Jön az akkumulátorforradalom? Ezek a technológiák boríthatják a piacot

Néhány havonta érkezik egy olyan hír, hogy itt az áttörés az akkumulátortechnológiában, ami majd mindent megváltoztat az elektromos autózásban – aztán semmi. Természetesen az akkumulátorok fejlődnek, és ha mondjuk a tíz évvel ezelőttiekhez hasonlítjuk a kapacitásukat vagy éppen a töltési sebességüket, akkor ég és föld a különbség, de a nagy, forradalmi áttörés, ami tényleg a belső égésű motorok fölé helyezné, vagy legalább azokkal teljesen egyenrangúvá tenné árban és praktikumban az elektromos autókat, egyelőre nem következett be.

Pedig igény az igencsak volna valami forradalmi áttörésre, több szempontból is. Általánosságban az autóvásárlók nyilván örülnének egy környezetkímélő, kényelmes és olcsó megoldásnak. Ugyan a klímaváltozás vagy éppen a légszennyezettség elleni küzdelemnek csak az egyik, és talán nem is a legfontosabb frontja az autók károsanyag-kibocsátásának drasztikus csökkentése, de az biztos, hogy a világ jobb hely lenne, ha belátható időn belül nulla közelivé lehetne redukálni legalább a személyautók helyben kibocsátott szennyezését.

De ha kicsit nyugati, európai szemmel nézzük a helyzetet, akkor jelenleg Kína tulajdonképpen letarolta az elektromos autók (EV) akkumulátorainak piacát: a világ lítiumion-akkumulátorcelláinak nagyjából háromnegyede Kínában készül, olyan áron és olyan technológiai fejlettségi szinten, amelyhez európai cégek közel sem igazán tudnak kerülni.

Ha elfogadjuk, hogy az EV-k térhódításának némi megtorpanása ellenére is az elektromos autózásé a jövő, de egyben szeretnénk, hogy a piacon hosszú távon is életképesek maradjanak az évtizedeken át az európai ipar meghatározó bástyáinak számító autógyárak, akkor ennek nem nagyon van más útja, mint valamiféle újabb, más technológia elterjedése, amelyben az európai gyártók eséllyel vehetik fel a versenyt Kínával (vagy éppen az Egyesült Államokkal).

Ha ez az új technológia tényleg gyökeresen más lenne, mint a jelenlegi, akkor pedig még akár az autóipar lítium-, illetve ritkaföldfém-éhsége, és az ebből fakadó, szintén főként Kína irányába való kiszolgáltatottsága is csökkenhetne.

A Wired szakértőket kérdezett meg arról, melyek azok a technológiák, amelyekre érdemes odafigyelni, és ezek közül melyek találhatnak belátható időn belül utat a megvásárolható EV-kbe. Azt is megpróbálták összefoglalni, melyek az egyes technológiák megvalósításának, elterjedésének a fő akadályai.

Kis lépések, nagy előrelépések

Általánosságban mindenképpen elmondható, hogy az EV-akkumulátorok igencsak komplex szerkezetek. Egy akár apró változtatás is nagy hatással lehet egy akkumulátorpakk árára, az energiatárolási kapacitására, vagy éppen a töltési sebességére. A kutatók, gyártók, de akár adott esetben egyes beszállítók is folyamatosan kísérletezgetnek minden apró részegységgel is, keresve a jobb megoldásokat.

Csakhogy a másik oldalon ezeket az akkumulátorokat aztán megbízható módon sorozatgyártani kellene, végül pedig az utakra, átlagos felhasználók kezei közé adva kiengedni. Meg kell tehát bizonyosodni afelől, hogy egy változtatás egyrészt nyersanyagigény, gyártástechnológia, beszállítói láncok irányból lekövethető. És ha igen, akkor is felmerül a kérdés: megéri átalakítani a gyártási folyamat egy jelentős részét egy adott nyereségért? Lehet, hogy egy új megoldás mondjuk megnöveli az adott akkumulátorcsomaggal elérhető hatótávolságot 50-100 kilométerrel, de dollármilliárdokba kerülne átalakítani a gyártást – visszajön ez a befektetés valahol? Továbbá arról is meg kell bizonyosodni, hogy a végül legyártott akkumulátorok valóban hosszú távon hozzák a jobb eredményeket, illetve kiszámíthatóan és biztonságosan fognak működni a teljes élettartamuk során.

