Akkumulátor technológia: a jövő akkumulátorai

A modern elektromos autózás megteremtésében az anyagtechnológia, azon belül is az akkumulátortechnológia fejlődése játszotta és játssza ma is a legnagyobb szerepet. Hogy ezt jobban megértsük, érdemes megismerkedni az energiatárolás fejlődésével.

A sorozat korábbi részeiben a múlt és a jelen akkumulátorainak működésébe kaptunk betekintést:

A cikksorozat utolsó részben megnézzük mit tartogat számunkra a jövő akku fronton. Megannyi hír lát napvilágot nálunk és más autós oldalakon hihetetlenül nagy akkukapacitásról, szempillantás alatti feltöltésről és óriási méretcsökkenésről. Aztán sok ezek közül elhal vagy azért, mert eleve nem volt semmi alapja vagy kiderül, hogy mégsem valósítható meg gazdaságosan.

Vegyük tehát sorra, mik azok az ígéretes technológiák, amik ma mozgatják a villanyautósok fantáziáját.

Lítium-levegő (Li-air)

A fém levegős vagy más néven lélegző akkumulátorok a környezeti levegőt használják a bennük zajló kémiai reakció során. A levegő nagy mennyiségben rendelkezésre áll, erre épülnek a belsőégésű motorok is. Legfontosabb alkotóeleme az emberek számára is nélkülözhetetlen oxigén. Erre van szüksége a lítium-levegő akkumulátornak is, viszont nem kell megijedni, nem egy újabb oxigénzabálót szabadítunk a világra, a folyamat kétirányú. A kisütés, azaz a merítés közben felhasznált oxigént, a töltési folyamat során az akkumulátor újra felszabadítja.

Li-air_2 A lítium levegő akkumulátor töltési folyamata. Forrás: iflscience.com A lítium levegő akkumulátor kisütési folyamata. Forrás: iflscience.com

A lítium-levegő akkumulátor elméleti energiasűrűsége 13 kWh/kg is lehet, ami hihetetlenül nagy. Ez az érték megegyezik a benzinben tárolt energia mennyiségével. Gondoljunk csak bele, ezzel megoldással egy Tesla Model S P100D akkumulátora alig 8 kg-ot nyomna. Ha az anód nem lítium, hanem a földön jóval nagyobb mennyiségben előforduló alumínium, akkor is elő lehetne állítani 8 kWh/kg energiasűrűségű akkumulátort. Egy ilyen cella feszültsége 1,7 V és 3,2 V között változik, ami leginkább a lítium polimer cellákhoz hasonlít.

Mégis miért nincs minden autóban, robogóban, laptopban és telefonban lítium levegő akkumulátor? Mert bár a kutatók már a 70-es évek óta próbálják kiküszöbölni a hátrányait, ez még nem sikerült megnyugtató módon. A fejlesztések a mai napig nem jutottak olyan szintre, mint a normál lítium-ion akkumulátorok. Az egyik probléma az, hogy a kémiai reakcióban részt vevő levegőnek nagyon tisztának kell lennie. Tisztábbnak, mint az átlagos városi levegő, tehát valamilyen szűrőberendezést kell beépíteni az eszközbe. Ráadásul sűríteni is kell a levegőt, hasonlóan, mint az üzemanyagcella esetében a hidrogént. Ez a két kiegészítő berendezés jelentős helyet foglalhat el és felemésztheti a tárolt energia akár 30 %-át is.

Li-air_1
A lítium-levegő akkumulátor működési elve. Forrás: iflscience.com

Másik nagy probléma a lítium levegő akkumulátorral, az élettartama. Míg egy átlagos minőségű lítiumion cella simán kibír 1000 feltöltést, addig a levegős változat 50 ciklus után csődöt mondhat. Tovább rontja a helyzetet, hogy mindezt nagyon hirtelen teszi. A magyarázat az, hogy egy lítium-peroxid film keletkezik a lélegző felületen, ami elszigeteli a levegőt és megakadályozza a további hasznos kémiai reakciót.

A kutatások természetesen folytatódnak, egyes források már 750 ciklust megélt cellákról is beszámolnak, viszont az áttörést jelentő megbízhatóság még várat magára.

Szilárd elektrolitos lítiumakkumulátor (Solid-state Lithium)

A működési elve nagyon hasonló a többi lítiumakkumulátorhoz. A lítium-ion akkumulátorban két fém elektróda és valamilyen folyékony elektrolit van. A szilárd elektrolitos akkumulátorban, ahogy a neve is mutatja, szilárd az elektrolit, az elektródák anyaga pedig lítium. A folyékony elektrolitos akkumulátorok belső ellenállásáért leginkább az elektrolit a felelős. A használatból eredő hőfejlődés is az elektrolitban keletkezik. Az elektródák a gyakorlatban nagyon közel helyezkednek el egymáshoz, és mivel a folyékony anyag nem képes mechanikailag megakadályozni azok véletlen összeérését, úgynevezett szeparátort kell a vezetők közé tenni. A szilárd elektrolitos akkumulátoroknál viszont maga az elektrolit biztosítja a mechanikai elválasztást. A szeparátor jelentős részt is kitehet egy akkumulátor térfogatából, így annak elhagyása növeli az energiasűrűséget, ami egyes becslések szerint elérheti az 1 kWh/litert is.

