Villámtöltés vagy nagy hatótávolság? Egyet választhatunk!

- Miben térnek el egymástól a különböző kémiájú lítiumion akkumulátorok?

- A lítiumion akkumulátorok egy nagy családot alkotnak, amin belül több akkumulátorkémia létezik és ezek leginkább a pozitív (katód) elektród aktív komponens-választásban térnek el. Ez azt jelenti, hogy az elektrokémiailag aktív komponensek – vagyis az anódaktív és katódaktív anyagok – más és más anyagok lehetnek. A működési elv azonban minden esetben ugyanaz, a kérdés az, hogy a negatív és a pozitív pólusnál lévő anyag mi legyen.

A lítiumion akkumulátorok érdekessége, hogy a negatív elektród oldalán (vagyis az anódoldalon) és a pozitív elektród (katód) oldalán is számos anyagból választhatunk. Nagyon leegyszerűsítve szükségünk van egy anódaktív és egy katódaktív anyagra, és ezeket összekapcsoljuk. Az anyagválasztás határozza meg a cellafeszültséget, a cellának a kapacitását, energiatartalmát, energiasűrűségét és természetesen fontos, hogyan alakul a cellán belüli stabilitás.

- Mekkora választékról beszélünk? Milyen anyagok kerülhetnek az akkumulátorokba?

- Nézzük először az anód oldalt. Egyrészt elektromos vezetőnek kell lennie az anyagnak, másrészt alkalmasnak kell lennie a lítiumionok befogadására. A legelterjedtebb megoldás a grafit: ha szétszednénk egy laptop, telefon vagy akár elektromos autó akkumulátorát, akkor annak negatív elektródjában grafitot fogunk találni – természetesen adalékok vannak még mellette, de az anódaktív anyag a grafit.

Anódaktív anyag lehet még a lítium-titanát (LTO), ezzel kisebb cellafeszültséget és energiasűrűséget kapunk, viszont sokkal tartósabb, sokkal több töltési ciklust elviselő lesz az akkumulátor. Az energiasűrűsége miatt azonban ez nem egy elterjedt megoldás.

A grafit helyett még alkalmazható a szilícium is, ez a megoldás éppen a piaci bevezetésél tart. Száz százalékban szilícium anód még nem létezik, de különböző szilícium tartalmú anódok igen, ezek tökéletesítése zajlik. A szilícium érdekessége, hogy félvezető, ugyanakkor a fajlagos kapacitása a szén-alapú grafit tízszerese – tehát vagy jóval kisebb akkumulátorral elérhető ugyanaz a hatótávolság, vagy a hatótávot tudjuk növelni, nézőpont kérdése.

A katódok esetében még nagyobb a választék, itt jönnek elő az akkumulátoroknál használt, sokak által ismert rövidítések is. Az „ősanya” a lítium-kobaltoxid (LCO), ennek azonban biztonsági kihívásai vannak, bizonyos körülmények között ezek az akkuk könnyen tüzet foghatnak. Ezért különböző kísérletek, fejlesztések és koncepciók után születtek meg a ma ismert kémiák: a legelterjedtebb megoldás a nikkel-mangán-kobalt (NMC) és a lítium-vasfoszfát (LFP). Az NMC akkumulátorokon belül is számos változat létezik az összetétel mentén, jellemzően a nikkel arányát növelik, a kobaltét pedig csökkentik. Akkumulátor pakk szinten léteznek úgynevezett dual battery-k, ilyenkor egy pakkon belül kétféle akkumulátorkémiát is alkalmaznak.

- Mi a különbség az LFP és az NMC akkumulátorok között?

- Az LFP sokkal olcsóbb, mint az NMC, utóbbi viszont például sokkal jobban tűri a gyorstöltést, azaz nagyobb a teljesítménysűrűsége, továbbá az elérthető cellafeszültség, ezáltal a fajlagos energiatartalom is magasabb lesz.

Úgy kell elképzelni a különbséget a teljesítménysűrűségben, hogy az anyag kristályszerkezetén az LFP esetében lassabban mennek át a lítiumionok, mint az NMC vagy az LMO (lítium-mangánoxid) esetében. Ez a gyorstöltéskor érdekes.

Az LFP akkumulátorok esetében a villámtöltés komolyabb károsodás nélkül meglátásom szerint háromféle módon lehetséges: a részecskeméret csökkentésével, különleges bevonatolással (például szénbevonat az LFP szemcséken), vagy az elektród pórusszerkezetének optimalizálásával.

