Töltés 5 perc alatt, tartósabb akkumulátor – hatalmas a fejlesztői verseny

Az elektromos áram tárolása századunk egyik legnagyobb kihívása. Segíti, hogy tisztán megújuló energiával termeljünk áramot, elősegíti az energiahasználat különféle módjainak – fűtés, közlekedés, ipar – átállítását éghajlatromboló fosszilis forrásokról elektromosra. A villanyautók nélkülözhetetlen alkatrésze is, ezért hatalmas verseny folyik az akkumulátorok tökéletesítése érdekében. Sok kis startup mellett olyan óriások is lehetőséget látnak benne, mint például a BP. Egy csokornyit gyűjtöttünk össze a legfrissebb újdonságokból.

A katód védelme oxidatív kémiai páralecsapódás technikájával (ábra: U.S. Department of Energy’s Argonne National Laboratory)

Az Egyesült Államok Energiahivatalának Argonne Nemzeti Laboratóriuma fejlesztett ki egy új eljárást, amely a lítium-ion akkumulátorok katódját védi. A kifejlesztett oxidatív kémiai páralecsapódás technikája egyszerre küszöböli ki az akkumulátorok több gyenge pontját. A nikkel-mangán-kobalt (NMC) katód részecskéit kéntartalmú műanyaggal, PEDOT-tal vonták be. Ez egy védő réteget képez a katódon, amely töltéskor és kisütéskor védi azt az elektrolittól. A hagyományos védő rétegek csak a külső burkolatát védik a katódnak, amely mikron méretű részecskékből áll, és sérülékeny marad a belseje, megrepedhet. A PEDOT burkolat szétválasztja a katód részecskéit, így további védő burkot képez belül is. Továbbá a PEDOT megakadályozza a nemkívánatos kémiai reakciókat az elektrolit és az akkumulátor többi része között, miközben a lítium ionok és elektronok mozgását nem akadályozza. Ugyanakkor gátolja a katód leépülését, a kémiai átalakulást spinellé. További jó tulajdonsága, hogy töltés során elnyomja az oxigén felszabadulását, amely az NMC katód fő ellensége. A kutatók szerint a bevonat lehetővé teszi a nagyobb feszültségű és tartósabb akkumulátorok gyártását.

5 perces villámtöltés, egyenlőre csak robogón (fotó: StoreDot)

Az izraeli StoreDot, háttérben a BP támogatásával újfajta elektrolitokat fejleszt és nano anyagokat használ a lítium-ion akkumulátorokban. Az új anyagokkal 5 perc alatt feltölthető akkumulátort készített. Néhány napja a töltés sebességét egy elektromos robogón demonstrálták. A Torrot gyártója az eredeti akkumulátorra 4 órás töltési időt ad meg, a StoreDot akkumulátorával ez mindössze 5 percig tartott. A StoreDot ultragyors töltéstechnológiája lehetővé tenné, hogy a villanyautókat gyorsabban töltsük mint ameddig dízel és benzines társaik tankolása tart. A cég 2022-ben már árusítani szeretné az akkumulátorokat. Következő bemutatóján egy saját akkumulátoraival szerelt villanyautót szeretne feltölteni 500 kilométerre elegendő árammal 5 percen belül. A BP támogatásával olyan gyártókkal szövetkezik az ultragyors töltés kifejlesztésére, mint a Samsung és a Daimler.

Félfolyékony anód szilárd lítium fólia helyett. (fotó: Carnegie Mellon University)

A Carnegie Mellon Egyetem kutatói félfolyékony lítium alapú anódot fejlesztettek ki, amely teljesen új megvilágításba helyezi az akkumulátortervezést. Az ilyen elektródával készülő akkumulátorok nagyobb kapacitásúak, biztonságosabbak, mint a szilárd fém alapú akkumulátorok, amelyekben lítium fóliát alkalmaznak anódként. Utóbbinál úgynevezett dendritek nőnek a lítium elektróda felületén. A dendritek átszúrhatják a membránt, ami a két elektródát elválasztja, ez rövidre zárja az anódot és a katódot, rosszabb esetben kigyullad az akkumulátor. Erre az egyik megoldás, hogy a folyékony elektrolitot szilárd kerámiára cseréljük, ez már elég erős, hogy ellenálljon a dendriteknek. De rájöttek a kutatók, hogy a szilárd kerámia és a szilárd lítium között nincs elegendő érintkező felület, így a tárolható és szolgáltatható áram mennyisége csekély. Ezt az egyetem két doktorandusza Sipei Li és Han Wang úgy hidalták át, hogy félfolyékony anódot készítettek. Az új anód műanyag-karbon kompozit mátrix, amely lítium mikrorészecskéket tartalmaz egyenletesen eloszlatva. A félfolyékony anód és szilárd gránát kerámia felhasználásával olyan cellát készítettek, amelynek energiasűrűsége tízszerese a hagyományos elektrolitot és lítium fóliát tartalmazónak. Ennek a cellának az élettartama is lényegesen hosszabb, mint a hagyományos celláké.

