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
auto
2024. 07. 25. csütörtök

Benéztek a Tesla boszorkánykonyhájába

elektromosautó-akkumulátor

Az akkugyártók általában hétpecsétes titokként őrzik titkaikat, így amikor véletlenül bejutunk egy-egy fejlesztőközpontba, vagy gyárba, az írott anyagnál csak annak listája hosszabb, amit nem közölhetünk le. Idén már sikerült elbeszélgetnünk a CATL hazai csapatával, ahol – még a fentiekkel együtt is – sok mindent elárultak az akkugyártás folyamatáról, sarokszámairól és technológiai lépéseiről. Hasonlóan sokat lehetett tanulni főszerkesztőnk svédországi utazásából, melynek során a Northvolt fejlesztőközpontjába, valamint új gyárába látogathattunk el. (Aki lemaradt ezekről az írásokról, az megtalálja a linkeket ebben a cikkben, a bekezdések között).

Nemrég a Tesla egyik fontos fejlesztőközpontjába jutott be az Electric Autonomy kanadai villanyautós oldal – ebből szemezgettük ki az érdekesebb részleteket.

Mérföldek

A Jeff Dahn Research Group a kanadai Dalhousie University egyik fontos, és a téma iránt érdeklődők által már biztosan ismert helyszíne. Dahn professzor egyetemi csapata az akkukutatás élvonalába tartozik, ami feltűnt a Teslának is. Az amerikai vállalat ezért már 2016 közepén szerződést kötött velük, mely szerint anyagi támogatásért cserébe az autógyártó akkufejlesztésének központi részévé vált a csapat.

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

A Northvolt titkos laborjában jártunk Svédországban

Ezen a ponton azonban, előszóként, mindenképp leszögeznénk egy fontos részletet. A különböző akku- és autógyártók részéről az évek során számos szenzációs bejelentést és jövendölést kaptunk, de kicsit olyan ez, mint a gyógyszerkutatás, ahol valami remekül működhet a laborban, vagy akár még az állatkísérletekben is, de nem biztos, hogy a humán pácienseken is segít. Az akkutechnológia esetén is mérföldek vannak a labor, a kisszériás próbaüzem (pilot), valamint a nagy volumenű sorozatgyártás között, és ennek a folyamatnak bármely lépcsőfokán elvérezhet egy áttörésnek ígérkező technológia. Gondoljunk csak a Toyota szilárdtest akkujára, vagy a Tesla 4680-as celláira. Előbbit évek óta jelentik be kétévmúlvára, utóbbinál pedig pontosan három évbe telt, mire a kísérleti gyártósoron megoldották azokat a gyermekbetegségeket, amelyek a tömeggyártás útjába álltak.

Így Dahn kutatócsoportjának eredményeit és kísérleteit is érdemes ilyen szűrőn át nézni.

Kompromisszumok játéka

Az akkufejlesztés leginkább a kompromisszumok játéka – nagyjából így lehet összefoglalni a kutatókkal készített interjú tanulságait. Már ma is tudnánk olyan akkut gyártani, amelynek a mostaninál lényegesen nagyobb energiasűrűsége lenne, de ennek élettartama nem lenne versenyképes. Valószínűleg olyan aksi is gyártható lenne, ami nagyon sokáig bírja, ellenben más kritériumon, a költségen, vagy a kapacitáson bukna el.

Az Electric Autonomy riportere Michael Metzgerrel, az akkukutatással foglalkozó egyetemi kar elnökével beszélgetett, aki körbevezette a laborban, és megmutatta milyen irányokban folynak a kutatások jelenleg. Az interjú most nyár végén készült, így elég friss technológiákról van szó.

Michael Metzger professzor. Forrás: Electric Autonomy

Metzger 2021 januárjában csatlakozott az egyetemi karhoz – ekkor újították meg a kutatócsoport és a Tesla ötéves szerződését. A villanyautós lap információ szerint, amikor Dahn professzor nyugdíjba vonul, ő lesz az egyik esélyes, aki utódként a helyére léphet.

