Kutatás: olcsóbb és hatékonyabb megoldásokat keresnek az elektromos autókba

Li-ion akkumulátorok

Elsa Olivetti, az anyagtudomány professzora szerint, az emberiségnek szüksége van minden olyan stratégiára és módszerre, amellyel kezelni tudjuk az éghajlatváltozás okozta kihívásokat. Úgy véli, kritikus fontosságú a hálózatalapú tároláshoz szükséges nagy kapacitású technológiák kifejlesztése. Napjainkban a kutatások nagymértékben a lítium-ionos akkumulátorokra koncentrálnak, hogy például a mobiltelefonok energiaforrásai minél biztonságosabbak, kisebb méretűek, könnyebbek, ugyanakkor nagyobb teljesítményűek legyenek.

Ennek köszönhetően a Li-ion akkumulátorok folyamatosan fejlődnek, de ennek, részben a szerkezetük miatt, vannak határai. A lítium-ion akkumulátor két elektródából áll, az egyik pozitív, fém-oxid, a másik negatív, szénalapú elektróda és folyadék, általában valamilyen szerves oldat, veszi őket körül. Az akkumulátor töltésciklusai során, az elektromosan töltött lítiumionok a negatív elektródához, kisütéskor pedig a pozitív elektródához vándorolnak. 

(forrás: news.mit.edu)

A technológia korlátai

Ennek a kialakításnak az az egyik nehézsége, hogy bizonyos feszültség vagy hőmérséklet esetén a folyékony elektrolit illékony lehet és akár tüzet is okozhat. Kevin Huang, aki Olivetti kutatócsoportjának tagja, hangsúlyozza, hogy az akkumulátorok normál használat mellett általában biztonságosak, de elismeri, hogy sajnos a kockázat mindig fennáll. Hatalmas probléma, hogy a Li-ion akkumulátorok nem alkalmasak járművekben való felhasználásra. Ugyanis a jelenlegi méret-teljesítmény arányának figyelembevételével, egy autó számára alkalmas lítium-ionos energiaforrás olyan nagy méretű lenne, hogy hatalmas helyet foglalna el, illetve óriási súlya miatt drasztikusan csökkentené a hatékonyságot. 

A szilárd elektrolit az egyik lehetséges megoldás

Az akadályok feloldásának érdekében a kutatók igyekeznek megváltoztatni a Li-ion akkumulátor legfontosabb jellemzőit, hogy ezzel egy teljesen szilárd vagy „szilárdtest” változatot hozzanak létre. Ebben az esetben az elektródák körül található folyékony elektrolitot egy vékony, szilárd elektrolitra cserélik, amely a feszültség és a hőmérséklet széles spektrumában stabil marad. Ebben az esetben a szilárd elektrolit mellett nagy kapacitású pozitív elektródát és szintén nagy teljesítményű, lítium-fém anyagú negatív elektródát használnak, ami sokkal vékonyabb, mint a korábbi porózus szénréteg. Ezek a változtatások sokkal kisebb méretet eredményeznek, miközben megőrzik az energiatároló kapacitást, így nagyobb energiasűrűséget lehet elérni általuk.

Azonban azt is gyorsan hozzáteszi, hogy ezek csak jövőbeli, remélt és nem feltétlenül megvalósuló eredmények. De remélhetőleg hamarosan megtalálják a kutatók azokat az anyagokat és technológiákat, amelyek elérhetővé teszik ezeket a célokat. 

Az elmélet nem elég

Már mostanra is számos érdekes lehetőséget tártak fel a kutatók különböző laboratóriumokban, Olivetti és Huang azonban úgy gondolják, hogy a további gyakorlati megfontolások fontosak lehetnek, tekintettel az éghajlatváltozás sürgető kihívásaira. Olivetti elmondta ugyanis, hogy bár mindig vannak olyan mérőszámok, amelyeket a laboratóriumi kísérletek során alkalmaznak a lehetséges anyagok és folyamatok értékeléséhez, de ha a cél a megvalósítás és a gyakorlati hasznosítás a mindennapokban, akkor szerinte szükséges néhány újabb mutató figyelembevétele, amelyek kifejezetten a gyors skálázás lehetőségével foglalkoznak.

