Kegyelemdöfés a belső égésű motornak: a szilárdtest-akkumulátor

Fantasztikus filmek egész sora épült valamilyen csodálatos energiahordozóra, amelynek lehetőségeit kihasználva addig soha nem látott képességekre tett szert használója. Vegyük a Vasember-trilógiát: a főszereplő Tony Stark páncélruháját és fegyvereit a mellébe épített mini méretű, de bombasztikus teljesítményű erőmű látta el energiával. Izgalmas elképzelni, hogy mire lennének képesek a villanyautók, ha létezne ilyen.

Sajnos ennyire hatékony áramforrást eddig nem sikerült találni, de a róla álmodozás jól jelzi, hogy számos technikai probléma megoldásában kulcskérdés az energiaellátás. Az elektromos autókban ezt a szerepet az akkumulátor tölti be, amely mind műszaki oldalról, mind a költségek szempontjából a leglényegesebb részegység. Az akkumulátor határozza meg az elektromos autó mindennapi használhatóságát teljesítménye, gyorstölthetősége és a biztosított hatótávolság révén, miközben az értéke önmagában kiteszi az autó előállítási ráfordításainak felét. Továbbgondolva ez azt jelenti, hogy amelyik gyártó olyan új akkumulátorral tud jelentkezni, amelynek képességei jelentősen meghaladja a mostaniakét, akár egyeduralkodóvá válhat.

A jelenleg legelterjedtebb megoldás, a lítium-ion akkumulátor alapvetően alkalmas a feladatra, hiszen megvalósíthatóvá tette a 400-500 kilométeres hatótáv elérését, és viszonylag gyorsan tölthető. Megfelelően nagy teljesítményű gyorstöltővel az eredeti hatótáv 80 százaléka visszanyerhető akár 20 perces-félórás töltéssel.

Csakhogy már évek óta fel-felröppen a hír egy másik típusról, amelyik sokkal jobb, mint a ma ismert lítium-ion akkumulátorok. A fordításokból adódóan leggyakrabban szilárdtest-akkumulátornak (Solid State Battery, Festkörperbatterie) nevezett áramtároló elképesztő képességeket ígér. A lítium-ion akkumulátoroknál kétszer, két és félszer nagyobb hatótávolságot, és akár öt perc újratöltési időt. Mindkét adat tökéletesen versenyképes a belső égésű motoros járművekével, ami egyben azt is jelenti, hogy megvalósításával az eddig gyártott elektromos autók egy pillanat alatt teljesen elavulttá válnának mellette, már ha akad olyan gyorstöltő is, ami megfelelő teljesítménnyel eteti a csodaakkut.

A szilárdtest-, vagy a működésére jobban utaló néven szilárd elektrolitos akkumulátorok egyik legfontosabb alapanyaga a lítium-ion akkumulátorokhoz hasonlóan a lítium, az akkumulátor felépítése azonban alapvetően különbözik. A lítium-ion akkumulátorok szerkezete sokkal inkább hasonlít az általánosan használt, más jellegű és típusú akkumulátorokéhoz. Találunk benne egy pozitív és egy negatív elektródát, a kettő között pedig az ionokat vezetni képes, folyékony elektrolit teremt kapcsolatot. Persze nem úgy kell elképzelni, hogy két fémrúd, vagy fémlap belelóg egy valamilyen savval telt edénybe, a szerkezete ennél sokkal kifinomultabb.

A valamilyen lítium-oxid tartalmú ötvözetből készült pozitív pólust (rengetegféle van belőle az alkalmazott ötvöző fémektől függően) és a grafitból (szénből) készült negatív pólust is vékony lemezzé nyújtják, közéjük ionáteresztő fóliát helyeznek, majd az egészet átitatják a folyékony elektrolittal. Az, hogy ezután ezt a lemezegyüttest feltekerik-e, hogy rúd alakú cellát kapjanak (Tesla), vagy meghagyják lap formájában (tasakos akkumulátor), az csak a felhasználási módtól, a beépítéstől és az akkumulátor fűtésének-hűtésének módjától függ.

A szilárdtest-akkumulátor lényegileg abban különbözik a lítium-ion akkumulátortól, hogy nincs benne gyúlékony és sérülés esetén kifolyni képes, folyékony elektrolit, hanem helyette szilárd halmazállapotú elektrolitot alkalmaznak. Emiatt azonban az egész akkumulátorcella felépítése megváltozik. A pozitív elektróda továbbra is lítium és más ötvöző fémek oxidja, amit azonban szilárd elektrolittal kevernek össze. Erre csupán egy szintén szilárd állapotú, ionokat befogadni képes kerámiaréteget fektetnek (tehát nincs ionáteresztő fólia), és elvileg máris kész az akkumulátorcella.

Kicsit egyszerűsítve a valódi folyamatot, a következő történik, ha árammal töltjük az akkumulátort. A pozitív elektródából a lítium-ionok útra kelnek, és a kristályszerkezet hibáit kihasználva (ahol hiányzik egy atom) elugrálnak a kerámiarétegig. Abba behatolnak, és a túloldalán színtiszta lítiumréteget hoznak létre, amely negatív pólusként szolgál. Lemerítéskor a folyamat megfordul.

