Az elektromobilitás irányába történő elmozdulás őrült összegeket emészt fel az autóiparban, a kutatás és fejlesztések jelentős hányada koncentrál az akkumulátorgyártásra, a szektor meghatározó szereplőit és az új belépőket ugyanaz a cél vezérli: a legalacsonyabb költségek mellett a leghatékonyabb berendezéseket előállítani. Hol tart most a világ, melyik a legjobb akkumulátortechnológia a piacon?
Valamennyi újratölthető, azaz az úgynevezett szekunder elektrokémiai energiatárolók közül a Li-ion technológia előretörése, gyors elterjedése és napjainkra kvázi egyeduralma figyelhető meg. A hegemónia magyarázata a megoldás óriási előnye: hogy valamennyi újratölthető rendszer közül ez a technológia biztosítja a legmagasabb energiasűrűséget, amely napjainkra, szigorúan az akkumulátorcellák szintjén, eléri a 250 Wh/kg fajlagos értéket. Ez különösen az úgynevezett mobil alkalmazásoknál nagyon fontos paraméter, mint amilyenek például az elektromos autók, vagy a hordozható elektronikai eszközök. Összehasonlításképpen, egy modern ólomsav akkumulátor 40-60 Wh/kg értéke, vagy egy nikkel-metálhidrid (NiMH) akku 80-90 Wh/kg értékei jónak mondhatók a maguk nemében, de ez messze elmarad a Li-ion akkumulátorok által szolgáltatott energiasűrűség értékektől.
Melyek az új trendek, a legígéretesebb fejlesztési irányok a Li-ion akkumulátorok területén?
Napjainkban az úgynevezett második generációs Li-ion akkumulátorokat használjuk, melyek grafit anódot és Li-átmenetifém-oxid, vagy lítium-vas-foszfát katódot tartalmaznak. A prognózisok szerint a harmadik generációs Li-ion akkumulátorokban a grafit anódot szilíciumra (Si) kívánják cserélni, először csak részben (grafit/nanoszilíciu keverék), majd tisztán szilícium alapú lenne az anód. Ennek magyarázata, hogy míg a grafit fajlagos kapacitása 372 mAh/g, addig a szilíciumé ennek kb. 10-szerese, vagyis durván 3800 mAh/g. Ennek a gyakorlati eredménye az, hogy ugyanakkora fajlagos kapacitás biztosításához tized annyi anyagra van szükség, ami a cellák energiasűrűségét emelhetné tovább a nagyjából 300-350 Wh/kg régióba. Igaz, a szilíciumnak, mint elektródaktív anyagnak is vannak hátrányai, melyek csökkentésén fáradoznak a kutatók napjainkban is.
5-10 éves időhorizontot tekintve pedig megjelenhetnek az első, szélesebb vásárlói körben is elérhető szilárdtest Li-ion akkumulátorok.
Ezek és egyéb további fejlesztések jelentenék a negyedik generációs akkumulátorokat. Itt kell megjegyezni, hogy a kutatók világszerte foglalkoznak a kérdéssel, hogy miként lehetne a pozitív elektród anyagait a korábban említett Li-fémoxidoktól eltérő, úgynevezett konverziós-típusú elektródokra cserélni. Ilyen kutatások zajlanak a mi intézetünkben is. Ezek közül a legígéretesebb a lítium-kén (Li-S) rendszer. A most még felróható hibái ellenére a kén, mint pozitív elektród aktív anyag számos előnyt biztosítana, sőt nátrium-ion (Na-S) akkumulátorokban is használható, melyek a telepített energiatárolók területén lehet érdekes és releváns. Ha az akkumulátor-fejlesztések ilyen ütemben haladnak tovább, akkor néhány éven belül elérhetjük a 450-500 Wh/kg célértéket, cellaszinten.
Ezek az új technológiák az anód és a katód oldalán, valamint az elektrolit esetében milyen anyagok elhagyására, alkalmazására építenek?