Vas-trifluorid katód, amely háromszoros kapacitást ígér. (Ábra: BNL)

Az Egyesült Államok Energiahivatalának Brookhaven Nemzeti Laboratóriuma több fejlesztésen is dolgozik. Ha összehasonlítjuk a hagyományos lítium-ion akkumulátorokban alkalmazott grafit anód kapacitását, a katód kapacitása sokkal korlátozottabb, ez a szűk keresztmetszet a fejlesztésnél általában. A Maryland-i Egyetemmel közös kutatásban új katód anyagot állítottak elő, módosított és áttervezett vas-trifluoridot (FeF3), amely környezetterhelés szempontjából kevésbé kritikus. Azért érdekelte őket a FeF3 használata, mert eredendően nagyobb kapacitású, mint más katód anyagok. A lítium-ion akkumulátor hagyományosan interkalációs kémián alapul, ez a típusú kémiai reakció nagyon hatékony, annak ellenére, hogy csak egyetlen elektron szállítódik, ezért a katód kapacitása korlátozott. Bizonyos anyagok, mint a FeF3 képesek több elektront szállítani, egy sokkal komplexebb reakció keretében, amelyet konverziós reakciónak hívnak. Annak ellenére, hogy a FeF3 megnöveli a katód kapacitását, három ok miatt nem működött jól a lítium-ion akkumulátorokban: alacsony energiahatékonyság, lassú reakcióidő és mellékreakciók, amelyek csökkentik az élettartamot. A tudósok úgy lettek úrrá ezeken a problémákon, hogy kobalt és oxigén atomokat adtak FeF3 nano rudakhoz kémiai helyettesítésnek nevezett folyamatban. Így módosították a reakciót, hogy visszafordíthatóbbá tegyék. Ezután elektronmikroszkóppal és röntgen diffrakcióval vizsgálták a nano rudak viselkedését a töltés-kisütés hatására, végül számításokat végeztek, hogy elemezzék a reakciókat atomi méretben. Kiderült, hogy a vas részecskék méretének csökkentése nagyban növeli a reakció visszafordíthatóságát és ezzel a jövőbeli akkumulátorok tartósságát.

Szerves kénvegyületek vizsgálata nagy energiájú röntgensugarakkal. Ígéretes akkumulátor katód. (fotó: BNL)

A Brookhaven Nemzeti Laboratórium egy másik kutatása kén alapú szerves katódokra irányul, melyek olcsó, nagy kapacitású és környezetkímélő akkumulátorok gyártását teszik lehetővé. A kén nagy tömegben elérhető, olcsó nyersanyag, sokféle kémiai kötésre képes, lítiummal is, ráadásul lényegesen könnyebb, mint más katód anyagok. A kutatók szándékosan egy olyan szerves kén vegyületet választottak, amely nem tartalmaz nehézfémeket, mint a tipikus lítium-ion akkumulátorokban van. A töltés-kisütésnél azonban a kén feloldódhat az elektrolitban, és szétoszlik az akkumulátorban visszafordíthatatlan reakciókat okozva. Ezért kétféle nagy teljesítményű röntgen vizsgálati módszerrel töltés-kisütés közben, atomi méretekben vizsgálták az egyes anyagok viselkedését. Rájöttek, hogy egy karbonil csoport a vegyületben nem csak a gyors töltést befolyásolja, de extra kapacitást is biztosít.

A folyékony akkumulátor sematikus ábrája. (ábra: everipedia.org)

A Harvard Egyetemen más méretben gondolkodnak, a megújuló energiaforrások termelésének raktározását szerves folyékony akkumulátorokkal igyekeznek megoldani. Ennek az alapja az antrakinon, mely olcsó és hatalmas kapacitású akkumulátorok létrehozását tenné lehetővé. Sajnos a kísérletek során lassan lebomlott a vegyület. Rájöttek, hogy az antrakinon hajlamos feltöltött állapotban elhagyni az egyik oxigén atomját, ezzel láncreakciót elindítva, lebontva az energiatároló közeget. Viszont ha a töltés-kisütés megfelelő időpontjában levegőztetik, visszanyeri eredeti állapotát. Arra is rájöttek, hogy a túltöltés is gyorsítja a molekula lebomlását. Kísérleteik során összességében negyvenszeresére növelték az akkumulátor élettartamát.