- Elképzelhető a jövőben olyan akkumulátor, ami nagy hatótávolságot biztosít, de közben olyan gyorsan tölthető, mint amennyi idő alatt egy belső égésű motorral szerelt autót megtankolunk?

- Az akkumulátorok két legfontosabb tulajdonsága az energiasűrűség és a teljesítménysűrűség, ezeket általában egymás kárára lehet fejleszteni, vagy ha nem, akkor vélhetően a gyártástechnológia ára nő meg. Nem nehéz megmagyarázni, miért áll fent ez az ellentmondás: ha több energiát akarok, akkor a gyártás során vastagabbra tervezzük az elektródot, több lesz a tárolásra alkalmas aktív anyag mennyisége, de ezzel vastagabb lesz a az elektród rétege, nő a milligramm/négyzetcentiméterben kifejezett elektród felületi töltet („electrode loading”) és így nagyobb lesz a rétegellenállása. Ezt némileg lehet kompenzálni az elektród massza adalékolásával, például szén-nanocsövek, vagy egyéb elektromosan vezető adalékok alkalmazásával. Tehát, ha nagy az elektród töltet, akkor viszont a gyorstöltés során, vagyis a magas töltőáram használata során fokozott melegedés léphet fel és ez például elektrolitbomlást okoz, és egy sor egyéb nemkívánatos folyamatot indíthat el, tehát végeredményben tönkremegy az akkumulátor, ha sokszor ilyen használatnak van kitéve. Ha a réteg vékony, akkor inkább lehet villámtöltést használni, viszont az energiasűrűség – és így a hatótávolság – kisebb lesz.

Természetesen lehet játszani azzal, hogy néhány perc alatt csak X százalékra töltjük fel az akkumulátort, de egyébként is többet bír a cella, ha nem merítjük le teljesen és nem töltjük fel maximálisan. Ez egy paradigmaváltásnak is beillik az ólomakkumulátorokhoz képest: az ólomakkumulátort mindig 100 százalékra kell, illetve érdemes tölteni, hogy ne „szulfátosodjon”. A lítiumion akkumulátor esetében – akár hosszabb tároláskor is – se a 100 százalék, se a nulla százalék töltöttség nem jó, a köztes állapot a kívánatos, ezzel lehet az élettartamot is növelni.

- Van bármilyen más akkumulátor forgalomban a lítiumionon kívül?

- Autók esetében nincs, lényegében csak lítiumion akkumulátoros autók közlekednek az utakon, esetleg az elsőszériás Toyota Prius-okban fordulhat elő nikkel-metál-hidrid (NiMH) akkumulátor, míg a poszt lítiumionos akkuk (lítium-kén, nátriumion, szervetlen-szilárdtest, stb.) a gyakorlatban és kereskedelmi forgalomban még nem léteznek.

- Milyen technológia jöhet a lítiumion után?

- Egy jól működő, másodikgenerációs, mai, modern akkumulátorcella energiasűrűsége 250 wattóra/kilogramm, a csúcs 270 körül van. 1991-ben, amikor a Li-ion akkumulátorok megjelentek, 110-120 wattóra/kilogramm volt ez a szám – és a működési elv azóta sem változott, csak az anyagokon és az inaktív komponenseken fejlesztettek némiképp. Azonban mára nagyjából elértük a technológia határát, már minden csúcsra van fejlesztve. Ahhoz, hogy cellaszinten a 300, netalán 400 wattóra/kilogramm energiasűrűséget átlépjük, radikális változtatás kell. Az egyik ilyen lehet a szilárdtest.

Kérdés persze, hogy mit nevezünk szilárdtest akkumulátornak: szokás szilárdtestnek nevezni a lítium-metál-polimer (LMP) akkumulátorokat is, de nekünk, kutatóknak a szilárdtest akkumulátorban nincsen polimer, nincsen folyadékelektrolit, minden eleme szilárd és szervetlen jellegű kémiai vegyület, anyag, azaz kerámia, üveges vagy más kvázi kristály. Ilyen akkumulátor kereskedelmi forgalomban és tömeggyártásban sincs.

A szilárdtest akkumulátor azzal kecsegtet, hogy sokkal biztonságosabb a lítiumion akkumulátornál, valamint elméleti számítások szerint 450-500 wattóra/kilogramm lehet az energiasűrűsége. Ez egy óriási ugrás lenne a hatótávolságban és az akkumulátorok méretében. Ráadásul a szilárdtest akkuknak a meleg még jót is tesz, így nagyon hűteni sem kell őket, ez további előnyt jelenthet az akkupakkok dizájnja során.