Amennyiben folyadék-elektrolittal készített Li-ion cellákról beszélünk, ilyenek a mai Li-ion akkumulátorok, akkor anyagok elhagyására nincs mód. Az elektrokémiailag inaktív és az aktív komponensek egyaránt fontosak ahhoz, hogy biztonságosan működő akkumulátor cellát építsünk. Ha viszont a szilárdtest akkumulátorok irányába megyünk, akkor elhagyhatók olyan komponensek, mint a szeparátor fólia, az elektrolit oldószere. És mivel ezek az akkumulátorok sokkal biztonságosabbak, hiszen nincs bennük gyúlékony szerves elektrolit, a biztonsági elemek is eliminálhatók. A cella csomagolása is egyszerűsödhet, mert egy szilárdtest akkumulátor másképp épül fel, mint egy folyadékelektrolitos, sőt az előbbiekből még az elektrolit szivárgásától, intenzív gázfejlődéstől, cella felnyílástól sem kell tartani.
Az igazán nagy technológiai ugrást tehát a szilárdtest akkumulátorok tömeggyártásban történő megjelenése jelentené, miért?
A szilárdtest akkumulátorokhoz nagy reményeket fűznek a kutatók. Elméleti számolások megmutatták, sőt prototípus cellákkal már demonstrálták, hogy a 400-500 Wh/kg energiasűrűség valóban realizálható. Tehát a magasabb energiasűrűség, például az elektromos autók esetében nagyobb hatótávolságot jelentene, emellett a gyorsabb töltési sebesség, hosszabb ciklus élettartam is realitássá válhatna úgy, hogy a gyorstöltés nem roncsolná az akkumulátorokat olyan mértékben, mint a folyadékelektrolitos cellákat.
Az akkumulátorgyártásban a Panasonic-kal szorosan együttműködő Tesla már eddig is a piac előtt járt a gyártási költségek lefaragása, az energiasűrűség és a hatótávolság növelése tekintetében. A fentiek fényében mennyire nagy vállalás, amikor Elon Musk azt ígéri, hogy 3-4 év múlva 400 Wh/kg-os akkumulátorral rukkol elő?
Amennyiben cellaszinten és nem modulszinten értjük, akkor a 400 Wh/kg fajlagos energiasűrűség mindenképpen vállalható és reális célérték. Laboratóriumi körülmények között ma is képesek vagyunk ilyen mutatóval rendelkező cellákat készíteni. Itt a legfontosabb kérdés az, hogy ezek a ma még „kísérleti” vagy prototípus cellák 3-4 éven belül nagyszériás gyártásba tudnak-e kerülni. Ha az anyagok és a cella-koncepciók fejlesztése és optimalizálása mellett ugyanolyan intenzíven foglalkoznak majd az újgenerációs akkumulátorok gyártástechnológiájával, a gyártás gazdasági aspektusaival, akkor akár 2024-2025-re megvalósítható a kitűzött cél.
Miért fontos kihangsúlyozni a cella-, illetve modulszinten értendő energiasűrűség értékeket?
Ha elméleti síkon, papíron kiszámoljuk, hogy mekkora energiasűrűséget szolgáltat(na) egy kémiai reakció, akkor számolnunk kell azzal, hogy amint azt egy működőképes műszaki eszközben, például gyakorlati Li-ion akkumulátorban valósítjuk meg energiatárolás céljára, akkor a cellába integrált elektrokémiailag inaktív szerkezeti és egyéb komponensek miatt közel 50-60%-át elveszítjük ennek az értéknek. Amennyiben ezekből a cellákból egy sokcellás modult, vagy akkumulátor pakkot állítunk össze, akkor kedvezőtlen esetben, a további modul komponensek integrálása miatt, még ennek a „maradéknak” a további 45-55%-át is elveszíthetjük.
Bár sok iparági szereplő véli úgy, hogy a következő technológiai ugrást a szilárdtest akkumulátor megjelenése jelenti majd, Jeff Dahn és a Tesla más véleményen van.
Jeff Dahnról, aki csapatával 2016 júniusa óta fejleszt akkumulátorokat a Teslával közösen, tudni kell, hogy világszinten elismert szaktekintély, ami a Li-ion cellák úgynevezett öregedésvizsgálatait illeti. Dahn több évtizedes munkásságának döntő hányada a folyadék elektrolitos, azaz a klasszikus Li-ion cellák vizsgálatával, fejlesztésével, optimalizálásával foglalkozik. Dahn csapatával leginkább a klasszikus, folyadékelektrolitos cellákban lejátszódó degradációs folyamatok feltárása és megértése révén próbálja optimalizálni és tovább gondolni e rendszereket. Foglalkoznak alternatív cellakoncepciók kialakításával és tesztelésével is, és mindezt úgy teszik, hogy optimalizált összetételű folyadékelektrolitokat használnak celláikban, viszont drasztikus újításokat nem alkalmaznak az elektródok anyagában.
