Kun Róbert, a Természettudományi Kutatóközpont Anyag- és Környezetkémiai Intézetének tudományos főmunkatársa, a Szilárdtest Energiatárolók Kutatócsoport vezetője szerint rövid időn belül olyan hatalmas mennyiségű akkumulátorra lesz szüksége az államoknak, hogy az ezek gyártásához használt anyagok ugyanolyan függőségi helyzetet eredményezhetnek, mint jelenleg a fosszilis energiahordozók. Ezért is fontos a fenntarthatóság ezen a területen is, ami csak újrahasznosítással működhet.
Kun Róberttel az Innotéka készített interjút. Ennek során a szakértő elmondta, hogy csak a lítiumion-akkumulátor kifejlesztése után kerülhetett napirendre a mindennapokban is használható elektromos autók megalkotása, mivel a korábbi akkumulátorok nem voltak alkalmasak mobilitási alkalmazásokra. A kutatócsoport vezetője hozzátette, hogy a lítiumion-akkumulátor két-háromszoros ugrást jelentett az ólom- vagy a nikkel-fémhibrid akkumulátorokhoz képest, fajlagos energiatartalmát tekintve.
A kérdésre, hogy milyen fejlesztések történtek a lítiumion-akkumulátorokban a megjelenésük óta eltelt három évtizedben Kun elmondta, hogy az elmúlt harminc év fejlesztései nem annyira magát a reakciót érintették, sokkal nagyobb szerepük volt benne a cellák működését biztosító műszaki, mérnöki megoldásoknak. „Például az akkumulátorokban alkalmazott áramvezető rézfólia vastagsága ma már nem több tíz mikron, mint volt 20-30 évvel ezelőtt, hanem 8-10 mikron. Ugyanígy sokkal kisebb tömeg- és térfogathányadot tesznek ki a cellában a további, elektrokémiailag inaktív alkatrészek is (szeparátor, elektrolit, adalékok stb.). Összességében tehát
jelentősen csökkent az akkumulátorok azon alkotóelemeinek tömege, amelyek maguk nem tárolnak energiát, de szükségesek a gyakorlati cella kialakításához és a biztonságos üzemeltetéséhez,
ugyanakkor növelik a teljes szerkezet tömegét, és így csökkentik a tömegre vonatkoztatott fajlagos energiasűrűséget” – sorolta a szakértő.
„Az akkumulátorok kezdeti energiasűrűsége szinte megkétszereződött. A korábbi akkumulátorokhoz képest a lítiumion-akkumulátorok 110-120 wattóra/kilogramm fajlagos energiatartalma minőségi ugrást jelentett, és manapság ez az érték már 250-270. A kezdeti energiasűrűségük szinte megkétszereződött, és ez tette lehetővé, hogy akár 400-500 kilométerre is elautózzunk egy töltéssel” – tette hozzá.
Kun szerint a fejlesztések fő hajtóereje egyrészt az energiasűrűség növelése, másrészt az akkumulátor biztonságosabbá tétele, könnyebb üzemeltetése, hosszabb élettartama, több töltési ciklus minőségromlás nélkül, és minél gyorsabban töltés. „Az úgynevezett negyedik generációs, kísérleti fázisban lévő akkumulátorok energiasűrűsége majd elérheti a 400-500 wattóra/kilogrammot. A mai akkumulátorok már szinte tökéletesen ki vannak hegyezve a maximálisan elérhető teljesítményre, de újabb fejlesztésekkel, mint az anód és a katód anyagának megváltoztatása, elérhetőnek tűnik a 320-340 wattóra/kilogramm energiasűrűség is” – mondta.
A továbblépés irányait illetően közölte, sok fejlesztés zajlik manapság az anód és a katód anyagának megváltoztatása érdekében. A Természettudományi Kutatóközpont Anyag- és Környezetkémiai Intézetében negyedik generációs, lítium-kén akkumulátorokat fejlesztenek, amelyekben – a jelenlegi akkuktól eltérően – nem interkalációs katód üzemel, hanem elemi kénből álló konverziós katód működik bennük. A konvencionális interkalációs katódok fajlagos kapacitása 160-170 milliamperóra/gramm, az elemi kéné ennek a tízszerese. Ez a kapacitásnövekedés részben a lítium és a kén között zajló reakcióból adódik, és biztosíthatja, hogy a fajlagos energiasűrűség elérje a 450 wattóra/kilogrammot.
Arra vonatkozóan, hogy utóbbiak miért nem terjedtek még el elmondta: a lítium-kén, illetve más szilárdtest-akkumulátorok gyártása előtt még gyártástechnológiai és anyagkémiai kihívások és feladatok állnak. Az akkumulátorok jelenlegi átlagos élettartama 1000-2000 töltési ciklus, ezt szeretnék 2000-3000 ciklusra növelni, hogy csak utána öregedjen (degradáció) annyira (70-80 százalék), hogy az akkumulátort már cserélni kelljen. Viszont
a jelenleg fejlesztés alatt álló, nagyobb energiasűrűséget biztosító akkumulátorok most még sokkal gyorsabban öregszenek.