EZT OLVASTAD MÁR?  Már meg is döntötték a Tesla Model 3 830 kilométeres rekordját
solidstate-battery
Folyékony és szilárd elektrolitos akkumulátorok felépítése. Forrás: electronics-lab.com

További előnye, hogy öregedésre egyáltalán nem hajlamos, akár több százezer teljes töltési ciklust is elbír, továbbá nem érzékeny az alacsony hőmérsékletre. Sajnos a folyékony elektrolit belső ellenállása jelenleg kisebb, mint a szilárdé, ezért kisebb az az utóbbiból kivehető teljesítmény és nagyobb a belső hőfejlődés is. Ha a kutatóknak sikerül megoldania a belső ellenállás problémáját, akkor egy ilyen szilárd elektrolittal rendelkező akkumulátor töltési ideje (természetesen megfelelően nagy teljesítményű töltőberendezés esetén) akár néhány percre is csökkenhet. Merész becslések szerint erre már 2022-ben sor kerülhet.

Lítium fém (Li-metal)

Ezzel a fajta akkumulátorral jelenleg egy Pellion Technologies nevű vállalat érte el a legnagyobb sikereket. Annak ellenére, hogy a kísérleti példányok 50 teljes töltési ciklusnál nem bírnak többet, van olyan vevő, aki hajlandó fizetni a termékükért. Természetesen nem átlagos felhasználásra szánják, hanem speciális feladatokat ellátó drónokba, ahol fontosabb a hosszabb repülési idő, mint az akkumulátor élettartama. A fejlesztés költségeinek mérséklésében sokat segít egy olyan vásárló aki, a „félkész” termékért is hajlandó fizetni.

A lítium fém akkumulátor nagy előnye a magas energiasűrűség. A Tesla által használt lítiumion akkumulátornál majdnem kétszer nagyobb az energiatárolási képessége, 1kWh/liter és 400 Wh/kg. A gyakorlatban ez azt jelenti, hogy egy Tesla Model S simán megtehetne akár 800 km-t is lítium fém akkumulátorral.

Maga a lítium rendkívül reagens anyag és a környezetünkben található anyagok nagy részével reakcióba lép ha érintkezik. Főként ebből származnak az akkumulátortüzek. Ezért a legtöbb lítium akkumulátorban grafitot használnak anódként, ami szeparátorként is működik a lítium és a külvilág között. Viszont az energiasűrűség szempontjából sokkal jobb lenne, ha tiszta lítiumot használhatnánk anódként. Valamivel mégis el kell választani a lítiumot a külvilágtól. Erre talált egy hatékony megoldást a Pellion, amikor réz lemezt kezdett alkalmazni anód gyanánt. Az egyszerű változtatás miatt egy korábbi lítiumion akkumulátor gyártósort kis átalakítással fel lehet használni li-fém akkumulátorok gyártására is.

ARPA-E-lithum-metal-battery-graphic_cleantechnica_com
A hagyományos lítiumion és a lítium fém akkumulátor felépítése. Forrás: cleantechnica.com

A képen jól látható, hogy majdnem feleannyi helyre van szükség ugyanannak a akkumulátorkapacitásnak az előállításához (innen a majdnem kétszeres energiasűrűség) amikor fém lítiumot alkalmazunk. De hogy kerül a lítium a réz réteg elé? A csoda az akkumulátor első feltöltésekor történik. A lítiumionok a katód felől áramlanak a réz réteg felé, ahol egy vékony lítiumréteget alkotva foglalják el a helyüket a felületen.

A zseniális megoldás villanyautókban való megjelenésére még várnunk kell de a cég 5 éven belül szeretne áttörést elérni az akkumulátor élettartamában is.

Nátriumion akkumulátor (sodium-ion)

Ahogy már korábban írtunk róla, ez az akkumulátor az olcsóságával tűnhet ki a tömegből. A lítiumnál nagyságrendekkel olcsóbb alapanyag a nátrium. Vegyület formájában a Föld tömegének 2,6%-át alkotja. Legismertebb vegyülete az NaCl (nátrium-klorid), vagyis konyhasó. Egy ilyen gyakori elem alkalmazása akkumulátor alapanyagként, akár tizedére nyomhatná le az adott mennyiségű energia tárolásának költségét. Élettartamban is messze az átlag felett jár, 3500 ciklus után is bőven 80% feletti kapacitással büszkélkedhet. Sajnos az energiasűrűsége nem olyan magas mint a mostanában alkalmazott lítium-ion akkumulátoroké, ezért az ipari energiatárolási feladatokban lehet majd kiválóan alkalmazni a nátrium-ion akkumulátorokat.