Fontos kérdések az innováció útján

Az iparág jelenlegi lítium-ion akkumulátorokkal kapcsolatos tapasztalatai alapján Gerbrand Ceder a Massachusetts-i Műszaki Egyetemről és Daniel M. Tellep (a Berkeley Egyetem professzora) három kérdést javasol, melyek segíthetnek azonosítani az anyagválasztás terén felmerülő jövőbeli lehetséges akadályokat. 

• Az első, hogy az ellátási láncok stabilitását figyelembe véve, az árak ingadozása és az alapanyagok elérhetősége okozhat-e problémát a termelés növekedésével? Itt fontos megjegyezni, hogy a bányászat által felvetett környezetvédelmi és egyéb aggályok nem tartoznak a vizsgált kérdés tárgykörébe. 
• A második kérdés, hogy a gyártási folyamatban vannak-e olyan lépések, melyek során az alkatrészek meghibásodhatnak? 
• A harmadik pedig, hogy az a gyártási ciklus, melynek során az adott anyagokból nagy teljesítményű akkumulátor készíthető, növeli vagy csökkenti a termék előállítási költségeit?

Olivetti, Ceder és Huang, közösen vizsgáltak néhány elektrolitként használható vegyi anyagot és akkumulátor szerkezetet, amelyek jelenleg fejlesztési fázisban vannak. A minta kiválasztását egy korábbi kutatásukra alapozták, melynek során adatokat és információkat gyűjtöttek a témában elérhető publikációkból és kutatási anyagokból. Az adatgyűjtés során olyan többször említett alternatívákat választottak, melyek jól reprezentálják a lehetőségek teljes spektrumát. 

(forrás: news.berkeley.edu)

Lehetséges alapanyagok az akkumulátorgyártásban

A szilárd, szervetlen elektrolitok világában az anyagok két fő csoportja létezik, az oxigént tartalmazó oxidok és a kéntartalmú szulfidok. A kutató hármas mindkét csoportból egy-egy ígéretes elektrolitopcióra összpontosított, és megvizsgálta azok kulcsfontosságú elemeit. 

A szulfidos alternatíva az LGPS volt, amely lítiumot, germániumot, foszfort és ként tartalmazott. Az anyagok hozzáférhetőségét figyelembe véve a germániumra összpontosítottak, mely elemet általában nem bányásszák önmagában, csak a szén és a cink bányászatakor kerül felszínre, mintegy melléktermékként. 

A germánium esetében megvizsgálták, hogy mennyit termeltek belőle évente az elmúlt hat évtizedben a szén- és cinkbányászat során, illetve, hogy mennyit lehetett volna előállítani, ha célirányosan folyik a kitermelés. Arra a megállapításra jutottak a szakemberek, hogy az elmúlt években akár százszor több germániumot lehetett volna kitermelni, amennyiben szükség lett volna rá. Tekintettel erre az ellátási potenciálra, a kutatók úgy vélik, a germánium valószínűleg nem korlátozza az LGPS elektroliton alapuló szilárdtest akkumulátorok terjedését. 

A helyzet kevésbé tűnt ígéretesnek a kutatók által kiválasztott oxid esetében, amely a LLZO nevet kapta, ugyanis lítiumból, lantánból, cirkóniumból és oxigénből állt. A lantán azonban a ritkaföldfémek közé tartozik, melyeket gyakorlatilag csak Kínában bányásszák, így nem vizsgálták, nem is igazán tudták volna vizsgálni, hogy milyen mennyiségben lehet elérhető az ipar számára. A másik három elemről azonban megállapítható, hogy bőségesen elérhetőek. A gyakorlatban azonban ehhez az elegyhez egy kis mennyiségű másik elemet, úgynevezett dópolót, tulajdonképpen szennyeződést, kell hozzáadni, hogy az LLZO könnyen feldolgozható legyen. A csapat így a tantálra, mint a leggyakrabban használt ilyen dópolóra összpontosított, mint az LLZO legkritikusabb elemére. 

A tantál az ón és nióbium bányászatának melléktermékeként kerül felszínre. A kutatási adatok azt mutatták, hogy a tantál eddig bányászott mennyisége jóval közelebb áll a potenciális maximumhoz, mint a germánium esetében. Tehát a tantál hozzáférhetőségének mértéke aggasztó akadály lehet az LLZO-alapú akkumulátorok tömeges gyártása esetén. 