A töltési sebességet illetően az intézet vezetője eloszlatta azt a reményt, hogy a jövőben ugyanolyan gyorsan fel lehet majd tölteni az elektromos járműveket, mint amennyi idő alatt ma teletöltjük a belső égésű motorokkal hajtott autók tankját. Elmagyarázta, hogy bár a katód és anód anyagának változtatásával valamennyire módosítani lehet a töltés sebességét, de ez alapvetően az elektronok és az ionok vezetésének távolságától (diffúziós úthosszak) és sebességétől (diffúzió, töltéshordozók mozgékonysága) függ. Ha nagy kapacitású akkumulátor a cél, akkor vastagabb elektródrétegeket kell beépíteni a cellába. Ezekre nem lehet úgy nagy töltő- és kisütőáramokat rákapcsolni anélkül, hogy azok ne indítsanak el káros mellékreakció(ka)t. Ha az a cél, hogy nagy áramok legyenek az akkumulátorra kapcsolhatók, akkor kevesebb anyagot kell beépíteni a cellába, hogy kisebb legyen a belső ellenállása, ettől viszont csökken a kapacitás.
„Az elektrokinetika törvényeit nem tudjuk felülírni, ezek határt szabnak a kapacitás és a töltési sebesség párhuzamos növelésének.”
Hozzátette ugyanakkor, hogy vannak cégek, amelyek úgynevezett kettős akkumulátorokkal (dual battery) kísérleteznek. Ez a megoldás lehetővé teszi a gyors, de viszonylag kis kapacitású töltést, például öt perc alatt fel lehet tölteni az akkumulátort egy értelmezhető hatótávra, illetve a lassabb, de nagyobb kapacitású töltést is, ami a nagyobb hatótávú működtetést szolgálná.
Az interjúban felmerült a kérdés, hogy miről is beszélünk, amikor kapacitásról, energiasűrűségről, esetleg teljesítményről ejtünk szót. Kun Róbert tisztázta a fogalmakat és elmondta, hogy ha az elektromos energiát folyadékként, az akkumulátort pedig palackként képzeljük el, akkor a kapacitás a képzeletbeli palackunk űrtartalma, vagyis hogy mennyi folyadékot tudunk tárolni benne. Ha ezt a kapacitást tömegegységre vonatkoztatjuk, akkor kapjuk a fajlagos energiasűrűséget. A teljesítményt ezzel szemben az jellemzi, hogy milyen gyorsan lehet a palackot teletölteni vagy kiüríteni, és ez nyilván a példában hozott palack nyílásának méretétől függ. A teljesítményt is vonatkoztathatjuk tömeg- vagy térfogategységre, így kapjuk a fajlagos teljesítményt, ez tehát arról árulkodik, hogy az akkumulátor mekkora időtartam alatt képes felvenni vagy leadni az eltárolt energiát. A kapacitás attól függ, hogy mennyi elektrokémiailag aktív anyagot építettünk bele a cellába.
Kihívások az akkumulátorok előállításánál
A szakember szerint az akkumulátorok rendkívül komplex anyagtudományi rendszereknek tekinthetők, emiatt nagyon szigorú munkavédelmi, szállítási, tárolási előírásokat kell betartani. Beismerte, hogy a lítiumion-akkumulátorokban használt elektrolitok és a különböző adalékanyagok az egészségre és a környezetre veszélyesek lehetnek. Ezért a gyártók és a hatóságok legfontosabb feladata az, hogy a károsanyag-kibocsátást lehetőség szerint nullára csökkentsék.
Újrahasznosítás
Kun elmondta, hogy az újrahasznosítás nemcsak a környezetvédelem miatt elsőrendű jelentőségű, hanem az akkumulátorgyártásban felhasznált alapanyagok elérhetősége és ellátásbiztonsági szempontok miatt is. „Az akkumulátorokba beépített anyagok 80-90 százalékban Kínából származnak, míg az ezek előállításakor használt nyersanyagok általában afrikai, ausztrál vagy ugyancsak kínai eredetűek. A nyersanyagokat Kínában alakítják olyan tisztaságúvá, hogy fel lehessen őket használni az akkumulátorok gyártásához. Vagyis az akkumulátorok iránti igény újra nyersanyagfüggőséget teremt, csak most nem a fosszilis üzemanyagok importja lesz létfontosságú, hanem az akkumulátorgyártáshoz elengedhetetlen ásványi nyersanyagokat kell mindenképpen biztosítaniuk azoknak az országoknak, amelyek ezeket maguk nem képesek kitermelni” – magyarázta. „Az akkumulátoripar lítiumforrása, a petalit ritka előfordulású lítium- és alumíniumtartalmú rétegszilikát. Az akkumulátorokba beépített anyagok 80-90 százalékban Kínából származnak, míg az ezek előállításakor használt nyersanyagok általában afrikai, ausztrál vagy ugyancsak kínai eredetűek.”
A szakértő rámutatott, hogy
az Európai Unióban meghatározták, hogy az új készülékekbe épített különböző kémiai elemek hány százalékának kell újrahasznosított forrásból származniuk. Tehát ez az iparág újrahasznosítás nélkül nem létezhet, nem lehet fenntartható.
Elmondása alapján nem áll rendelkezésre olyan mennyiségű ásványi anyag, ami elegendő lehet a jövőben szükségessé váló akkumulátorok gyártásához, az akkumulátor komponenseinek pedig legalább 80-90 százaléka visszaalakítható eredeti formájába, a visszanyert anyagokból ugyanolyan értékű akkumulátor gyártható.
Az újrahasznosítást sorba rendezhető cégek végzik. Az első fázisában a fekete anyagig jutnak el, amely már hozzáférhetőbb formában tartalmazza az összetevőket. Ezt követi a finomítás. A finomítás termékét megveszi a katódaktívanyag-gyártó vállalat és a megrendelő által kért összetett anyagot gyárt belőle. Ezt a terméket veszi meg a cellagyártó, és készíti el belőle az új akkumulátor pozitív elektródját, „katódját”. Ezt a fosszilis üzemanyagoknál nem lehet megtenni.
Forrás: Innotéka