img_nas_principle_01
Nátriumion akkumulátor elvi működése. Forrás: electric-vehiclenews.com

A kutatók előtt álló legfőbb feladat az, hogy ne csak olvadt elektrolitos formában lehessen a nátrium segítségével elektromos áramot tárolni. Ezek az olvadt elektrolitos akkumulátorok már több, mint egy évtizede ismertek a szakmában és leginkább ZEBRA akkumulátor néven terjedtek el.  Legnagyobb hátrányuk, hogy üzemi hőmérsékletük körülbelül 300 °C környékére tehető. Ilyen magas hőmérséklet fenntartása viszont komoly energiát emészt fel, amit természetesen maga az akkumulátor biztosít saját működéséhez. Még egy indok, hogy az ipari energiatárolás felé vezessen a nátrium akkumulátor útja. Természetesen ha sikerül alacsonyabb hőmérsékleten (0 °C környékén) is működő változatot előállítani, akkor valós esély nyílik kis hatótávú de rendkívül olcsó villanyautók gyártására.

EZT OLVASTAD MÁR?  Újabb két Peugeot választható elektromosként

Lítium-kén (lithium-sulfur)

Hasonlóan, mint a lítium fém akkumulátor esetében, az elemi lítium helyettesítésére keresnek egy olcsó alternatívát a kutatók. A kén sokkal gyakoribb és környezetbarátabb anyag. A belőle előállított tároló energiasűrűsége akár 2,5 kWh/kg értéket is elérheti, ami hatalmas. Sajnos a gyors amortizációra való hajlamát máig nem sikerült orvosolni, 40-50 teljes feltöltés után bedobja a törölközőt.

Li-S_oxisenergy.com
A lítium-kén akkumulátor elvi működése. Forrás: oxisenergy.com

Konkrét ígéretek még nem olvashatók arra vonatkozóan, hogy mikor vehetik birtokba a villanyautósok a kén alapú akkumulátorokkal szerelt autóikat de gyaníthatóan még egy évtized is eltelhet a várakozással.

Grafén akkumulátor

A grafén akkumulátor tulajdonképpen egy lítium-ion akkumulátor, ahol a grafit anódot helyettesítik grafénnal. A grafén egy szén atomokból álló kétdimenziós hatszög alakú molekula. A szerkezete miatt rendkívül kemény anyag, ezért különböző nagy szilárdságú kompozitok előállítására is használják.

graphene-structure-img_assist-305x216
A grafén molekulaszerkezete. Forrás: graphene-info.com

Egy jó minőségű akkumulátor előállításához szükség van még vanádium-oxidra is szintén a katód elektródában. Ilyen módszerrel elméletben előállítható olyan akkumulátor, amit 20 másodperc alatt 90%-ra lehet tölteni. Sajnos a gyakorlatban nem sikerült még ilyen akkumulátort készíteni de a távoli jövőben lehet hogy épp a grafén hozza el a sokadik áttörést.

Összefoglalva

A felsoroltakon kívül még rengeteg más kémiai összetételű energiatárolóval próbálkoznak a tudósok. Közös jellemzőjük, hogy valamelyik paraméterükben messze alul maradnak a jelenleg használatban lévő Li-ion akkumulátorokkal szemben. Vegyük azonban figyelembe, hogy nem egyik napról a másikra lettek ilyen jók a lítiumion akkumulátorok sem. Több évtizedes fejlesztőmunka előzte meg a kereskedelmi forgalomban, megfizethető áron kapható lítiumakkumulátorokat és a fejlődés nem állt meg. Gondoljunk csak a Nissan LEAF-re, ahol ugyanabban a méretben először 24 kWh-ás, majd 30 kWh-ás, a modellfrissítés után pedig 40 kWh-ás akkumulátorcsomagot kínált a gyártó. Belátható időn belül érkezik a A LEAF 60 kWh-ás változata is, aminek feltehetően ugyanabban a csomagolásban fog helyet kapni az akkupakkja. Ez néhány év leforgása alatt két és félszeres kapacitásnövekedés azonos méretben, a teljesítménynövekedésről már nem is beszélve. Van tehát bőven fejlődési potenciál a jelenlegi technológiában is.

Ha viszont ezekből az ígéretes megoldásokból bármelyik olcsó tömeggyártása megvalósulna, az forradalmasítaná az elektromobilizációt. A jelenleginél háromszor nagyobb kapacitás, harmadannyi töltési idő és feleekkora előállítási költség lehetővé tenné, hogy az elektromos járművek minden szempontból felvegyék a versenyt a belsőégésű motorral (BÉM) szerelt járművekkel. Akkor már nem csak a tudatos környezetvédők, a korai elfogadók vagy a városi taxisok, hanem a hétköznapi ember olcsó közlekedési eszköze lehetne az elektromos autó.

A cikksorozat vezérfonalát a batteryuniversity.com anyagai adták. Akit mélyebben érdekel a téma, az ezen az oldalon (angolul) nagyon részletes ismereteket szerezhet az akkumulátorokról.

Elektromos autót használsz?

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!