Dahn és csapata tavaly nyáron jelentetett megy egy publikációt, amelyben egy olyan akkumulátorról írnak, amely ideális esetben 20 évig képes tárolni az energiát és 1 millió mérföld megtételét teszi lehetővé az életciklusa alatt.
Valóban ez az egyik fontos mondanivalója a tanulmánynak, melyben a NMC532, azaz a Li[Ni0.5Mn0.3Co0.2]O2/grafit cellát teszteltek hosszú, 3 éves kísérletsorozatban, különféle folyadékelektrolitokat alkalmazva.
Mindenesetre higgadtan kell értelmezni és fogadni az ilyen publikációkat, mert ugyan az elvitathatatlan, hogy a vizsgált Li-ion akku messze felülmúlta egy NMC vagy egyéb akkumulátor ciklusélettartam teljesítményét, de a kísérleteket szigorúan kontrollált körülmények között, maghatározott hőmérsékleten (pl. 20 fokon), precízen beállított töltő és kisütő áramokkal végezték, melyek nem feltétlenül tükrözik a valós körülményeket.
A legfrissebb hírek pedig már arról szólnak, hogy a Tesla fejlesztőcsapata egy anódmentes akkumulátortechnológián dolgozik.
Az interneten elérhető cikk egy Jeff Dahn-hoz köthető publikációhoz vezet el. Az első hallásra kicsit furcsa cím, miszerint „anódmentes” az újonnan fejlesztett akkumulátor, azért kisebb magyarázatra szorul. Átolvasva a beszámolót gyorsan látható, hogy nyilván nem „anódmentes” elektrokémiai celláról van szó, ez így nem is lenne értelmezhető. Ebben az esetben arról van szó, hogy az akkumulátor cellába nem építenek be anódaktív, azaz a Li-ionok befogadására képes anyagot, például grafitot, vagy szilíciumot, sem pedig fém lítiumot, hanem csak a kialakítandó anód áramszedőjét. Az akkumulátor cella legelső töltési ciklusában a pozitív elektród anyagából - amely NMC532 - származó Li-ionokat választja le (elektrokémiai redukció) a cellában található tiszta réz fóliára, amely tehát a negatív elektród áramvezetője. Ez az úgynevezett „többlet lítiumot” nem tartalmazó cella abból a lítium-ion mennyiségből „gazdálkodik”, melyet a katód aktív anyaga (NMC532) szolgáltat.
A fejlesztőcsapat egy 2019-ben megjelent közleménye bemutatja, hogy az általuk vizsgált cellák már 90 ciklust is teljesíteni képesek, míg a cella kapacitása a kezdeti érték 80%-ára esik. Ezzel szemben, bizonyos általuk hivatkozott munkákban hasonló cellakonstrukciók igen szerény teljesítménnyel rendelkeztek, az egyiknél több mint 75%-os kapacitásvesztés következett be már a legelső ciklus után. Az ezt követő optimalizálási munka eredményeként 2020 szeptemberében, az igen tekintélyes Nature Energy szaklapban megjelent közleményükben viszont már arról számoltak be, hogy az általuk felhasznált folyadékelektrolit összetételének változtatásával 200 ciklust is képesek voltak teljesíteni az általuk fejlesztett Li-ion cellák.
Megjegyzendő, hogy ez a fajta „in situ” formálódó anód koncepció nem ismeretlen a Li-ion akkumulátorokkal foglalkozó kutatók számára.
A bemutatón az akkumulátordizájn is kiemelt szerepet kaphat, azt maga Elon Musk árulta el, hogy a meghívójuk az egyik legfrissebb szabadalmukhoz kapcsolódik. Mi ez pontosan, miért jelent újdonságot?
A Tesla legújabb szabadalma egy nevezzük úgy, hogy érintkező lapocska nélküli elektród (az eredeti szabadalom címe: „Cell with a tabless electrode”).
Az újítás lényege abban áll, hogy az elektród - jelen szabadalomban az anód (tehát a negatív elektród) - áramvezető réz fóliája nem egy „tab-en” azaz érintkező fülecskén keresztül kapcsolódik a hengeres cella (pl. 18650) negatív termináljához, hanem a felcsévélt elektródszalag teljes hosszában.
