szerző:
Illényi Balázs

A lítiumion-technológia vagy valami forradalmian új megoldás látja majd el árammal a jövő autóit, telefonjait, laptopjait? A hangzatos ígéretek ellenére jelenleg valószínűbbnek tűnik az első változat.

Kevés kutatási terület pörög mostanában jobban, mint az akkumulátorok fejlesztése. Az elmúlt másfél évben jószerével hetente tudósított a szaksajtó újabb „áttörésekről”, „forradalmi újításokról” vagy „a jövő áramforrásáról”. Bár a szenzációs bejelentések rendre azzal végződtek, hogy akad még egy-két olyan kiküszöbölendő körülmény, amely(ek) miatt a szóban forgó újítás kereskedelmi forgalomba kerülése a következő években nem valószínű, szakértők bizonyosra veszik, hogy a rengeteg kutatásnak hamarosan meglesz a gyümölcse.

Szükség is lenne rá, mivel jelenleg az okostelefonoktól és tabletektől az elektromos autókig a legtöbb hordozható-mozgó eszközt ugyanazon az elven működő lítiumion akkumulátorok látják el árammal. Ezeknek a hátrányait pedig mindenki tapasztalja: viszonylag behatárolt üzemidő, többórányi töltés, az újratöltések nyomán idővel jelentősen csökkenő teljesítmény.

Ennek ellenére még mindig a legjobb ár-érték-teljesítmény arányt nyújtják. Nem utolsósorban azért, mert – hála a tömegtermelésnek – 2010 óta a négyötödére esett az áruk. És bár a következő pár évben további árcsökkenést és nagyjából 20 százalékos teljesítménynövekedést jósolnak iparági szakértők, még mindig nem dőlt el, mi fogja hajtani a jövő elektromos autóit: az apránként tovább tökéletesítgetett lítiumalapú technológia, vagy valami egészen más? (A legígéretesebb lehetőségekről lásd cikkünk alján a Három kihívó című írásunkat.)

Elon Musk Teslája az elektromos autók felől közelíti az aksikérdést. Tetszenének forradalmat csinálni
©

A mostani lítiumion aksik mellett szól, hogy rengeteg pénzt és energiát öltek már a fejlesztésükbe, és szakértők szerint bőven van még mit kihozni belőlük. Az előállítási költségeket a tömegtermelés is csökkenti, amiben mások mellett nagy szerepe lesz a Tesla e célból épített gigafactoryjainak, azaz óriásgyárainak (az első tavaly óta Nevada államban már részlegesen üzemel).

De legalább ennyire fontos a technológiai fejlesztés. Az amerikai energiaügyi minisztérium konzorciuma, a Battery500 például a Tesla és az IBM közreműködésével ügyködik azon, hogy az akkumulátorok jelenlegi, kilogrammonként 250 wattórás energiasűrűségét megduplázzák. Elsősorban a grafitanódot akarják kiváltani szilíciummal, mivel utóbbi elméletileg tízszer annyi töltést képes tárolni, mint a grafit. A terv szépséghibája, hogy töltés és kisülés közben a szilícium kitágul és összehúzódik, valamint reakcióba léphet az elektrolittal. Ezek miatt a kísérleti szilíciumelektródák sokkal könnyebben meghibásodnak, mint a grafitból készítettek. Még legalább öt évet vehet igénybe az üzembiztos szilíciumanód kikísérletezése, ám még azzal is csak 350 wattórára növekszik majd a reformakkuk energiasűrűsége – jelezte a Guardian brit napilapnak nyilatkozó Jun Liu, a Battery500 igazgatója. A megcélzott duplázáshoz szükséges újabb 150-et egyéb fejlesztésekkel érhetik el – becslések szerint további öt év alatt.

Ez csak az egyik ötlet a Sony által 1991-ben piacra dobott lítiumion akkumulátor felturbózására, ám abban mindenképpen hasonlít a többi tervre, hogy – gyanúsan egybehangzóan – szinte mindegyiknek a fejlesztői általában 5–10 év múlva ígérik a piacképes megoldást. Mint például a többek által az akkumulátortechnológia Szent Gráljaként emlegetett lítium-levegő akkumulátor esetében. A hagyományosaknál elméletileg negyvenszer több töltést tárolni képes reformaksiban a lítium oxidációja nyomán szabadulnak fel elektronok. Megoldani már „csak” azt kellene, hogy ne kezdjen vészesen gyengülni tucatnyi töltési ciklus után. Ugyancsak a viszonylag gyors elhasználódás a gyengéjük a tervezett lítium-kén akkuknak is, amelyek szerényebb, de így is nagyságrendi előrelépést hoznának.

A grafitból készült anódot a Toshiba titán-nióbium-oxiddal váltaná ki, ami – októberi bejelentésük szerint – sokkal hatékonyabban tárolja a lítiumionokat, és megduplázza az energiasűrűséget. Így egy hatperces gyorstöltéssel háromszor akkora utat tehetnének meg az elektromos autók, mint jelenleg. Ráadásul a japán cég már 2019-re ígéri a piacképes változatot – kérdés, milyen áron.

©

A legfrissebb kutatások egyikeként a drezdai Fraunhofer Intézet több száz, rétegesen egymásra fektetett lemezből építené fel az autók hatótávját megduplázó áramforrást. A Samsung pedig graféngolyókkal vonná be a lítiumion akkuk elektródáit, hogy védje őket a korrodálódástól, és gyorsítsa az elektronok mozgását. Ezáltal ötödére esne a töltési időt, ami egy okostelefon esetében nem sokkal haladná meg a 15 percet.

