Az akkumulátor technológiák fejlődése – honnan indultunk és hova tartunk?

Az akkumulátor fejlődése folyamán többször váltott irányt – cikkünkben a fő technológiák előnyös és hátrányos tulajdonságainak ismertetésével elemezzük a jelenleg már látható, közeljövőre vonatkozó tendenciákat.

Először is nézzük, hogyan működik egy akkumulátor. Feladata az elektromos áram termelése és elektrokémiai tárolása, amelyben elektromosan töltött részecskék áramlanak a negatív pólusról a pozitív pólusra, elektromos áram termelése céljából. A lemerülés során a tárolt energia elektromos energiává alakul át. A katód az akkumulátor pozitív oldala, míg az anód a negatív oldal. Az elektromos töltés áramlását a pozitív és a negatív oldal között az elektrolitnak nevezett oldat biztosítja.

Története egészen az 1800-as évek elejéig nyúlik vissza időben, megalkotása Alessandro Volta olasz fizikus nevéhez köthető. Az általa megalkotott galvánelem a mai szemmel tézve nagyon kezdetleges megoldást jelentett: réz-cink és kartoncsíkokból állt, amelyeket nyirkos bőr választott el egymástól. Az elmúlt kétszáz évben az akkumulátor rengeteg fejlődésen ment keresztül, mindennapi életünk elengedhetetlen részévé vált.

(stock fotó – pexels.com)

Lítium-ion technológia

Napjainkban a legszélesebb körben használt, 1990-es években szabadalmaztatott akkumulátortípus, amely fő alapanyaga a lítium, a grafit (anód), a kobalt, a nikkel és a mangán (katód). A nikkel feladata a nagy energiasűrűség biztosítása, a kobalt, a legértékesebb összetevő pedig a túlmelegedés visszaszorítását segíti elő. Lítium tárolására az anód és a katód egyaránt képes. A lítium-ion akkumulátor jelentős kapacitásvesztés nélkül akár kétezer feltöltés-lemerítés ciklust is képes elviselni. A napjainkban elérhető lítium-ion akkumulátorok 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 – jól látható tehát a növekvő tendencia az energiasűrűség terén, amely az akkumulátorok jellemző tömegének csökkenésével is jár. Kutatások zajlanak a grafit szilíciumra történő lecserélésére vonatkozóan is, mert az utóbbi anyag fajlagos kapacitása a grafiténak tízszerese. A szűkösen rendelkezésre álló lítiumból éves szinten 160 ezer tonnát termel ki és használ fel az emberiség, nagyrészt akkumulátorok gyártása céljából. A legnagyobb lítiumkitermelő országok közé tartozik Chile, Ausztrália, Kína és Argentína.

A lítium-ion akkumulátor piaci ára és térnyerése 1992-től (forrás: wikipedia.org)

Lítium-kén (Li-S) technológia

A lítium-kén technológia során katód anyagát lítium-fémoxidról lítium-kénre cserélik, amely által akár a 400 Wh/kg energiasűrűség is elérhetővé válik. A Li-ion akksiknál olcsóbb, mert a ritkaföldfémeket kénnel váltják ki, így az akkumulátorcsomag ára is sokkal kedvezőbbé válik. A kezdetleges változatokban a kénelektród gyorsan elbomlott a használat folyamán, amely hamar tönkretette az akkumulátort. A problémát az okozta, hogy a töltési-lemerülési ciklusok tágulással majd összezsugorodással járnak a kénelektród térfogatát tekintve és nem biztosítottak elég helyet az elektródnak a tágulásra. Ez feszültséget gerjesztett és repedés alakult ki.

Lítium-nikkel-mangán-kobalt-oxid (NMC) technológia

A mangán és lítium felhasználás növelésével, valamint a kobalt mennyiségének csökkentésével nagyobb energiasűrűség és nagyobb biztonság érhető el a konstrukcióban, hiszen a kobalt szintén rendkívül ritka – a globális készlet kétharmadát a Kongói Demokratikus Köztársaságban bányásszák.

