Akkumulátor technológia: nikkel alapú akkumulátorok

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 újabb esélyt adott az elektromos autózásnak.

Az első cikkünk a világ legismertebb, legelterjedtebb akkumulátor fajtájával, a savas ólomakkumulátorral foglalkozik, a második részben a nikkel alapú, NiCd (nikkel-kadmium) és a NiMH (nikkel-fémhidrid) akkumulátorok jellemzőit nézzük át röviden.

Nikkel alapú akkumulátorok

Valószínűleg nem mindenkinek ugrik be azonnal, miről is van szó, pedig az emberek nagy része találkozott már velük élete során. Legáltalánosabb megjelenési formája a ceruzaelem (AA) újratölthető változata.

Kifejlesztése egy svéd tudóshoz, Waldemar Jungnerhez köthető, aki 1899-ben hozott létre először a nikkel-kadmium akkumulátort. Ekkoriban a találmány fő versenytársa az ólomakkumulátor volt. Kísérleteztek más összetételű variánsokkal is, de robusztus felépítése és kedvező tulajdonságai miatt az 1990-es évekig a kadmium (Cd) maradt a nikkel mellett az akkumulátor másik összetevője. Eddig az időszakig a hordozható eszközökben szinte kizárólag NiCd akkumulátorokat találunk. A kadmium élettani hatását tekintve meglehetősen mérgező, ezért miután megjelentek a kevésbé toxikus nikkel-fémhidrid (NiMH) akkumulátorok, a nikkel-kadmium kezdett eltűnni a piacról.

Nikkel-kadmium (NiCd) akkumulátorok

A nikkel-kadmium akkumulátorok számos előnyös tulajdonsággal rendelkeztek a savas ólomakkumulátorral szemben, azonban elterjedését kezdetben gátolta rendkívül magas ára. A kutatások csak 1932-re jutottak el odáig, hogy a tömör kadmium elektródát porózus szerkezetű galvanizált elektródára cseréljék. Ezután még 15 évnek kellett eltelnie, mire sikerült megoldani az akku másik nagy problémáját, a töltés közben keletkező gázok kiszabadulását. Innen már csak néhány évet kellett várni, hogy a legtöbb rádióba, videófelvevőbe, szerszámgépbe és életmentő felszerelésbe ezek az akkumulátorok kerüljenek.

Nikkel-kadmium akkumulátorok különböző méterben. Forrás: exellbattery.com

A 80-as években megjelentek a továbbfejlesztett nikkel-kadmium akkumulátorok, amelyek akár 60%-kal nagyobb kapacitással rendelkeztek normál társaiknál, ezzel teljesen felforgatva a hordozható eszközök iparát. A kapacitásnövekedésért viszont nagy árat kellett fizetni, ugyanis nőtt az akkumulátorok belső ellenállása, valamint csökkent az élettartama, kevesebb töltési ciklus elviselésére voltak alkalmasak mint elődeik. A rövid termékéletciklussal rendelkező kézi készülékekbe azonban tökéletesen megfeleltek.

A standard NiCd akkumulátorokat ma is a legstrapabíróbb energiatárolóként tartják számon. A legnagyobb hátránya a „memória-effektus” amely a kapacitás gyors csökkenéséhez vezet nem megfelelő használat esetén. Ha ezeket az akkumulátorokat nem töltjük fel vagy nem merítjük le teljesen, akkor a cella „megjegyzi” ezt és később, ha akarjuk sem tudjuk kihasználni a cellában lévő összes energiát. Ez a tulajdonság az ólomakkumulátor tökéletes ellentétévé teszi, mert a savas társai a ciklikus használatot viselik nehezebben. A modern NiCd akkumulátorok már kevésbé hajlamosak az emlékezésre és megfelelő töltési eljárásokkal javítható a lecsökkent kapacitás is.

Az NiCd akkumulátorok előnyei és hátrányai

Nikkel-fémhidrid (NiMH) akkumulátorok

A kadmium mérgező tulajdonsága és a folyamatosan növekvő energiatárolás iránti igény a kutatókat újabb akkumulátor típusok irányába terelte. Ennek nyomán 1967-ben megkezdődtek a kutatások a kadmium helyettesítésére vonatkozóan. A fém hidrideket az 1980-as években kezdték használni és segítségükkel a nikkel-kadmium akkumulátornál akár 40%-kal nagyobb energiatároló képességű cellák állíthatók elő.

De mik azok a hidridek?

A hidridek nem jelentenek mást, mint az anyagok hidrogénvegyületeit. Értelemszerűen amikor fém-hidridekről beszélünk, akkor a hidrogén és valamilyen fém reakciójából származó vegyületre kell gondolnunk. Rengeteg változata létezik, egycentrumos, többcentrumos, stb… viszont számunkra sokkal érdekesebb, hogy a cellákban a kadmiumot nikkel-oxid-hidroxid NiOOH nevű anyagra cserélték.

