A szilárdtest akkumulátor: megoldás vagy illúzió?
Akármilyen fórumon merül is fel az elektromos autók hatótávja, kapacitása vagy töltésgyorsasága, mindig szóba kerül a jövőbeli szilárdtest akkumulátorok eljövetele, amely rengeteg ma létező problémát megold majd a BEV-szegmensben.
Egyelőre azonban csak az ígéretekig jutottunk, ma sem tudunk szilárdtest akkumulátoros elektromos autót vásárolni.
Mi lehet a gond?
Alapvető hendikep
Fontos leszögeznünk, hogy az elektromos energia tárolása jelenleg semmilyen formában nem gazdaságos. Az elektromos akkumulátorok egy olyan feladatnak próbálnak megfelelni, amire igazán jó megoldás eddig soha nem született.
A személygépkocsik aspektusából is több probléma van a jelenlegi Li-ion technológiával. Kicsi az energiasűrűsége, ezáltan a szállítandó mennyiség térfogata nagy, a tömege pedig még nagyobb. Ez egy energiahatékonysági spirál, amiből nagyon nehéz kikerülni.
A töltés intézménye egy másik jogos kritika: a gyors töltés sem igazán gyors, és ha igazán gyors is lesz, az szemmel látható negatív hatással bír majd mind a lítium-ion, mind pedig a nikkel-fém hibrid akkumulátorok élettartamára.
A fejlesztők ezen fő problémákra keresik évek óta a megoldást, és egy rég fennálló ígéret ezek közül a szilárdtest akkumulátor.
Felépítés, összehasonlítás, anyagok
A szilárdtest akkumulátor olyan akkumulátor technológia, amely szilárd elektródákat és szilárd elektrolitot használ a lítium-ion vagy lítium-polimer akkumulátorokban található folyékony vagy polimer gél elektrolitok helyett.
Azt azonban senki ne higgye, hogy a technológia újkeletű. A szilárd elektrolitokat először a 19. században fedezték fel, ám számos hátránya megakadályozta a széles körű alkalmazást. A 20. század végén és a 21. század elején bekövetkezett fejlesztések a 2010-es évektől kezdődően új érdeklődést váltottak ki – pontosan az elektromos járművek vonatkozásában.
A szilárdtest akkumulátorok potenciális megoldást jelenthetnek a folyékony Li-ion akkumulátorok számos problémájára, például gyúlékonyságra, korlátozott feszültségre, instabil szilárd-elektrolit interfázisképződésre, gyenge ciklusteljesítményre és szilárdságra.
A szilárd akkumulátorokban szilárd elektrolitként való felhasználásra javasolt anyagok közé tartoznak a kerámiák (például oxidok, szulfidok, foszfátok) és a szilárd polimerek.
Abból kifolyólag, hogy a technológia nem új, sejthető, hogy gyakorlati alkalmazása is létezik.
A szilárdtest akkumulátorokat pacemakerekben, RFID-ben és hordható eszközökben használják. Potenciálisan biztonságosabbak, nagyobb energiasűrűséggel, de sokkal magasabb költséggel. A széles körű elterjedtség kihívásai közé tartozik az energia- és teljesítménysűrűség, a tartósság, az anyagköltségek, az érzékenység és a stabilitás.
Sokan elfelejtik, pedig nagyon lényeges szempont, hogy a folyékony elektrolitok túlnyomó többsége nem kimondottan környezetbarát anyag. Tény, a mai akkumulátorok anyagait – elméletileg – akár 90-95%-ban újra tudják hasznosítani, ez akkor sem elhanyagolható pont. Ha az akkumulátorok biztonságáról van szó akkor is vannak hátárnyai a ma használatos megoldásnak, mivel szivároghat, gyúlékony és a környezetbe kikerülve súlyos károkat okozhat. Belátható, hogy ilyen tekintetben is indokolt a jelenlegi technológia leváltása.
Laboratórium vs. valóság
Elméletben tehát nagyon jól hangzik a szilárdtest akku, viszont a gyakorlatban a kivitelezés közel sem olyan egyszerű, mint amilyennek tűnik.
A konstruálás során számos problémába ütköznek a fejlesztők.
Az egyik ékes példa a vezetőképesség. Egy évtizeddel ezelőtt még az volt az egyöntetű tudományos konszenzus, hogy a fent felsorolt anyagok közelítőleg két nagyságrenddel rosszabb vezetők, mint a folyékony elektrolitok. Ez ellen tenni kellett – a jelenben már közel sem ekkora a probléma, szinte megközelítették a konkurens folyadékok értékeit.
Ugyanez a helyzet a töltési ciklusokkal. Korábban kardinális problémát jelentett a használat közbeni, azaz hőmérséklet-változás hatására fellépő térfogatváltozás – ami egy a villanyautóknál népszerű NCA kémia esetén akár 10%-ot meghaladó érték is lehet – idővel tönkretette a szilárd elektrolitot.
Ma már laboratóriumi körülmények között 20 000-et is meghaladó ciklusszámot is képesek elérni.
És itt jönnek azok az akadályok, melyeket a mai napig képtelenek voltunk megugrani.
Ha rövidek akarunk lenni, akkor azt mondjuk, hogy a megfelelő gyártástechnológia jelenleg nem létezik.
A kerámialap, melyet az akkumulátorba kívánunk helyezni, rendkívül vékony kellene legyen, nagyjából két mikrométer, vagy az alatti vastagságú. Ez egy extrém vékony anyag – hasonlításképp egy A/4-es nyomtatópapír átlagosan 80 mikron vastag.
A laborokban ma működő kerámia vékonyréteget használó szilárdtest-akkumulátorok ezért sok esetben az ún. vékonyréteg-akkumulátorok közé tartoznak. Azaz laborkörülmények között meg tudták csinálni a megfelelő vastagságot – az anód, a szilárd elektrolit/szeparátor és a katód együttesen körülbelül 2 mikront tesz ki.
Hogy hol a probléma? Sajnos pont ugyanitt. Bármennyire is megfelelünk egy ilyen vékony kerámialappal a fenti kritériumnak, pontosan ez szüli a következő leküzdhetetlen problémát: egy ilyen vékony cellának nincs autós 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. Belátható, hogy ezzel minden előnyös tulajdonságát elveszítené a folyékony elektrolitos akkumulátorokkal szemben.
A kerámiák polimerre cserélése megoldhatná ezt, csakhogy akkor pedig az ionvezető képesség csorbulna, hiszen az sokkal rosszabb azonos feltételek mellett, mint a kerámiáké.
Lesz-e valaha ilyen autónk?
Koncepció szintjén már voltak próbálkozások – A Toyota 2021-ben állt elő az LQ Concept-tel, ám ez a jármű sem kerül sorozatgyártásba.
Bármennyire is tűnik utópiának jelenleg a szilárdtest-akkumulátor, kategorikusan nem lehet kizárni a jövőbeli sorozatgyártás lehetőségét.
A piac oldaláról a nyomás hatalmas, a kutatásokra szánt erőforrások egyre növekszenek, így még mindig reális esély mutatkozik, hogy néhány éven belül megtalálják a megfelelő gyártástechnológiát, és a szalonokban lévő autókba kerülhet a megoldás.
