Ezt kell tudnod a szilárdtest-akkuról

Két héttel ezelőtt volt szerencsénk közel két órán át beszélgetni az akkumulátorok fejlődéséről, és a szilárdtest-aksik megoldatlan problémáiról  dr. Kun Róberttel, az ELKH Természettudományi Kutatóközpont tudományos főmunkatársával, akinek ez a téma a szakterülete.

Az interjú nagyon pozitív fogadtatásra talált nézőink/hallgatóink körében, a szilárdtest-akkumulátor pedig egy olyan téma, amivel nap mint nap találkozunk különböző gyártók sajtóközleményeiben, ezért a beszélgetés közvetlenül erről szóló 30 perces részét szerettük volna szélesebb körben, a Villanyóra törzsközönségén túl is népszerűsíteni.

Kapott hát egy külön videót a Villanyautósok.hu fő YouTube csatornáján.

Csak a gond van az elektrolittal

A szilárdtest-akkumulátor működési elve ugyanaz, mint a hagyományosnak, ugyanúgy van benne anód és katód, és lítium ionok vándorolnak a kettő között – kezdte magyarázatát dr. Kun Róbert. A ma használatos li-ion akkumulátorokban a két pólust egy vékony szeparátor fólia választja el egymástól, ami elektromosan szigetel, így az aksi belül nem zár rövidre, de átengedi a szerves oldószer alapú elektrolit ionjait, így lehetővé téve az energiatároló folyamatos működését, azaz töltését és kisütését.

A folyékony elektrolittal – amely többek között LiPF6 sót és egyéb „titkos” adalékokat tartalmazó szerves oldószerek (leginkább szerves karbonátok, mint etilén-karbonát (EC), dimetil-karbonát (DMC), dietil-karbonát (DEC), propilén-karbonát (PC), stb.) keveréke – azonban van több, nem elhanyagolható probléma. Először is nem a legegészségesebb, vagy környezetbarátabb anyagról van szó, és bár az aksik anyagait elméletben akár 90-95%-ban újra tudjuk hasznosítani, ez akkor sem egy jelentéktelen részlet. Ha az akkumulátorok biztonságáról van szó akkor is vannak hátárnyai a ma használatos megoldásnak, mivel szivároghat, gyúlékony és a környezetbe kikerülve súlyos károkat okozhat.

A megoldás természetesen a szilárdtest-akkumulátor, ahol a folyékony elektrolitot egy szilárd halmazállapotú anyagra cserélik, ami egyszerre tölti be a szeparátor és az elektrolit szerepét is. Elválasztja, szigeteli egymástól az anódot és a katódot, de a lítium ionokat átengedi.

A probléma csak az, hogy a szilárdtest-akku még leginkább csak laboratóriumi keretek között működik – állítsanak bármit is az optimista sajtóközlemények.

Balra a hagyományos folyadékelektrolitos akkumulátor. Jobbra a szilárdtest-aksi. Forrás: UCI egyetem.

Még az 5 mikron is túl vastag

Alapvetően három fajta anyagot használnak ma a kísérleti szilárdtest-akkumulátorok elektrolitjaként:

• Kerámiákat
• Üveges, amorf anyagokat
• Polimereket

Egy évtizeddel ezelőtt még az volt a tudományos konszenzus, hogy ezek az anyagok nagyjából két nagyságrenddel rosszabb ion vezetők, mint a folyékony elektrolitok, ezért először ezt a problémát kell megoldani. Ma már jelentős előrelépés történt ezen a téren.

Hasonlóképpen a ciklusszám növelésénél is ott tartunk már, hogy a ma használatosnál sokszor jobb paramétereket, 10-20 ezres ciklusszámot tudnak felmutatni a laborban gyártott példányok. Korábban az egyik fő gond az volt, hogy a használat közbeni térfogatváltozás – ami egy a villanyautóknál népszerű NCA kémia esetén akár 10% is lehet – idővel tönkretette a szilárd elektrolitot. Ezt úgy kell elképzelni, hogy a rendkívül vékony rétegben felvitt kerámia réteg elkezdett leválni a katód rétegéről, és az aksi elég hamar elhasználódott.

Ma az egyik fő probléma viszont a gyártástechnológia kérdése. Ha például egy képeslap méretű kerámialapot képzelünk el, akkor tudnánk már 5 mikrométeres vastagságú önhordó membránt is gyártani belőle, de még ez is borzasztóan vastag az akkumulátor energiasűrűségének szempontjából. Ideálisan ennél vékonyabbnak kellene lennie, hogy az anód és a katód még megfelelően szigetleve legyen egymástól, de az ionok áramlása már létrejöjjön. Hogy érzékeltessük a problémát: egy szokványos A/4-es lap 80 mikrométer és itt most arról beszélünk, hogy még az 5 mikrométer is túl sok.

A laborokban ma működő kerámia vékonyréteget használó szilárdtest-aksik ezért sok esetben az ún. vékonyréteg-akkumulátorok közé tartoznak. Ezt úgy kell elképzelni, hogy az anód, a szilárd elektrolit/szeparátor és a katód együttesen körülbelül 2 mikrométer vastagságú. Ezzel viszont pont ez a probléma – egy ilyen vékony cellának nincs gyakorlati felhasználás céljából értékelhető kapacitása, ezért ebből sokat kellene egymásra helyezni, ami viszont nagyon lerontja az energiasűrűséget, mivel túl sok inaktív, másként mondva felesleges anyag lenne a sok kicsi cellában. Ha kerámia helyett polimereket használunk az remekül megoldja ezt a problémát, mivel ezek rétegei laminálhatók, a kívánt vastagságúra növelhetők, csakhogy a polimerek ionvezető képessége sokkal rosszabb, mint a kerámiáé.

Mikor lesz ebből valami?

De így mikor lesz ebből megvásárolható termék? És hol fognak ezek először  megjelenni – elektromos kütyükben, drága rétegtermékekben, vagy azonnal az autókban? Ki látja ezt reálisabban, a Toyota, vagy a CATL? És egyáltalán, nem lehet, hogy egy magyar kutató egyszerűen csak nem tud róla, hogy már évekkel a világ előtt járnak valami nagy autógyár titkos laborjában?

Ezekről, és még egyéb érdekes részletekről is szó esik a 30 perces részletben, ami megtalálható itt a cikk alján. Akit pedig az egész beszélgetés érdekel, az megnézheti, vagy meghallgathatja a teljes 1 óra 50 percet a Villanyóra 109. adásában.

Biró Balázs

A fenntartható közlekedés elkötelezett híve, akit elsősorban a Tesla céltudatos és piacot felforgató tevékenysége rántott magával ebbe a világba, így publikációi elsősorban erre a területre koncentrálnak.