Persze, ha ez a valóságban is ilyen szépen menne, akkor már minden villanyautóban ilyen akkumulátor lenne. Az autóiparban azonban lényeges a legalább hétszáz töltési-merítési ciklusban mérhető tartósság, amire ma még a legtöbb kísérleti szilárd elektrolitos akkumulátor nem képes. A probléma, hogy a töltések-merítések során a kerámiaréteg túloldalán képződő lítiumréteg visszafelé tüskés ágakat, tudományos nevükön dendriteket növeszt. Ezek egy idő után átütik a teljes kerámiaréteget, ezáltal a pozitív és a negatív pólus fémes kapcsolatba kerül egymással, ami cellazárlatot okoz. A kutatások épp azt irányozzák, hogy a kerámiarétegben milyen anyagokat kellene alkalmazni ahhoz, hogy megakadályozzák a dendritek képződését. Ez ügyben már többen számoltak be áttörésről, a Samsung például ezüst és grafit ötvözetének alkalmazásával ért el sikereket, és a Toyota, a kínai NIO, valamint a Volkswagennel együttműködő QuantumScape startup is bejelentette, hogy közel járnak a megoldáshoz.

A laboratóriumban elért eredményeket azonban még át kell ültetni a gyakorlatba, ami éveket vehet igénybe. Még maguk a tudósok sem értenek egyet abban, hogy ehhez hány évre lesz szükség. Akad, aki már jövő évre ígéri a saját szilárd elektrolitos akkumulátorának a sorozatgyártását, de olyan is, aki állítja, hogy 2030 előtt semmi nem lesz a dologból. Utóbbiak arra alapozzák a véleményüket, hogy a szilárd elektrolitos akkumulátorok is sok és drága alapanyagot igényelnek, ezért nem is a műszaki kialakításuk lesz végül az igazi gond, hanem az, hogy leszorítsák az árát. Hasonlóan a hidrogénből és a levegő oxigénjéből áramot előállító tüzelőanyagcellákhoz.

Holott az előnyök miatt nagyon megéri igyekezni. Míg a lítium-ion akkumulátorok egy kilogrammja a jelenlegi ismeretek szerint elméletileg legfeljebb 300 Wh áramot képes tárolni (a valóságban ez ma 150-250 Wh), a szilárd elektrolitos akkumulátorok áramtároló képessége 400 Wh-ról indul, és elérheti akár a 900-1000 Wh-t is. Ez a nagy ugrás a belső szerkezetből adódóan annak is köszönhető, hogy a szilárd elektrolitos akkumulátor feszültsége akár 5 volt is lehet, szemben a lítium-ion akkuk 3,7 voltos feszültségével. Ez önmagában 30 százalékos ugrást jelentene.

Szintén a tömegmegtakarítás keretébe tartozik, hogy a szilárd elektrolitos akkumulátor nem igényel sem hűtést, sem fűtést, mert önmagában működőképes (lesz) -30 és +100 fok között. Temperálásra azért sincs szükség, mert a folyékony elektrolit hiányában a szilárd elektrolitos akku sem túlzott melegedésre, sem kigyulladásra, sem robbanásra nem hajlamos, tehát még biztonságosabb is, mint a jelenleg széleskörűen alkalmazott lítium-ion akkumulátor.

Hogyan lehet számszerűsíteni a további előnyöket? A kapacitás két-, két és félszeres növekedése vagy ugyanekkora hatótávnövekedést jelent, vagy, ha elégedettek vagyunk az adott autó jelenlegi hatótávjával, akkor ennyivel kisebb akkumulátort kell beépíteni. Jelenleg 1 kWh áram tárolásához védőkerettel, hűtés-fűtéssel együtt 6-7 kg akkumulátortömegre van szükség (például egy 50 kWh-s lítium-ion akku tömege 300-350 kg körül alakul), ugyanez szilárd elektrolitos akkuval csak 2-3 kg/kWh lenne. Ugyanakkora hatótáv mellett tehát jelentősen megkönnyebbülnének az autóink. 50 kWh kapacitású akku esetén például akár 100 kilóra is csökkenhetne az akkumucsomag tömege.

A másik lényeges előny a töltés ideje, ami a szilárdtest-akkumulátor belső felépítésére és benne az ionok mozgására vezethető vissza. A legpesszimistább szakemberek sem jósolnak 15 percnél hosszabb teljes töltési időt, míg az optimisták egészen 5 percig is lemennek. Ez jól hangzik, felveti azonban a töltők problémáját. Ahhoz például, hogy egy 100 kWh-s akkumulátort negyedóra alatt feltöltsünk, a veszteségekkel nem számolva is 400 kilowattos töltőre lenne szükség. Az ötperces töltéshez 1200 kW-os töltő kellene, holott már a mai 350 kW-os töltők töltőkábeleit is folyadékhűtéssel kell ellátni.

Talán ebből is látszik, hogy a szilárd elektrolitos akkumulátor megvalósítása a jelenlegi ismereteink alapos újragondolását igényli. De egyszer és mindenkorra kiküszöbölné az elektromos autók minden korábbi problémáját, és olyan elavulttá tenne minden más hajtási megoldást, mint ahogy egykoron a belső égésű motor nyugdíjazta a gőzgépet. És feleslegessé tenne olyan fejlesztéseket is, mint a hidrogénes, tüzelőanyag-cellás hajtásoké.