A nikkel fém-hidrid akkumulátorok különböző megjelenési formái. Forrás: nimhpower.com

Természetesen a NiMH technológia sem mentes a hátrányoktól. Az új cella töltése és kisütése több odafigyelést, precízebb töltésvezérlő elektronikát igényel mint közvetlen elődje. Főleg a korai változatok mutattak rendkívül nagy önkisülést. A feltöltés utáni első nap képesek voltak elveszíteni a töltöttségük akár 20%-át. Az önkisülés mértéke ezután jelentősen lassult, viszont így is, körülbelül 10% volt havonta. Ez a hátrány csökkenthető, de mint minden mérnöki tudományban, egy másik paraméter, például a kapacitás rovására. Az elektromos autókban való alkalmazásig még rengeteg problémát kellett megoldani.

Legismertebb megjelenési formája, csakúgy, mint az NiCd akkumulátoroknak, a ceruzaelemek helyettesítésére szolgáló újratölthető elem. Sajnos az NiMH cellák feszültsége szintén 1,2 V, ami az 1,5 V-os elemekhez beállított készülékeknél gondot okozhat. Amelyik készülék kijelzi az elemek állapotát, azok lemerültnek jelezik az akár 100%-ra töltött cellákat is. Ennek ellenére nagyon népszerű alternatívaként szolgált és szolgál a mai napig ezekben a készülékekben. Alkalmazási területei viszont nem állnak meg az elemek helyettesítésénél. A termékek széles palettájában, mobiltelefonokban, szerszámgépekben, kerékpárokban és számítógépekben hosszú éveken keresztül az NiMH akkumulátor volt a vezető energiatároló.

Az NiMH akkumulátorok előnyei és hátrányai

Alkalmazásuk a járműiparban

Az előző részben megtudhattuk, hogy az ólomakkumulátorokat a prototípus fázis vagy legfeljebb az első ráncfelvarrás után száműzték a legtöbb korai elektromos járműből, mert energiasűrűségük nem elegendő a vásárlók által minimálisan elvárt hatótáv eléréséhez sem. A NiCd és NiMH akkumulátor azonban már kompromisszumokkal, de elegendő lehet. Nézzünk néhány példát a múltból amikor ez az akkumulátor valós villanyautóban szerepet kapott az energia tárolásában.

GM EV1

A General Motors első elektromosnak tervezett autójának az EV1-nek második generációja (1997-’99) 18,7 kWh-ás NiMH akkumulátorcsomaggal készült. A megfelelően összekapcsolt cellák névleges feszültsége 312 V, kapacitása pedig 60 Ah volt. A teljes akkupakk tetemes részét képezte a jármű 1320 kg-os össztömegének. A motor 102 kW teljesítmény leadására volt képes, amivel valószínűleg nem lehetett elérni sportautókat megszégyenítő gyorsulást de a kor járműveivel tudta tartani a lépést. Az autó egy töltéssel akár 230 km-t is képes volt megtenni. Erre manapság is azt mondjuk, hogy a felhasználók több mint 90%-ának elegendő. Sajnos ezt a papíron kiváló paraméterekkel rendelkező villanyautót a GM nem kívánta értékesíteni, csupán egy lízingkonstrukciót kínáltak a felhasználók számára.

General Motors EV1; Forrás: businesswire.com

A használhatóságot leginkább korlátozó tényező, a hosszú töltési idő volt. A teljes töltöttség eléréséhez több, mint 8 órának kellett eltelnie viszont a 80%-hoz már 3 óra is elegendő volt (egy Teslának a Superchargeren 20 perc is elegendő ugyanehhez). Azonban vigyázni kellett a részleges töltésekkel, mert a NiMH akkumulátor az autóban is hajlamos a memória-effektusra, ennek következtében az „átlagos” használat során, mindennapi rátöltések esetén hamar tönkremehet az akku.

Toyota RAV4 EV

A Toyota RAV4 EV a belsőégésű motorral szerelt RAV4 elektromos változata volt. Ennek a terepjárónak a prototípusa még savas ólomakkumulátorral készült a sorozatgyártásba viszont 27 kWh-ás nikkel fém-hidrid akkumulátorral került. Az 1997 és 2003 között gyártott modell végsebessége 126 km/h volt és egy töltéssel akár 150 km-t is megtehettek utasai. A japán mérnökök az akkumulátor élettartam problémáit is kiválóan kiküszöbölték, mert volt olyan autó, amely több, mint 240.000 km-t tett meg az eredeti akkupakkjával. A népszerűsége ennek ellenére elenyésző volt.