A kutató elmondta, hogy a Teslával öt közös célt jelöltek ki az akkumulátorok terén, a költségek csökkentése mellett az energiasűrűség, a biztonság, az élettartam és a fenntarthatóság ismérveinek növelésén dolgoznak. Metzger az együttműködés előnyeként említi, hogy mivel hosszú távú finanszírozásuk az autógyártó révén biztosított, megengedhetik maguknak, hogy csak 2-3 évente publikálják eredményeiket, mert nem kell rendszeresen újabb és újabb bejelentésekkel forrásokat szerezniük. Mint elmondta, a fenti területek mindegyikén több csapat dolgozik.

Megmutatjuk a Scania frissen átadott új akkugyárát

Az akkucellákat forma alapján három kategóriába sorolhatjuk, és igazán nincsenek nagy talányok a hengeres, zacskós, vagy prizmatikus kialakítások körül, mindenki ezeket gyártja. A lényeg a bennük rejlő akkukémia. 2016-tól kezdve mintegy 500 különböző prototípuson dolgoztak, és a gyűjtemény, illetve az egyes cellák mellett található papírok adatai annyira titkosak, hogy fotózni sem engedték.

Prototípusok az asztalon. Forrás: Electric Autonomy

Amiről viszont – persze részletes adatok nélkül – képet is lőhettek, az a fejlesztés alatt álló kémiák prototípusainak 2×4 centiméteres kis cellái. A Tesla ilyen zacskós kivételű akkucellákat pont nem használ, mégsem lepődtünk meg az interjú ezen részletén, mivel tudjuk, hogy ez a kutatólaborok kedvelt formátuma az egyszerű gyártás miatt. A lényeg, ahogy mondták, a kémia, ami más fizikai formátumba is átültethető.

A jelenlegi egyik legfejlettebb cellájuk, a melyről Metzger azt mondja, valószínűleg a legjobb lítiumion akkumulátor, amit ma gyártani lehet, egy mindössze 3 mm vastag mintában volt a kezében. A katód összetételéről nem beszélt, de valószínűleg a ma használatos NMC, vagy a Tesla által preferált NCA kémiák egyike lehet.

Az áttörést az energiasűrűségben az anódhoz adott szilícium-karbid jelenti, amelynek köszönhetően annyi energiát tud tárolni ez a kis 3 mm vastag minta is, mint a mellette lévő jóval vastagabb LFP változat. Csakhogy persze adódik egy bökkenő, mégpedig az élettartam, amely még nem elégséges az új fejlesztésnél.

Metzger szerint a második legjobb cellájuk, az említett LFP variáns viszont már kiemelkedő élettartamot tesz lehetővé.

Az LFP – lítium-vas-foszfát – kémiát elsőként ugyanaz a John B. Goodenough alkotta meg, és védette le, aki a texasi egyetemen folytatott munkájáért pár éve Nobel-díjat kapott, mint a modern lítiumion akkumulátorok atyja. Később a University of Montreal, a Hydro-Quebec, és a francia CNRS kutatóintézet fejlesztett még kulcsfontosságú szabadalmakat hozzá. Csakhogy anno a világ akkugyártói nem érdeklődtek az LFP iránt, a fókusz a ma is használatos, nagyobb energiasűrűségű NMC cellákon volt, így senkitől nem zavartatva pár kínai akkugyártó biztosított magának egy 10 éves ingyenes licenct, azzal a feltétellel, hogy az aksikat csak Kínában gyártják. Emiatt senki nem tudott versenyezni a kínai cellákkal, így az ázsiai ország gyártói egyes számítások szerint ennek a piacnak a 95 százalékát uralják. Az LFP szabadalmak és a licenc megállapodások azonban 2022-ben kezdtek lejárni, így most elég sok autó és akkugyártó arra készül, hogy pár éven belül saját maga is elkezdje gyártani ezt a kémiát.