Ebből aztán az következik, hogy egy laboratóriumi körülmények között elért látványos eredményt mutató megoldás egyáltalán nem biztos, hogy valaha is eljut a sorozatgyártásig és az autókba történő beépítésig. Vagy ha igen, akkor is sok éves, akár tíz évnél is hosszabb távlatban. A hírekbe kerülő biztató új eredmények egy része tehát minden bizonnyal szép csendben elvérzik valamelyik fenti akadályon, egy másik részük viszont esetleg már útban van a sorozatgyártás felé, csak éppen jóval lassabban, mint laikusként elvárnánk, egy harmadik részük pedig már valamilyen formában meg is valósult, csak éppen ez nem hatalmas ugrásnak, inkább kisebb lépésnek tűnik egy folyamatosan fejlődő és átalakuló környezetben. Nagyjából e hármas tagolásra választotta szét a Wired cikke is a különböző technológiákat, és ezekből szemezgetünk az alábbiakban.

Már úton van

Lítium-vasfoszfát akkumulátor

A megvalósult újítások közös eleme, hogy a lítiumion-technológiához kötődnek. Vannak más alapokra épülő akkumulátortechnológiák fejlesztés alatt, de a lítiumion akkumulátorok az elmúlt időszakban annyira dominálták a piacot és annyi fejlesztésen estek át, hogy nagyon nehéz lenne bármilyen más technológiának a közelükbe kerülni – és behozni azt a sok-sok milliárd dollárt, amit a gyártók már befektettek a lítiumionos fejlesztéseikbe.

A lítium-vasfoszfát akkumulátorok fő előnye, hogy a nehezebben beszerezhető és drágább nikkel és kobalt helyett vasat és foszfátot használnak. E mellett stabilabbak és lassabban is veszítenek a kapacitásukból az újabb és újabb töltési ciklusokkal. Cserébe viszont ugyanakkora méretben és súlyban kevesebb energiát tárolnak, mint „hagyományos” társaik (azaz alacsonyabb az energiasűrűségük). A BYD már tömegesen gyárt ilyen akkumulátorokat, a kínai piacon pedig nagyon népszerűek is ezek a modellek, a közeljövőben pedig az európai és az amerikai piacon is növekedhet a súlyuk.

Több nikkel

A lítium-nikkel-mangán-kobalt akkumulátorok nikkeltartalmának növelése nagyobb energiasűrűséget jelent, ráadásul kevesebb drága és nehezen beszerezhető kobalt felhasználását teszi szükségessé. Csakhogy a nikkeltartalom növelése csökkenti az akkumulátor stabilitását, ezért sokkal aprólékosabb tervezést tesz szükségessé. Az ilyen akkumulátorok ezért feltehetően csak a drágább kategóriájú EV-kben jelenhetnek meg.

Száraz elektródás eljárás

A mostanra már hagyományosnak nevezhető gyártási folyamatban az elektródaanyagot egy úgynevezett nedvesbevonat-eljárás keretében oldószeres iszappá alakítják, majd folyékony állapotban viszik fel egy fémfóliára, hogy aztán kiszárítsák és préseljék. Ez időigényes eljárás, amelynek során és rengeteg mérgező, veszélyes anyaggal kell dolgozni, majd ezeket ártalmatlanítani.

A szárazbevonat-eljárás kiküszöböli ezt a fázist. Az elektródaport itt egy kötőanyaggal keverik össze, majd úgy viszik fel a fóliára, ahol a nyomás és a hőmérséklet hatására tapad oda. Ez időt, pénzt és környezetszennyezést takaríthat meg, összességében pedig olcsóbb EV-ket jelenthet. A Tesla egyébként már részben használja is ezt az eljárást „élesben”, de a teljes akkugyártási folyamatra kiterjeszteni egyelőre túl bonyolultnak ítéltetett.

