hirdetés
hirdetés

Akár az oxigén is megoldhatja az akkumulátoréhséget

Ahogy haladunk a villamosított jövő felé, egyre nagyobb akkumulátorteljesítményre lesz szükségünk. A technológia a közeljövőben leginkább az akkumulátorcellák szintjén javul majd, főleg az anód, a katód és az elektrolit anyagok használatának változtatásaival. A BME Vegyészmérnöki és Biomérnöki Kar docensével, dr. Höfler Lajossal beszélgettünk az akkumulátorfejlesztések irányairól.

hirdetés

GyártásTrend: Miért folynak folyamatosan akkumulátorkutatások, miért nem optimális a lítiumion-technológia?
Höfler Lajos: A tudományban egy általános dolog, hogy mindig jobbat szeretnénk elérni. Sokszor úgy tűnhet, mintha hetente lenne új, tökéletes megoldás az akkumulátortechnológiában, de ez persze nem igaz.
Amikor egy kutató kijön egy kutatási eredménnyel, a sajtóban megjelent címek alapján úgy tűnhet, megvan a szent grál. Ennek oka, hogy bár egy tudományos munka leírásánál a kutatók nagyon vigyáznak arra, hogy ne állítsanak többet, mint amit az elért eredmények megengednek, a sajtóban viszont senki sem kattintana egy olyan címre, hogy „Két százalékkal sikerült javítani a katód energiafelvételét”. Pedig ez fantasztikus eredmény. Azt jelenti, hogy a következő generációs elektromos autókba kevesebb akkumulátort kell belerakni, könnyebb lesz az autó, messzebbre tud elmenni, ezáltal pedig rendkívül nagy mennyiségű energiát tudunk megspórolni globálisan.

GyT.: Eszerint a lítiumion-technológiánál nincsen jelenleg jobb?
H. L.: Jelenleg ez a működő modellünk: a grafitanóddal, fém-oxid-katóddal és folyadékalapú elektrolittal rendelkező lítiumion-akkumulátor. Ez egy kipróbált rendszer, már a 90-es évek eleje óta működik, és azóta fejlesztik. Ilyen cellákat használunk az elektromos autókban, a mobiltelefonokban, laptopokban. Ezek kapacitása manapság kétszer-háromszor akorra adott tömegen belül, mint a kezdetekkor volt – ez óriási eredmény. Meglepő módon továbbá az akkumulátortechnológiában egyelőre a legkörnyezetkímélőbb előállítása a lítiumion-akkumulátornak van. Ráadásul ezek sok területen kiváltották a rendkívül környezetszennyező ólom- vagy nikkel-kadmium akkumulátorokat. A lítiumion-akkumulátorokban található mérgező nehézfémeket le lehet cserélni olyan technológiára, amely az anódban grafitszemcséket használ – ez önmagában nem szennyező –, a katódban pedig minimálisan toxikus fémeket.

dr. Höfler Lajos docens | BME Vegyészmérnöki és Biomérnöki Kar
dr. Höfler Lajos docens | BME Vegyészmérnöki és Biomérnöki Kar

GyT.: Van erre példa?
H. L.: Létezik egy olyan akkumulátortechnológia – többek között a kínai BYD autógyár alkalmazza –, ahol ugyanúgy grafitot használnak anódnak, a katód viszont lítium-vasfoszfát, amelynek toxicitása minimális. Ezeken túl van benne egy szeparátor, egy vékony polietilén vagy polipropilén membrán, valamint – nem túl nagy tömegszázalékban – egy karbonátos szerves oldószer, ez sem különösebben toxikus.
Az igazi probléma, amiért tartani kell a lítiumion-akkumulátoroktól, az nem az anyag, ami benne van, és azok toxicitása, hanem a gyúlékonyság.
Az iparági kihívás kétirányú, egyrészt minél több energiát akarunk minél kisebb helyre bezsúfolni, a másik trend, hogy minél biztonságosabban szeretnénk megoldani mindezt. Bár minden akkumulátor el van látva védő áramkörrel, így is előfordul, hogy ezek az óvintézkedések nem elegendőek. Gondoljunk csak arra, amikor földre kényszerült az összes lítiumion-akkumulátort használó repülőgép, vagy a Samsung sorozatára, ami a kigyulladó telefonokat hozta a technológia történetébe. Itt az volt a probléma, hogy egyre vékonyabb és vékonyabb anyagokat használt a cég, emiatt összeért az anód és a katód kollektor az akkumulátorokban, ez rövidzárlatot okozott, ami óriási hőt fejlesztett, és az elszabaduló exoterm reakciók begyújtották a telefonokat.

