrid) autók akkumulátorai viszont ennél jóval nagyobb, 300 – 500 V közötti feszültségen üzemelnek. A kettő közötti szakadékot egy egyenfeszültség átalakítóval (DC-DC converter) lehet áthidalni. A 12 V-os fogyasztók viszont sok esetben 1000 W fölötti csúcsfogyasztást produkálnak, amihez egy legalább ekkora teljesítményű átalakítóra van szükség, nem is beszélve a különböző segédberendezések motorjainak indításakor keletkező pillanatnyi több száz amperes lökések kiszolgálásáról. Ezt a problémát hivatott kiküszöbölni a „kis” akkumulátor azzal, hogy a csúcsokban képes kiszolgálni a 12V-os fogyasztókat, normál üzemben pedig egy kis teljesítményű DC-DC átalakítón keresztül töltődik. Ez a megoldás sokkal inkább költséghatékony, mint egy megfelelően nagy konverter beépítése.

A savas ólomakkumulátorok tehát széles felhasználási területen bizonyítottak, és bizonyítanak a mai napig. Számos előnyük alkalmassá teszi őket indítóakkumulátoroknak, szünetmentes tápegységek átmeneti tárolójának és napelemes rendszerek fogyasztás és termelés kiegyenlítőjének, de az elektromos járművek hajtására nem vagy csak komoly kompromisszumokkal alkalmasak.

A következő a részben a nikkel alapú, NiCd (nikkel-kadmium) és a NiMH (nikkel-fémhidrid) akkumulátorok jellemzőit ismerhetjük meg röviden.

Magyar Péter

Villamosmérnökként szakmai csodálattal tekintek minden elektromos járműre, ugyanakkor azt látom, hogy sok az ismerethiányból adódó ellenérzés irántuk. Írásaimmal ezen szeretnék pozitív irányban változtatni!