Akármelyiket sikerül megvalósítani, azért is sürgető a mostani technológia leváltása, mert egyre nehezebb lesz alapanyagokat találni. A lítiumionos áramforrásokban (elsősorban az autókéiban) a lítium mellett grafitra, kobaltra, mangánra és nikkelre van leginkább szükség. Közülük a legkritikusabb a kobalt, amelyből egy telefon akkujába 8 grammnyit, egy autóéba viszont több mint 8 kilogrammnyit kell beépíteni. Ha semmi sem változik, az ezüstszürke fémből a következő évtizedben a jelenlegi mennyiség sokszorosára lesz szükség, miközben a szűkös tartalékok közel kétharmada a nem épp politikai stabilitásáról híres Kongói Demokratikus Köztársaságban található; rajta kívül még Zambiában és Kubában vannak jelentős készletek.

A kobalt ára 2016 óta máris megnégyszereződött. Svédország ezért elkezdte felkutatni a saját tartalékait, az Apple és néhány nagy autógyártó pedig közvetlenül a kongói bányák tulajdonosaival tárgyal az utánpótlásról. Időközben a – főleg az Andokban, illetve Kínában található – lítium ára is a két és félszeresére ugrott.

A sok bizonytalanság miatt elképzelhető, hogy nem is az akkumulátortechnológia terén, hanem az emberi hozzáállásban kellene paradigmaváltást elérni – vetette fel a Guardianben Jessika Trancik, a Massachusettsi Műegyetem (MIT) energiafelhasználást kutató professzora. Ha például az autótulajdonosok többsége megértené, hogy mindennapjaik 90 százalékában bőven elegendő az a hatótávolság, amire manapság már a legolcsóbb elektromos autók is képesek, akkor nem feltétlenül várnának el az akkuktól a belső égésű motorokéhoz mérhető teljesítményt – amire a legtöbbjüknek csupán évi néhány napon van szüksége.

Három kihívó

Hidrogén üzemanyagcella

Egykor a legnagyobb ígéret volt, manapság a legnagyobb illúziónak tűnik a fél évszázada fejlesztett hidrogén üzemanyagcella. A berendezésben a hidrogén katalizált kémiai reakció során elektromos áramot termel, végtermékként pedig víz keletkezik. A gyorsan utántölthető, lényegében örök élettartamú cellával azonban akad pár makacs probléma. A hidrogént nehéz tárolni, ezért nagyon magas, 700 baros nyomáson kell tartani, ami veszélyes, ráadásul a jelenlegi üzemanyagtartályok helyigénye többszöröse a hagyományosakénak. A hidrogénkutak széles körű telepítése nehézkes és rendkívül drága lenne, a gáz döntő részét pedig szénhidrogénekből, környezetszennyező módon állítják elő; igaz, próbálnak például genetikailag módosított algákkal vízből termeltetni hidrogént. Több autógyártó már lemondott a technológiáról, ám a Toyota és a Honda még kitartóan fejleszti, pár éve kaphatók is a nagyjából 500 kilométer hatótávolságú hidrogénhajtású autóik – horribilis áron.

Grafén szuperkondenzátor

Évek óta pedzegetik, hogy ha grafénból készítenék a rendkívül gyorsan tölthető és hatalmas mennyiségű töltést tárolni képes szuperkondenzátorokat, akkor a hagyományos akkumulátorok komoly versenytársai lehetnének. Egy telefon töltése például másodperceket, de egy autóé is csupán perceket venne igénybe. A grafén a speciális szerkezete miatt lenne képes a megfelelő, óriási felületet biztosítani a töltés tárolásához. Tavaly augusztusban a Manchesteri Egyetem kutatói elő is állítottak olyan, tintaszerű grafén-oxid festéket, amely szilárdtest jellegű flexibilis szuperkondenzátorként működik, de ez a ruhákra nyomtatható anyag legfeljebb a viselhető technológia energiaellátását oldhatná meg.

Szilárdtest akku

Kisebbek, nagyobb energiasűrűségűek, olcsóbbak és biztonságosabbak a mai akkuknál, ezért szintén nagy várakozás övezi a szilárdtest akkumulátorok fejlesztését, amelyekben az elektrolitot valamilyen, az elektromosságot jól vezető szilárd anyag váltaná ki. Csakhogy mindeddig nem találták meg a nyerő vezető közeget. A lítiumion akkuk egyik atyja, John B. Goodenough tavaly (94 évesen) a Texasi Egyetem csapatával együtt azzal állt elő, hogy háromszorosára növelné a kapacitást, ha üveget tennének a lítium és a nátriumelektródák közé, ám az ötletet sok szakmai kritika érte. Novemberben három amerikai kutatóintézet tudósai mutatták be közösen magnézium, szkandium, szelén, valamint magnézium-alumínium-oxid ötvözetéből álló, „kiemelkedő teljesítményt” produkáló szilárdtest akkumulátorukat. A számos kutatás ellenére jelenleg mindegyik próbálkozás csupán kísérleti fázisban van.

Ha máskor is tudni szeretne hasonló dolgokról, kövesse a Tech + tudomány rovatot a HVG hetilapban, és lájkolja a Facebook-oldalunkat.

Csatlakozzon a HVG Pártoló Tagsághoz!

Több mint 1 milliós olvasótáborunk zöme már a digitális, ingyenes tartalmainkból tájékozódik. Az ezt lehetővé tevő hirdetéseken alapuló üzleti modellre azonban nagy nyomást helyeznek a technológiai vállalatok és a független médiát ellehetetlenítő politika.
Azért, hogy továbbra is a tőlünk telhető legmagasabb színvonalon szolgáljuk ki olvasóinkat Pártoló Tagsági programot indítunk. Tagjaink közelebb kerülhetnek szerkesztőségünkhöz, illetve számos előnyt élvezhetnek.
Csatlakozzon programunkhoz, vagy támogasson minket egyszeri hozzájárulással!