GyT: Számos példát hallunk a különböző fejlesztési irányokról: a tenger-víz akkumulátortól kezdve a grafén- vagy a szilárdtest-akkumulátorokig. Melyiknek van reális esélye a piacon elterjedni gazdasági és környezeti szempontból?
H. L.: Ezek a fejlesztések mind rendelkeznek potenciállal, a kérdés az, hogy mikor valósulhatnak meg. A szilárdlítiumion-akkumulátor például közelebb áll a megvalósításhoz. A probléma ezzel a technológiával korábban az volt, hogy viszonylag magas hőmérsékleten tudott csak nagy teljesítményt nyújtani. Az elmúlt években azonban a szilárdtest-akkumulátorok optimalizálása nagyon erős kutatási irány lett. Itt végül is nem fordul el a technológia a lítiumiontól, csak a folyadékalapú elektrolitokat lecseréli egy szilárd anyagra, amelyen keresztül a lítium vándorol, ez viszont sajnos csak kicsit lassabban tud ebben a közegben megtörténni. Általában elmondható, hogy minél nagyobb a belső ellenállás, annál kisebb teljesítményt lehet kinyerni, úgyhogy ezt a technológiát még fejleszteni kell.

Jaguar I-PACE
Jaguar I-PACE

A lítiumot is próbálják leváltani, mert ugyan nagy előnye, hogy a redukciós potenciálja negatív érték, tehát nagy az akkumulátor feszültsége, de viszonylag kevés olyan technológia van, amivel gazdaságos a kitermelése. Ezért többek között nátriummal próbálják helyettesíteni, ami még sajnos nem teljesen működőképes. Vannak előnyei, a kísérleteken például lehet látni, hogy nem megy tönkre az akkumulátor akkor, ha nulla voltra merül, ellenben a lítiumion-akkumulátorral. Viszont nem áll rendelkezésre megfelelő katód, amely nagy mennyiségben képes lenne a nátriumiont tárolni, és több ezer feltöltés-kisütés cikluson keresztül stabil maradna.
A másik irány a magnézium alkalmazása. Ennek szintén negatív a redukciós potenciálja, nagy a feszültsége, előnye továbbá, hogy amikor megtörténik a redukció-oxidáció az anódon és a katódon, akkor nem egy töltést szolgáltat, hanem kettőt, szemben a lítiumionnal, ami csak egy töltést szállít. Ennél az iránynál nem az anód a kihívás, erre lehet akár magnézium-fémet is használni, viszont hasonlóan a nátriumion-akkumulátorokhoz, nem rendelkezik igazán jó katód anyaggal. A lítiumra több tucat ilyen létezik.
A megfelelő jelöltek megtalálásában a hatalmas krisztallográfiai adatbázisok nyújthatnak segítséget. Itt meg lehet nézni, akár mesterségesintelligencia-alapú kereső algoritmussal is, hogy mi az a közeg, ami könnyen be tud fogadni egy nátriumiont vagy magnéziumiont. Az algoritmus bizonyos paraméterek alapján keresi az ionokat reverzibilisen befogadni képes anyagokat. Ha talál több száz eredményt, a legjobb egy tucatot már lehet kísérletileg is vizsgálni. Próbálkoznak kristályos és amorf anyagokkal is, sok kutatási irány van itt is.

