Erre tart most az akkumulátorfejlesztés

A koronavírus miatt tavasz óta halogatják a Tesla Battery Day nevű eseményt, de már csak néhány nap és kiderül, hogy bejelentenek-e valami igazán komolyat, valódi áttörést, vagy „csak” egy hajszállal jobb a mostantól gyártott Tesla akku.

Az esemény kapcsán a portfolio.hu készített egy tartalmas, szakmai, mégis a témát kevésbé mélyen ismerők számára is érthető interjút Kun Róberttel, a Természettudományi Kutatóközpont Anyag- és Környezetkémiai Intézet Szilárdtest Energiatárolók Kutatócsoportjának vezetőjével.

Az interjú első szakaszából megtudhatjuk, mire képesek a mai lítium-ion akkumulátorok a korábbi technológiákhoz viszonyítva. Az aksik energiasűrűsége egy járműnél létfontosságú, hiszen nem mindegy, hogy mekkora súlyt kell magunkkal cipelni. Cella (tehát nem akkupakk) szinten a jelenlegi li-ion akkumulátorok jellemző energiasűrűsége 250 Wh/kg, míg a korábbi NiMH akkuk 80-90 Wh/kg, egy modern savas ólomakkumulátor pedig csupán 40-60 Wh/kg értékkel bír.

A küszöbön áll a harmadik és negyedik generációs li-ion akkuk megjelenése, ami gyakorlatilag annyit tesz, hogy a laboratóriumi kísérletek egyre inkább biztatók, de ezek sorozatgyártása 5-10 éven belül lehet rentábilis. A harmadik generáció azt jelenti, hogy a jelenleg használt  grafit anódot és Li-átmenetifém-oxid, vagy lítium-vas-foszfát katódot először részben (grafit/nanoszilíciu keverék), később teljesen szilíciumra cserélik. Ennek előnye, hogy míg a grafit fajlagos kapacitása 372 mAh/g, addig a szilíciumé ennek kb. 10-szerese, tehát azonos kapacitáshoz tized annyi anyagra van szükség, ezáltal a cellák energiasűrűsége 300-350 Wh/kg közé emelkedhet. Persze ha ez ennyire egyszerű lenne, már ma is szilícium anódot alkalmaznának, egyelőre azonban a kutatók a szilícium hátrányainak kiküszöbölésén dolgoznak.

Egy másik kutatási terület a pozitív elektród anyagainak Li-fémoxidokról úgynevezett konverziós-típusú elektródokra cserélése, melyek közül a leginkább ígéretes a lítium-kén (Li-S) rendszer. A jelenlegi fejlesztési ütemből kiindulva néhány éven belül elérhető cella szinten a 450-500 Wh/kg érték is, amely összecseng Elon Musk korábbi nyilatkozatával, amelyben 3-4 év múlva 400 Wh/kg energiasűrűséget ígért.

EZT OLVASTAD MÁR?  40 ezer dolláros villanyautót épít a Fisker

Kun Róbert a sokak számára szent grálként csengő szilárdtest akkumulátorokról is beszélt. Először is röviden kifejtette mit jelent a szilárdtest akku. Ezeknél elhagyható a szeparátor fólia és az elektrolit oldószere, így a szilárdtest akku sokkal biztonságosabb, mivel nincs benne gyúlékony szerves elektrolit, így a biztonsági elemekre sincs szükség. A megoldás lényegéből fakadóan nem kell tartani az elektrolit szivárgásától, az intenzív gázfejlődéstől vagy a cella felnyílástól. Az eltérő felépülésnek köszönhetően a cella csomagolása is egyszerűsödhet. A jelenleg prototípus szinten 400-500 Wh/kg energiasűrűséget kínáló megoldások laboratóriumban már működnek, és néhány év múlva tömeggyártásban is megjelenhetnek. A nagyobb energiasűrűség mellett további előnye a gyorsabb tölthetőség és a hosszabb ciklus-élettartam is, mivel az ilyen akkumulátorok esetében a nagy töltési teljesítmény kevésbé károsítja az akkut, mint egy folyékony elektrolitos cellát.

A közelmúltban 1 millió mérföldes akkuként elhíresült egy tanulmány, amely Jeff Dahn csapatához köthető, akikre a Tesla „házi” akku kutatóiként szoktunk tekinteni. Kun Róbert elmondta, hogy Jeff Dahn, aki világszinten elismert szaktekintély a li-ion cellák öregedésvizsgálatának területén, nem a szilárdtest akkumulátorok, hanem a jelenlegi folyékony elektrolitos cellák tökéletesítésével foglalkozik. Ezeknél bár a degradációs folyamatok feltárása és megértése révén tovább optimalizálható a cella és foglalkoznak alternatív cellakoncepciók kialakításával és tesztelésével is, drasztikus áttörésre és újdonságra nem igazán számíthatunk.

Az interjú tisztázta azt is, hogy mit jelent a Jeff Dahn csapata által publikált anód-mentes cella. Természetesen nem arról van szó, hogy ezekben a cellákban nincs anód, vagyis ez csak részben igaz. A megoldás lényege, hogy a gyártás során valóban nem építenek be anódot, azonban a használatba vételt követően a legelső töltési ciklusnál a pozitív elektród anyagából (amely ez esetben NMC532) elektrokémiai reakció során a cellában található réz fólián alakul ki az anód.

Ha már a Tesla körüli fogalmak tisztázására terelődött a beszélgetés, a kutató egy szemléletes példával magyarázta azt is, hogy mit jelent az Akku nap meghívóján szereplő sejtelmes fotó alapján közbeszéd tárgyává előlépett „fül nélküli” (tabless) megoldás. A fejlesztés lényege, hogy az elektród réz fóliája nem egy érintkező fülön kapcsolódik a hengeres cella negatív termináljához, hanem a felcsévélt elektródszalag teljes hosszában. Kun Róbert laikusok számára azt a hasonlatot hozta fel, hogy képzeljünk egy focipályát, amit szeretnénk emberekkel megtölteni. A hagyományos megoldásnál egy szűk kapun mehetnek be az emberek, míg a fül nélküli cellánál a teljes oldalvonalon szabadon közlekedhetünk.

EZT OLVASTAD MÁR?  1 perc alatt feltölthető akkut ígér Fisker

A megoldás előnye a kevesebb gyártás közbeni hibalehetőség, amely nem csak a selejtes cellák számát csökkenti, de az alkalmazás során is kisebb valószínűséggel megy tönkre egy cella. Az elektronok elvezetése felgyorsul, csökken tehát az elektromos ellenállás, ennek következtében kisebb lesz a hőfejlődés, amely jótékony hatással van a cellák öregedésére. A megoldás előnye tehát az olcsóbb és egyszerűbb gyártás, az energiasűrűség növelése és a cellák élettartamának növekedése is.

Akit érdekel a téma mindenképp olvassa el a teljes interjút, az igazán elhivatottak pedig az interneten követhetik majd a Battery Day bejelentéseit a Tesla részvényeseknek tartott közgyűlésén, amelyet szeptember 22-én tartanak, helyi idő szerint 13:30-kor, ami nálunk 22:30-at jelent.

Elektromos autót használsz?