Modulok nélkül

A megszokott EV-akkumulátorok esetében az akkumulátorcellákat modulokba rendezik, majd ezekből építik fel az akkumulátorpakkot. A cella-pakk megoldás esetében azonban a modulok kihagyásával épül fel a pakk. Így ugyanakkora térfogatba több kapacitást lehet beépíteni, akár 70-80 kilométernyi plusz hatótávolságot is elérve ugyanakkora akkumulátorpakkal. Ráadásul még olcsóbb is ez az eljárás, amelyet a Tesla és a BYD is használ már, ahogy a kínai akku-óriás, a CATL is. A hátulütők között ott van, hogy a modulok segítenek megfékezni a túlmelegedés elszabadulását, a modulokat pedig könnyebb cserélni – az egyes cellák javításához, cseréjéhez gyakran szükséges lehet az egész akkumulátorpakkot megbontani.

Szilícium anódok

A lítiumion akkumulátorokban grafit anódokat használnak. Szilícium hozzáadásával nagy fejlődést lehet elérni: több energia tárolása, gyorsabb töltés. A Tesla már kever valamennyi szilíciumot az anódjaihoz, a Mercedes és a GM pedig azt állítja, közel vannak a sorozatgyártáshoz.

A kihívást az jelenti, hogy a lítiummal kevert szilícium töltésfelvétel és -leadás közben kitágul, illetve összehúzódik, ez pedig strukturális terhelést okoz, hosszabb távon pedig repedésekhez, a kapacitás drámai csökkenéséhez vezethet, ezért is használják inkább kisebb akkumulátorokban ezt a megoldást egyelőre.

A jövő zenéi

Nátriumion

Nátrium – mindenhol ott van. A lítiumhoz képest olcsóbb, könnyebb kitermelni és feldolgozni. Ráadásul a nátriumionos akkumulátorok a tesztek során jobban teljesítenek extrém hőmérsékleti körülmények között, illetve stabilabbak is. A CATL azt állítja, jövőre elkezdheti sorozatgyártani ezeket, és úgy tippelik, hogy hosszabb távon a kínai személyautó-piac 40 százalékát is nátriumion-akkumulátoros autók adhatják.

A technológia terjedését az gátolja, hogy a nátriumionok nehezebbek a lítiumos változatnál, így egy ugyanolyan súlyú pakkba kevesebb energiát lehet „betölteni”. Ezért a technológia inkább alkalmas energiatárolásra, mint mozgó járművekhez, ráadásul az újdonsága miatt egyelőre nem épültek még ki az ellátási láncok, illetve a kipróbált gyártási folyamatok sem.

Szilárdtest-akkumulátorok

Az autógyártók évek óta ígérik, hogy nemsokára itt vannak a szilárdtest-akkumulátorok – és ez remek lenne, ha igaz lenne. Ez a technológia a megszokott folyékony vagy zselés elektrolitokat szilárdakra cserélné. Több lehetséges kémiai megoldás is lehetséges, de mind nagy előnyöket kínál: nagyobb energiasűrűség, gyorsabb töltés, kevesebb biztonsági kockázat. A Toyota azt állítja, hogy 2027-ben vagy 2028-ban piacra dobja az első ilyen akkumulátorokkal szerelt autóit, a Bloomberg jóslata szerint pedig 2035-re a szilárdtest-akkumulátorok az EV-akkumulátorok és energiatárolási piac 10 százalékát fogják kitenni.

A fő nehézséget a gyártási folyamat jelenti. Az ilyen akkumulátorok gyártásához teljesen új gépek kellenek, és nagyon nehéz ipari mennyiségekben hibátlan szilárdtest-rétegeket gyártani. Abban sincs egyelőre közös nevező, hogy pontosan melyik elektrolit-megoldást is kéne használni, ez pedig az ellátási láncok kiépítését gátolja.

Szép álmok

Vezeték nélküli töltés

Leparkoljuk az autót, kiszállunk, és már tölt is – semmi dugdosás. Ez lenne a tökéletes kényelem, és egyes autógyártók szerint ez a jövő útja. A Porsche még egy prototípust is bemutatott, amely jövőre már az utakra is kerülhet.

Csakhogy a jelenleg használatos töltők tökéletesen jól működnek, jóval olcsóbbak – és így sincs mindig elég belőlük. A Wired szakértője szerint a vezeték nélküli töltés szűk területeken terjedhet el, például buszoknál, amelyek az útvonaluk megállóiban állva tölthetik akkumulátoraikat. De ez a technológia soha nem lesz általánosan használatos.