GyT: A katód anyagkutatásokon túl milyen trendek vannak még?
H. L.: Vannak olyan kutatási irányok is, amelyek a lítiumion megtartása mellett olyan anyagokat keresnek, amelyek még inkább növelik a fajlagos energiát. Ennek az iránynak az egyik legfontosabb képviselője a lítium-kén akkumulátor. Itt a katód nem fém-oxid – kobalt-oxid vagy nikkel-mangán-kobalt-oxid –, hanem egy kénelektród, ami önmagában nem vezet, így vezetőadalékként szénszemcséket adnak hozzá. A lítiumion így már a grafit és a kénelektród között vándorol, ennek a fajlagos energiája a duplája, de akár triplája is lehet a fém-oxidoknál mérhetőknek. Itt a nagy probléma, hogy a lítium-poliszulfid redox shuttles (LiPS, oldható közbenső termékek a töltési/kisülési reakciókban) közben a lítium, ahogy a katóddal reagál, létrehoz lítium-poliszulfidokat (lítium-S3, lítium-S4, lítium-S5), és ezek feloldódnak az elektrolitban, átmennek az anódra, ahol reagálnak a lítiummal. Ezáltal fogy az akkumulátor aktív anyaga. Ez a fő oka annak, hogy a lítium-kén akkumulátorok nem többezer ciklust bírnak, hanem csak pár százat, viszont ha megoldják a fenti problémát, extrém olcsó lehet az előállításuk, hiszen az egyik oldalon szén van, a másik oldalon meg kén.
A másik dolog, ami miatt a hagyományos irányba fejlesztenek, hogy lítiumion-technológiával az 1 kilowattóra legyártásának az ára 2009 óta nagyjából az egyhatodára esett vissza, 1200-ról 200 dollár alá csökkent. Ezért bármilyen felmerülő új technológiának, amellett, hogy hatékonyabbnak, nagyon olcsónak is kell lennie.

GyT.: Melyik lesz a nyerő e tekintetben?
H. L.: Ami a Szent Grálja az akkumulátortechnológia-kutatási szektornak, az a lítium-levegő akkumulátor. Ennek a fajlagos energiája már a tíz- vagy hússzorosa a mostani lítiumion-akkumulátorokénak. Itt az a kihívás, hogy ez egy háromfázisú rendszer. Az oxigén egy gáz, ezt a gázt oda kell vinni a szilárd elektródhoz, ami viszont egy pórusos vezető, ahol az elektrokémiai reakció lezajlik. Az ionok szabad mozgásának biztosításához pedig szükség van elektrolitra is, az folyadék. A mai napig nem sikerült olyan jól működő pozitív elektródot kitalálni, ahol az elektronok leadása és felvétele elegendően gyors lenne. További probléma, hogy az oxigén bepumpálásának a hatására kiszáradhat az elektród.
Ha viszont sikerül megoldani ezen kihívásokat, és sikerül létrehozni egy jól működő lítium-levegő akkumulátort, az óriási dolog lesz. Az oxigén ugyanis mindenhol rendelkezésre áll, nem kéne tehát magunkkal vinni a katód anyagot, hanem a levegő oxigénjét használnánk arra, hogy zárjuk a redukciós-oxidációs kört. Ezáltal extrém módon meg lehetne növelni a fajlagos energiát.

GyT: És mi lesz a hagyományos akkumulátorokkal?
H. L.: A hagyományos elektrolitalapú lítiumion-akkumulátoroknak is van jövőjük. Az utóbbi hónapokban jelent meg egy cikk, ami eléggé megváltoztatta a hagyományos akkumulátorokról alkotott képünket. Kiderült, hogy lehetséges olyan hagyományos lítiumion-akkumulátort készíteni, amit nem ezerszer, hanem akár tízezerszer is újra lehet tölteni. Olyan katódot sikerült előállítani, ahol a részecskék egykristályok, más néven monokristályok. Nem több kis kristályból összeépült részecskék, hanem nagy méretű egykristályok formájában vannak jelen a katódban, ezáltal sikerül elkerülni a katód repedezését. Az akkumulátorok öregedésének egyik fő oka, hogy a felhasznált lítiumion-tárolóanyagok térfogata között különbség van attól függően, hogy éppen tartalmaznak-e lítiumiont. A grafitnál ez nagyjából 10 százalék, de minél nagyobb energiatárolást akarunk elérni, annál nagyobb ez a változás. Azáltal, hogy sikerült egykristályszemcsékkel feltölteni a katódot, azt is sikerült elérni, hogy több tízezer ciklust kibírjon az akkumulátor. Ez nagy dolog, ezért is jelenhetett meg ez a fejlesztés azzal a címmel a hírekben, hogy: Az akkumulátor, amivel akár 1 millió kilométert is megtehetünk.

 

Trapp Henci
a szerző cikkei

hirdetés
Ha hozzá kíván szólni, jelentkezzen be!
 
hirdetés
hirdetés
hirdetés

Kiadónk társoldalai

hirdetés