A probléma, hogy a szilárd halmazállapotú anyagokból felépített cellában a rétegek (anód, szeparátor, katód) határfelületén számos folyamat rosszul működik, degradációhoz vezet. Jelenleg is folynak a kutatások, hogyan lehetne ezt áthidalni, de megoldás még nem született ezekre az anyagtudományi kihívásokra.

Szintén probléma, hogy amennyiben sikerülne is áthidalni az előbb említett kihívásokat, a gyártás sem megoldott még. Nem tudjuk, hogyan lehetne gazdaságosan, kis ökológiai lábnyommal gyártani ilyen akkumulátorokat. Éppen ezért a meglévő akkumulátorgyárak még hosszú évtizedekig működhetnek – addig, amíg a jelenlegi cellakémia működik. Kérdés, hogy ha valaki szilárdtest akkumulátorokat akar gyártani, az hol és milyen gyárat fog ehhez építeni, de a szilárdtest akkumulátorok kiváltani nem fogják a lítiumion akkukat, legfeljebb kiegészítik majd azokat.

Újgenerációs akkumulátornak nevezhető a nátriumionos akku is, ezt szokták posztlítium akkumulátornak is nevezni, mert más anyagok kerülnek bele, mint a lítiumos akkukba - olyan anyagok, amik a nátriumionon befogadására képesek. A működési elv ugyanaz, csak a lítiumionok helyett nátriumionok mozognak az akkumulátorban.

A nátriumion akkumulátorok legfőbb előnye a gazdaságosabb összetétel: olcsóbb anyagok kellenek bele, mint egy lítiumion akkuba – nagyságrendileg tizedannyiba kerülnek az alapanyagai. Fontos előny, hogy az ilyen akkumulátorba nem kell grafit és réz, ezért fenntarthatóbb is a gyártása, nemcsak olcsóbb. Előny még, hogy nem hajlamos a dendritkeletkezésre, ezért biztonságosabb is. A harmadik nagy előny, hogy a már létező akkumulátorgyárak minimális átalakítás után képesek lennének nátriumionos akkumulátorokat gyártani.

- Ha ennyire gazdaságos a nátriumionos akkumulátor, miért nem terjedt még el ez a technológia?

- A feketeleves az energiasűrűség: a nátriumionos akkumulátorok meg sem közelítik a lítiumionosok energiasűrűségét. Ettől még használhatók, csak diverzifikálni kell a használat módja alapján, hogy mikor van szükség nagy energiasűrűségre, és mikor nem.

Fontos lenne az a szemléletmód, hogy ne egy egyeduralkodó akkumulátorkémia kifejlesztésére törekedjünk. Célszerűbb lenne azt megvizsgálni, hogy az adott alkalmazásra melyik a legjobban használható cellakémia. Nem az a cél, hogy az egyik kiváltsa a másikat.

- Előállítható elég lítium az akkumulátorokhoz az elektromobilitás terjedésével?

- Fenntartható akkumulátoripar nincsen újrahasznosítás és a körkörös-gazdaság szemléletmód nélkül. A jelenleg használt akkumulátorok újrahasznosításánál a cella felnyitása a legveszélyesebb rész, mégpedig azért, mert kérdés, hogy ilyenkor mi történik az elektrolittal? Sok helyen zárt, robotizált rendszerben végzik ezt a feladatot úgy, hogy a terem levegője nem érintkezhet a külső légkörrel. Ez viszont idő- és költségigényes folyamat. Kérdéses, hogy aki ezzel foglalkozik, befektet-e a biztonságos munkavégzésbe. Ha igen, akkor az elhasznált akkumulátorok is fontos alapanyagnak számíthatnak. Érdekességként megemlíthető, hogy a Li-ion akkumulátor újrahasznosításból származó köztitermék, az úgynevezett „black mass”, azaz a „fekete-por” vonatkozásában az EU éppen exporttilalmat kíván bevezetni, hogy biztosítsa a nyersanyagok jobb rendelkezésre állását az EUs akkumulátoriparhoz. Az ellátásbiztonság kulcsmotívum lesz az EU akkumulátoripar fejlesztése és fenntartása során.

Újrahasznosításra szükség van, mert nem fedezi a globális nyersanyagkészlet azt az igényt, ami a lítiumion akkumulátorok iránt keletkezik. Teljesen nem lehet leszakadni a nyersanyagokról, de ha lesz elegendő mennyiségben elhasznált akkumulátor, akkor ki kell alakítani az újrafeldolgozási rendszert.