Toyota RAV4 EV; Forrás: wikimedia.org

Az előző két példa, egy japán és egy amerikai gyártó terméke, hazánkban nem volt elérhető. A következő egy francia gyártóé, amely egyes példányai ma is futnak országunk útjain. A korai elektromos autózás ékes példái a PSA konszern által gyártott Electrique jelöléssel ellátott autók.

Peugeot 106 / Citroen Saxo Electrique

Az autó külseje és belső tere szinte megegyezik a benzinmotoros változatokéval. Mivel az akkumulátorok a csomagtartó alsó részében helyezkednek el, nyilván kevesebb hely jut a csomagjainknak. A műszerfal is elárulja, hogy elektromos autóban ülünk, mert a motor percenkénti fordulatszáma helyett az akkumulátor töltöttségét figyelhetjük meg egy mutatós műszeren. A két körműszer között egy fogyasztás/visszatöltés jelző – szintén mutatós műszer – található.

Peugeot 106 Electrique motorjának és akkumulátorainak elhelyezkedése. Forrás: motorstown.com

A Saxoban egy 20 kW csúcsteljesítmény leadására képes elektromos motor felelős a több, mint egy tonnás önsúly és az utasok mozgatásáért, ami elsőre sem tűnik elegendőnek. 0-ról 50 km/h-ra több, mint 8 másodperc alatt gyorsul és akármeddig nyomjuk a pedált, akkor sem hajlandó 100 km/h-nál gyorsabban menni. A 20 db 100 Ah-ás nikkel-kadmium (NiCd) akkumulátoraiban 16 kWh-nyi töltést tud tárolni, amivel kedvező esetben 120 km-t képes megtenni a kis francia. Az újratöltéshez az előző két példához hasonlóan 8 óra folyamatos elektromos hálózaton való lógás szükséges.

A ma is létező használt példányok akkumulátorai kivétel nélkül szörnyű állapotban vannak, többet átalakítottak Li-ionosra mert az eredeti energiaforrása már beszerezhetetlen.

Hibrid autók és az NiMH akkumulátorok

Az áttörést mégsem ezek az elektromos autók, hanem az első hibridek hozták meg a nikkel alapú akkumulátorok járműipari alkalmazásának. A kilencvenes évek végén több gyártó is hibrid, azaz kétféle hajtásrendszerrel ellátott személyautók fejlesztésébe kezdett és sikeresen el is jutottak a szériagyártásig. A legnépszerűbb hibrid autó a mára már négy generációt megélt Toyota Prius, amelynek gyártása 1997-ben kezdődött és forradalmat hozott a környezetbarát autók világába.

Toyota Prius

A típus első három generációjába NiMH akkumulátorokat szereltek. A hajtásrendszer teljesen zárt volt, tehát az akkumulátorok töltéséről vagy kisütéséről a vezérlő elektronika hozott döntést. Ennek köszönhetően a csomagtartóban és az ülés alatt elhelyezett akkumulátorok élettartama minden várakozást felülmúlt. A legidősebb példányok több, mint 20 évesek, mérföldek és kilométerek százezreit megtéve. Az akkumulátorok tömeges meghibásodásáról mégsem szóltak a hírek. Ha a Prius akkumulátora mégis gyengülne, azok cellánként is cserélhetők ezért a csere költségei minimálisak a teljes cseréhez képest.

A Toyota (és más gyártók) hibrid modelljeinek hajtásrendszere egy Atkinson ciklusú benzinmotorból, egy villanymotorból, a kettőt összekapcsoló bolygóműves hajtásrendszerből és az akkumulátorból áll. A Prius képes elindulni és néhány kilométert haladni teljesen elektromos módban is. A villanymotor legfőbb feladata azonban a gyorsítások során jelentkező többlet nyomatékigény kiszolgálása, valamint a fékezés során a mozgási energia egy részének visszaalakítása elektromos árammá. Ezt az energiát az elektronika a NiMH akkumulátorokba tölti, ami később újra felhasználható az autó mozgásba lendítésére.

A harmadik generáció konnektorról is tölthető, vagyis plug-in változata, valamint a negyedik generáció már Li-ion akkumulátorral kerül forgalomba. A nikkel fém-hidrid akkumulátorok viszont egészen 2016-ig részei voltak a legismertebb hibrid autótípusnak, ezen keresztül komoly szerepet vállaltak abban, hogy az elektromos autózást közelebb hozzák az átlag felhasználókhoz.

A következő részben a modern villanyautók energiatárolóival, a lítium alapú akkumulátorokkal foglalkozunk részletesebben.

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!