Ennek a megoldásnak több előnye is lehet. Az egyik, hogy mivel ezeket az érintkező füleket (tab-ek) hozzáhegesztik az igen vékony áramvezető fóliához, amely az anódaktív anyagot tartalmazza, a gyártás során bekövetkező hibalehetőség nagy, pl. szakadás, hibás hegesztés, illesztés, stb. Ez nemcsak a selejtes cellák számát növeli, de bajt okozhat a későbbi alkalmazás során is. A másik, hogy az áramvezető feladata, hogy a terminálokon (negatív, pozitív) keresztül elvezesse, illetve odavezesse az elektronokat az aktív anyag rétegéhez. Tehát az egész elektród fólia felületéről összegyűjtve, egy ponton lépnek ki vagy be az elektronok az elektródba. Ez egy szűk keresztmetszet. Mivel a fémes vezetők esetében az elektromos ellenállás egyenes arányban függ a vezető hosszától is, a cella funkciója szempontjából nem mindegy, hogy az elektronokat milyen gyorsan vagy lassan lehet elvezetni vagy odavezetni az elektród anyaghoz.
Ennek szemléltetésére vegyünk egy egyszerű példát. Képzeljünk el egy futballpályát és nézzük például a hosszanti éle felől a területet. A feladat, hogy minél egyszerűbben és/vagy gyorsabban megtöltsük a pályát emberekkel úgy, hogy azok mondjuk egy 1x1 méteres raszter pontjain foglaljanak helyet. Ha hagyományos, érintkező füllel ellátott elektródunk van, akkor a pályára mindösszesen egy kicsiny kapun átjutva lehet felszaladni és elfoglalni a kívánt pozíciót. A Tesla féle szabadalomban a pálya teljes hossza mentén átjárható (tabless). Intuitive már érthető, hogy ez utóbbi esetben sokkal gyorsabban elfoglalhatják helyüket a résztvevők. Megszűnik az az ellenállás, amit a kis kapu jelentett. Ez történik, amikor az elektronokat nem egy szűk érintkező fülön keresztül, hanem az elektród szalag teljes hosszában engedjük az elektródhoz.
Egy ilyen megoldás milyen hatással lehet az akkumulátor teljesítményére, nagyjából milyen javulás érhető el a segítségével?
Kisebb az elektromos ellenállás, ezáltal kevesebb a hőfejlődés a cellákban, ez utóbbi rendkívüli hatással van a cellák öregedésére. A gyártástechnológia módosítása miatt alacsonyabb selejthányaddal lehet számolni és mivel az érintkező fület nem építik be, így az elektrokémiailag inaktív anyagok hányada is csökken. Ez költséget csökkenthet és az energiasűrűséget (Wh/kg) befolyásolhatja pozitívan.
Mindazonáltal az elektrokémiai reakció sebességén, azaz a Li-ionok be és kiépülésének kinetikáján nem változtat semmit ez a műszaki megoldás. Azt változatlanul az elektród aktív agyag minősége, összetétele, szerkezet szabja meg.
Várhatóan a gyártásban is újításokkal rukkol majd elő a Tesla. Hogyha hagyományos, elektromos autók számára történő akkumulátor-előállításáról beszélünk, milyen meghatározó lépésekből épül fel a folyamat?
A Li-ion akkumulátorok gyártása igen összetett és költséges folyamat. Három fő technológiai lépésből áll, melyek további lépésekre tagolhatók. A három nagy terület:
- Az elektródok gyártása
- Az akkumulátor cellák összeállítása
- Formázás, öregítés.
Az elektródok gyártása további hat elemi lépésre bontható, úgy, mint elektród paszták előállítása, bevonatkészítés, nedves rétegek szárítása, sajtolás, elektródszalagok szekcionálása, vákuumszárítás. A második technológiai lépésben az akkumulátor cellákat állítják össze négy elemi lépésben, amely az elektródok leszabásával kezdődik, majd az elektródszalagok és a szeparátor fólia felcsévélése történik különféle módokon, ezt követi a felcsévélt elektród/szeparátor egységek csomagolásba való behelyezése, majd ez a technológiai szakasz az elektrolit betöltésével zárul. Az utolsó - általában három – jól elkülöníthető lépésben az akkumulátor cellákat elektrokémiailag formázzák, selejteket kiválogatják és a tökéletesen teljesítő cellákat előkészítik a szállításra.