A kálium-oxigén akkumulátor membrán szerkezete (ábra: OSU)

Az Ohio Állami Egyetemen szintén a megújuló energiával termelt áram tárolásán dolgoznak, a kálium-oxigén akkumulátor tökéletesítésén. A technológia olcsósága miatt vonzó, de magasabb a hatásfoka mint a lítium-oxigén akkumulátoroké, ugyanakkor kétszer annyi energiát tárolható, mint lítium-ion technológiával. Eddig azért nem terjedtek el, mert a kutatók hiába futottak neki az előállításának, 5-10 töltési ciklus után tönkrement, az oxigén bejutott az anódba és radikálisan csökkentette a tárolható áram mennyiségét. Paul Gilmore doktorandusz rájött, ha műanyaggal szeparálják el a katódot, az megvédi az anódot az oxigéntől. Ugyanakkor a műanyag duzzadása is kulcsszerepet játszott. A legnehezebben azt oldották meg, hogy az oxigén bejusson az akkumulátorba, ugyanakkor ne szivárogjon be az anódba. Az új megoldás hasonlít az emberi tüdő működésére, a levegő bejut az akkumulátorba szénszálas rétegen keresztül, aztán találkozik egy második réteggel, amely kevésbé áteresztő, majd a harmadik réteg alig porózus. Ez a harmadik réteg vezetőképes műanyagból készült, lehetővé teszi, hogy a kálium ionok a katódba vándoroljanak, de kizárja az oxigént, hogy bejusson az anódba. Így már legalább 125-ször tölthető az akkumulátor, tizenkétszeresére növelve az élettartamát mint a korábbi olcsó elektrolitokkal. A kísérlet bemutatta, hogy az elv működik, de még nem volt lehetőségük rá, hogy ezt ipari méretekben kipróbálják. Ezzel elkerülhető lenne olyan konfliktusos ásványok bányászata, mint a kobalt.

Az új membrán olcsóbb elektrolit használatát teszi lehetővé, ezzel már nagyon is piacképes a kálium-oxigén akkumulátor. (ábra: OSU)

A kálium-oxigén akkumulátor olcsó is, 43 dollár egy kilowattóra tárolása, míg ez lítium-ionnál 100 dollárba kerül. Ez megnyithatja az utat a nagy energiatározó rendszerek felé.

Az akkumulátorok kigyulladása nagyon ritka, de sérülésük esetén előfordulhat.

Az amerikai Rochesterben székelő NOHMs olyan elektrolitok gyártásával foglalkozik, melyek egyrészt megszüntetik a tűzveszélyt lítium-ion akkumulátoroknál, másrészt jelentősen növeli a cellafeszültséget és az élettartamot. Az akkumulátor cellák gyulladása fizikai sérülés esetén fordulhat elő, például ha átszúrja egy tárgy, a NOHMs elektrolitjával ez nem fordul elő, mert felmelegszik ugyan az akkumulátor, de nem gyullad ki. A másik elektrolitjuk magasabb feszültségen sem károsítja az NMC cellák katódjait. Ez lehetővé teszi, hogy akár 4,5 Volt feszültségig töltsük a cellákat, 20 százalékkal növelve a kapacitást, miközben a cella élettartama négyszeresére nő.

Nincs melegedés, megnövelt ciklusszám, nem gyullad sérülés esetén. (fotó: LithiumWerks)

A holland LithiumWerks a lítium-vas-foszfát akkumulátorokat fejlesztette tovább. A lítium-vas-foszfát katódot nanotechnológiával módosították, ezzel stabilabbá vált, nem oxidálódik, jobb a vezetőképessége. Az eljárást karbotermál redukciónak hívják és hatékonyan átalakítja a Fe3+ ionokat Fe2+ ionokká. 200 vevőt szolgálnak ki a technológia átadásával világszerte, 2018 év végéig 200 millió cella viseli magán az innovációjuk nyomát.

Olcsó és biztonságos alternatívát nyújt a nátrium-ion akkumulátor. (fotó: Faradion)

Az angol Faradion a nátrium-ion akkumulátorok fejlesztését tűzte ki célul, a 140 Wh/kg kapacitású akkumulátorok hatalmas előnye, hogy nullától 4,3 Voltig terjed a cellafeszültség, ami sokkal biztonságosabb üzemet tesz lehetővé. Az akkumulátor előnyét olcsósága adja, ugyanakkor az ólom-savas akkumulátoroknál jobb a hatásfoka (70% helyett 92%), több száz, de akár ezer töltési ciklust teljesít a használat függvényében. A hőmérsékletre kevésbé érzékeny, -20-tól 60°C-ig működőképes. Eddig kisebb alkalmazásoknál tesztelték, mint elektromos kerékpár, de autós alkalmazását is célba vették. Alkalmas nagy léptékű energiatároló rendszerek építésére is. A nátrium-ion akkumulátor nem tartalmaz kobaltot, lítiumot és rezet, így ezek világpiaci árától nem függ az ára, mely 30%-kal olcsóbb, mint a lítium-ion akkumulátoroké. Az alacsony árhoz hozzájárul az olcsó elektrolit és az alumínium elektródák használata. Az akku biztonsága is magasabb szintet üt meg, átszúrva nem gyullad ki, illetve teljesen kisütött, feszültség nélküli állapotban is szállítható, míg ez a lítium-ion cellákra nem igaz.

Lenkei Péter