Nem csak a hozzáférhetőség lehet fontos szempont

Nem érdemes csupán az elemek előfordulását és bányászhatóságát vizsgálni az új technológiák fejlesztése során, hiszen az is fontos szempont, hogy mennyire könnyen kezelhetőek, szállíthatóak ezek az elemek. A feldolgozás, finomítás, szállítás mellett, bőséges készleteket feltételezve azt is meg kell vizsgálni, hogy képesek-e az adott anyagot szállító ellátási láncok elég gyorsan bővülni ahhoz, hogy kielégítsék az elem iránti megnövekedett keresletet. 

Így Olivett, Ceder és Huang megvizsgálták, hogy a germánium és a tantál ellátási láncainak mennyit kellene növekedni évről évre ahhoz, hogy képesek legyenek kielégíteni a 2030-ra tervezett elektromos járműpark alapanyagigényét. Ez azt jelentené, hogy annyi akkumulátorra lenne 2030-ra szükség, ami 100 gigawattóra energiát képes biztosítani. Ahhoz, hogy ez tisztán LGPS akkumulátorokkal megvalósítható legyen, a germánium ellátási láncának minden évben 50 százalékkal kell növekednie, szemben az eddigi 7 százalék körüli bővüléssel. LLZO akkumulátorok esetében pedig a tantál ellátási láncának kell körülbelül 30 százalékkal növekednie, ami szintén jóval meghaladja az eddigi legmagasabb, 10 százalékos növekedési csúcsot. 

Jelen esetben a germánium hozzáférhetősége nem kérdéses, azonban páratlan növekedésre lesz szükség az ellátási lánc kapacitásában az elektromos járművek drasztikus terjedésével. 

Hibalehetőségek a gyártási folyamatban

A kutatók szintén megvizsgálták az akkumulátor kialakításában rejlő lehetőségek bővítésének alternatíváit. Itt egy újabb fontos tényezőt kellett figyelembe venniük, mégpedig a gyártási folyamat nehézségeit és annak közvetlen hatását az előállítási költségekre. Ugyanis a szilárdtestalapú akkumulátor gyártása elkerülhetetlenül sok lépésből áll, és mindegyik állomáson fennáll a meghibásodás lehetősége, ami így jelentősen csökkenti a várható, sikeresen legyártott akkumulátorok előállítási költségeit is. Huang úgy magyarázza ezt, hogy a meghibásodott darabokból hulladék keletkezik, pedig azokban már bizonyos mennyiségű alapanyag felhasználásra került és az előállításra fordított időből is felhasználtak valamennyit. Ezek költsége pedig így mind kárba vész, amit a tökéletes és értékesíthető darabok árába kell beépíteni. 

A lehetséges gyártási nehézségek kiküszöbölése érdekében Olivetti, Ceder és Huang megvizsgálták a selejt arány hatását az adatbázisukban kiválasztott szilárdtest akkumulátorkonstrukciók összköltségére. Az LLZO esetében azt találták, hogy ez a technológia nagyon törékeny elektrolitot eredményez. Mivel a gyártás magas hőmérsékleten történik, így a nagy, de vékony anyaglapok, melyek nagy teljesítményű szilárdtestalapú akkumulátorokban használhatóak, nagy valószínűséggel repednek meg vagy deformálódnak. 

Annak érdekében, hogy meghatározzák az ilyen meghibásodások összköltségre gyakorolt hatását, négy kulcsfontosságú gyártási lépést modelleztek az LLZO-alapú akkumulátorok összeszerelésében. Minden lépésnél a költségeket a feltételezett hozam alapján számították ki. Az LLZO-alapú akkumulátor hozama jóval alacsonyabb volt, mint a többi vizsgált technológia esetében, és a hozam csökkenésével az előállított akkumulátorok kilowattóránkénti költségei jelentősen emelkedtek. Például az utolsó lépés során 5 százalék hibás termék keletkezett, így csak ezen a ponton 30 dollárral emelkedett az akkumulátor kilowattóránkénti költsége. Ez pedig igen jelentős mértéknek számít, főleg, ha figyelembe vesszük, hogy az ilyen akkumulátorok általánosan elfogadott célköltsége 100 dollár kilowattóránként. Ezek alapján láthatjuk, hogy a gyártási folyamat nehézségei milyen mély hatással lehetnek a nagyívű tervek életképességére. 