Lítium-vas-foszfát (LFP) akkumulátorok

A Tesla és a Ford egyes járműveiben már a lítium-vas-foszfát akkumulátort használja (LFP), amely tartós, olcsó, viszont nem tud annyi energiát eltárolni, mint a Li-ion változat. Hátránya, hogy töltése hosszabb időt vesz igénybe, valamint teljesítményproblémák jelentkezhetnek fagypont alatti hőmérséklet beköszöntével. Az ilyen típusú akkumulátorokat alacsonyabb árú, rövidebb hatótávolságú modellekben célszerű használni – jelenleg taxikban, illetve buszokban alkalmazzák őket nagyobb számban.

Szilárdtest akkumulátor

A felsorolt technológiáknál nagyobb energiasűrűségű, gyorsabban tölthető és kevésbé gyulladásveszélyes műszaki megoldást takar, ám a lítium-ion akkumulátoroknál kisebb élettartammal rendelkezik. Nem tartalmaz egyáltalán folyékony elektrolitot, helyette vékony, szilárd elektrolitrétegek szállítják az ionokat, így nem kell tartani a szivárgástól. Az OEM-ek közül a Toyota, Volkswagen, a Ford, a BMW és a Hyundai foglalkozik a fejlesztésével. Tömeggyártására a becslések szerint legkorábban 5 éven belül kerülhet sor, amikorra is költségek szempontjából el kell érnie a lélektani 100 dollár/kWh-s határt, hogy versenyre kelhessen a lítium-ion technológiával. Napjainkban a prototípus a 400-500 Wh/kg energiasűrűségre laboratóriumi körülmények között már bizonyítottan képes – már csak a jelenlegi, Li-ion akksinál körülbelül nyolcszor nagyobb árán kell csiszolni.

Akkumulátor és elektromobilitás – ez lenne a jövő(nk)?

Ma az új elektromos autók árának negyedét az akkumulátor teszi ki – ez a piac nagyrészt ázsiai gyártók kezében van. Az OEM-ek törekednek arra, hogy ezt az alkatrészt is házon belül gyártsák le, csökkentve a függést a komplex beszállítói láncoktól, valamint a külső környezetből fakadó bizonytalanságoktól is. Az orosz-ukrán háború rákényszerítette a Volkswagent arra, hogy ideiglenesen leállítsa ideiglenesen a legnagyobb, elektromos autókat gyártó járműgyárát Zwickauban, mert az Ukrajnából beszállított alkatrészek ellátása a háború következtében instabillá vált.

Az árat azonban nem csak az beszállítói lánc lerövidítése fogja tudni mérsékelni a jövőben. Gyorsabban tölthető, több energia eltárolására képes, jobb hőmenedzsmenttel rendelkező akkumulátorok használatával a vásárlók is jobb esélyekkel fordulnak majd az elektromos autók irányába.

A technológia fejlesztése azonban nem minden – meglepő módon a dizájn fejlesztése is sokat segíthet. Jelenleg az akkucsomag 70%-át a burkolat, csomagolás és egyéb adalékok teszik ki, míg a ténylegesen energiatároló rész csak a 30%-ot. Erre jelenthet megoldást a cell-to-chassis dizájn, ahol a cellákat a jármű vázába integrálják direktben, külön akkucsomag nélkül.

Akkumulátor tipikus pozícionálása egy gördeszka padlólemez-kialakítás esetén (forrás: wikipedia.org)

A kutatások szerint azonban a lítium-ion technológia az elektromos autókban még sokáig velünk marad – ennek egyik oka az, hogy 2023-ban lépi át a kilowattóránkénti 100 USD-os árat. A másik ok pedig az akkucsomag tartóssága – egy manapság eladott elektromos autóban található akku jó eséllyel éli túl magát a járművet is.