De természetesen a hagyományosabb NMC frontján sem állt meg a fejlesztés. Az egyik fő irány a Musk által csak egymillió-mérföldes cellaként emlegetett akku, amelyet Metzger szerint lassan illene átnevezni, mert a tesztpéldányok 19.500 ciklusnál (1 ciklus =~300 km) járnak, ami közelíti a hatmillió kilométert. A kutatók ennek hosszú távú tesztelése során egy furcsa jelenségre is figyelmesek lettek, ugyanis korábban azt gondolták, hogy az akkuk kapacitásának csökkenése, elhasználódásuk során egy egyirányú folyamat. Azonban a tesztelés alatt álló aksik közel ötmillió kilométernél elkezdtek javulni, kapacitásuk némileg nőtt.

Természetesen ezek laborkörülmények, nem képezik le egyértelműen a valós használatot, ezért a tesztelésre mesterségesen rásegítenek. A kutatások kimutatták, hogy a hideghez képest a magas hőmérséklet jóval károsabb az akkumulátorokra, így a tesztek alatt 100°C hőhatásnak is kiteszik a cellákat, hogy extrém körülményeket szimuláljanak.

Így gyárt akkut a CATL Debrecenben

De fejlesztik az internetet jelenleg izgalomban tartó nátriumion kémiát is. Ezzel kapcsolatban az egyik fő kihívás eddig a gyártástechnológia volt, ugyanis az alapanyagok nagyon érzékenyek a levegő páratartalmára, ami miatt speciális, igen száraz környezetben kellett gyártani a cellákat. Ez megnövelte a költségeket.

2023 elején azonban az egyik hallgatójuk, Dr. Libin Zhang, rájött, hogy ha két százaléknyi kalciumot ad az alapanyagokhoz, az megoldja ezt a problémát. A tesztek során a keverék még egy teljes hét után is stabil maradt, miközben normál körülmények között tárolták. Így a pára már nem okoz problémát a cellák tömeggyártásában.

Magad, uram

A kutatások során a legnagyobb kihívást eleinte az jelentette, hogy miként tudják rövid idő alatt hatékonyan szimulálni a több ezer, vagy tízezer ciklust, és a fokozott igénybevételt. A kutatók nyilván nem várhatnak éveket az eredményekre. Mindehhez azonban nem volt katalógusból megrendelhető berendezés.

2013-ban egy Chris Burns nevű hallgatójuk elégelte meg a hosszú távú tesztelés nehézségeit, ezért saját berendezést tervezett, ami egy „ultranagy pontosságú töltő” volt, és lehetővé tette a ciklusuk számának gyors növelését. Burns azóta már céget alapított, berendezését pedig az iparág számos szereplője használja.

A különböző akkukémiák aránya a villanyautókban. Forrás: BloombergNEF

Egy másik probléma az volt, hogy nem tudták megfelelően mérni és elemezni az akkuk egyik legnagyobb ellenségét, a gázképződést. A ciklusok ismétlődése során fellépő jelenségben a felszabaduló gázok kölcsönhatásba lépnek az akku más elemeivel és teljesen tönkre is tehetik azt. Ennek jobb megértéséhez éveken keresztül terveztek egy saját berendezést, amely még mindig építés alatt áll. Azt remélik tőle, hogy rá tudnak jönni pontosan mely hőfokok és feszültségek okozzák a gázképződést, és így később talán kiküszöbölhető lesz a jelenség.

Hogy mennyire része a szerencse is a kutatásnak, azt jól mutatja egy idei példa. Metzger egyik hallgatója észrevette, hogy a polcokon tárolt kísérleti cellák használaton kívül is merülnek, fellép az önkisülés jelensége – de nem értették miért. Az összes alkotóelem vizsgálata során arra jöttek rá, hogy az eddig jelentéktelennek tartott, általánosan használt zöld ragasztószalag a ludas, amely a kísérleti cellákat tartja össze. A PET palackok alapanyagát használó polietilén-tereftalát polimer szalag ugyanis reakcióba lépett az aktív anyagokkal és parazitaként merítette azokat.

A megoldás az lett, hogy polipropilén alapú szalagra váltottak, ami egyébként még vékonyabb és olcsóbb is, és elkerüli ezt a problémát. Ebből is iparági újítás születik.

BMW: a Tesla lemaradt tőlünk akkutechnológiában

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.