A termék gyenge pontja

A szilárd elektrolitos akkumulátorok tervezésének egyik fő kihívása és kritikus pontja az interfész, azaz azok a pontok, ahol az egyik alkatrész kapcsolódik a másikhoz. Ezek azok az érzékeny illeszkedések, ahol a gyártás vagy üzemeltetés során az anyagok instabilakká válhatnak. Ezért sok kutatást végeznek annak érdekében, hogy stabilizálják ezeket az interfészeket a különböző típusú akkumulátorokban. A javasolt módszerek közül sok növeli is a teljesítményt, ennek következtében pedig az akkumulátor előállítási költsége csökken. Az ilyen megoldások megvalósítása azonban általában több anyagot és időt igényel, ami viszont növeli az összköltséget a nagyüzemi gyártás során. 

Ennek fényében a kutatók először az oxid csoportot vizsgálták. Itt a cél az LLZO elektrolit és a negatív elektróda közötti interfész stabilizálása volt azáltal, hogy vékony ónréteget helyeztek a kettő közé. A vizsgálat során elemezték a megoldás összköltségre gyakorolt pozitív és negatív hatásait. Úgy találták, hogy az ónréteg hozzáadása növeli az energiatároló kapacitást és javítja a teljesítményt, ami csökkenti az egységköltséget. A bevonat anyagköltsége azonban meghaladta a teljesítmény okozta nyereséget, így a végső eredmény alapján ennek a módosított eljárásnak a költsége meghaladja az eredeti eljárás költségeit és nyereségét. 

Egy másik elemzésben egy LPSCl nevű szulfid elektrolitot vizsgáltak, amely lítiumból, foszforból és kénből állt, egy kis klór hozzáadásával. Ebben az esetben a pozitív elektróda az elektrolit anyag részecskéit tartalmazza, és így biztosítják, hogy a lítiumionok megtalálják az utat az elektroliton keresztül a másik elektródáig. Itt adódik egy másik interfész probléma, ugyanis a hozzáadott elektrolitrészecskék nem kompatibilisek a pozitív elektróda más részecskéivel. Ilyen esetben a szokásos megoldás egy „kötőanyag” használata, ami segít összetartani a részecskéket. 

A vizsgálat megerősítette, hogy kötőanyag nélkül a teljesítmény gyenge és így az LPSCl-alapú akkumulátor költsége meghaladja az 500 dollárt kilowattóránként. A kötőanyag hozzáadása jelentősen javította a teljesítményt, így a költségek 300 dollárra csökkentek. Így itt az interfész probléma megoldására alkalmazott módszer alacsonyabb költségek mellett térül meg. 

Fenntarthatóság a tudományban

A kutatók hasonló kísérleteket végeztek más, ígéretesnek tűnő szilárdtestalapú akkumulátorokkal is, melyeknek volt már szakirodalma. Az akkumulátorok alapanyagainak és a gyártási folyamatnak a gondos megválasztása nem csak a laboratóriumban elért rövidtávú eredményeket befolyásolja, hanem döntő hatással van a megvalósíthatóságra és a szilárdtestalapú akkumulátorok előállítási költségeire, figyelembe véve a jövőbeli igények kielégíthetőségét. Az eredmények arra is rávilágítottak, hogy egyszerre kell szempontként tekinteni a hozzáférhetőségre, a feldolgozási folyamatokra és annak eszköz-, illetve költségirényére és az akkumulátor teljesítményére. Hiszen ezek kollektív hatások, melyek összefüggésben állnak, és kompromisszumokkal kell közöttük megteremteni az egyensúlyt. 

Olivetti büszke arra, hogy számos új szempontot és megközelítést vizsgáltak kollégáival, de ugyanakkor hangsúlyozta, hogy nem célja felváltani a kutatásokban megszokott mérőszámokat, amelyeket a laboratóriumi munkában világszerte használnak. Inkább szeretné kiegészíteni ezeket a mérőszámokat, hogy lehetőség legyen széles körben vizsgálni azokat a tényezőket, amelyek akadályozhatják a hagyományos skálázást. Hiszen a csapat úgy véli, az éghajlatváltozás miatt egyre szélesebb perspektívából kell vizsgálni minden területet, így a tudománynak is fejlődnie kell e tekintetben.