Forrás: ©Depositphotos/Erchog

Hosszú évtizedeken keresztül az volt az általános véle­ke­­­dés, hogy számos elektromos technológia, így például az elektromobilitás és a megújuló energiaforrások hasznosításának legnagyobb akadálya az energiatárolás nem kel­lően hatékony mivolta. E téren történt előrehaladás az elmúlt években?

– Ennek megítéléséhez tisztában kell lennünk azzal, hogy a közúti mobilitás az elektromos meghajtás fejlesztésével kezdődött, de aztán a belső égésű motorok és az üzemanyagaik gyorsabb ütemben fejlődtek, mint az akkumulátorok. Ezért sok évtizedre eltűntek az elektromos autók, amelyek – az akkumulátorfejlesztéseknek köszönhetően – a kilencvenes években kezdtek újból elterjedni. Akkumulátorok ez idő alatt is léteztek, és ólmot, illetve nikkelt meg vasat használtak bennük energiatárolásra. De ezek nem igazán voltak alkalmasak mobilitási alkalmazásokra, ezért csak a lítiumion-akkumulátor kifejlesztése után jöhetett szóba a minden­napokban is használható elektromos autók megalkotása.

A lítiumion-akkumulátor energiasűrűsége számottevően jobb volt, mint a konkurens technológiáké?

– Amikor a kilencvenes évek elején piacra dobták az első lítiumion-akkumulátorokat, azok fajlagos energiatartalma lényegesen magasabb volt az alternatívákéhoz képest. A kénsavas ólom­akkumulátor energiatartalma 30-40 wattóra/kilogramm lehetett; a nikkel-fémhidrid akku energiatartalma 70-80 wattóra/kilogramm volt, de a lítiumion-akkumulátor ezekhez képest a maga 110-120 wattóra/kilogramm fajlagos energiatartalmával már minőségi ugrást jelentett. Manapság ez az érték 250-270-nél tart, vagyis a lítiumion-akkumulátor megjelenése olyan előrelépés volt, mintha most megjelenne a piacon egy 350 wattóra/kilogramm energiatartalmú akkumulátor. Ettől másfélszeresére emelkedne az elektromos autók hatótávolsága. Ebből is látszik, hogy

az elektromobilitás és az energiaszektor meg­újításának kulcsfontosságú feltétele a megfelelő hatékonyságú elektrokémiai energiatárolás, vagyis például az akkumulátorok.

Teljesítménysűrűség

Milyen fejlesztések történtek a lítiumion-akkumulátorokban a megjelenésük óta eltelt három évtizedben?

– A kezdeti energiasűrűségük szinte megkétszereződött ez idő alatt, és ez tette lehetővé, hogy akár 400-500 kilométerre is elautózzunk egy töltéssel. Az előrelépés jelentőségének megértéséhez fontos tudnunk, hogy mi is történik az elektrokémiai energiatárolókban. A galváncellákban redoxireakció zajlik, azaz a pozitív és a negatív elektródterekben redukció és oxidáció zajlik a kisütési folyamat során (majd ennek fordítottja az akkumulátor töltésekor). E reakció, illetve annak termodinamikai jellemzője adja az úgynevezett cellaszintű, az elméleti fajlagos energiamennyiséget – a kémiai reakció szintjén –, majd azt figyelembe véve, hogy a reakció egy műszaki berendezésben (lásd akkumulátorcella) valósul meg a gyakorlatban, így az akkumulátorcella szintjén értelmezett gyakorlati fajlagos energiasűrűséget tudjuk meghatározni. Ez jelenleg 250-270 wattóra/kilogramm. Az elmúlt harminc év fejlesztései, amelyek gyakorlatilag megduplázták az energiasűrűséget, 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.

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. (Forrás: ©Depositphotos/BiancoBlue)

Vagyis az energiasűrűség növelése a fejlesztések fő hajtóereje?

– Részben igen, de ugyanilyen fontos, hogy az akkumulátor biztonságosabbá váljon, könnyebb legyen üzemeltetni, hosszabb legyen az élettartama, több töltési ciklust tegyen lehetővé minőségromlás nélkül, és minél gyorsabban lehessen tölteni. Ez utóbbi a teljesítménysűrűség mutatója a celláknak, lásd C-értékekben megadott töltési/kisütési adatok. Az ma már látszik, hogy a jelenlegi 250-270 wattóra/kilogrammos érték a telítés felé halad, ha maradunk a most alkalmazott kémiai összetételnél. A mai akkumulátorok olyanok, mint a versenyautók, amelyek szinte tökéletesen ki vannak hegyezve a maximálisan elérhető teljesítményre. Biztosan van még bennük néhány százaléknyi javulás lehetősége, de a 270-es érték már nagyon közel van a „telítéshez”, a „platóhoz”, vagyis ezzel a kémiával például a 350 wattóra/kilogramm értéket már nem lehetséges elérni. Ehhez újabb fejlesztések szükségesek a cellaarchitektúra és/vagy az alkalmazott elektrokémiailag aktív anyagok területén.

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. Az úgynevezett negyedik generációs, kísérleti fázisban lévő akkumulátorok energiasűrűsége pedig majd elérheti a 400-500 wattóra/kilogrammot. (Forrás: ©Depositphotos/phonlamai)

Melyek lehetnek akkor a továbblépés irányai?

– Sok fejlesztés zajlik manapság az anód és a katód anyagának megváltoztatása érdekében. Az anód rendszerint grafitból készül, amihez szilíciumot adalékolhatunk, amivel nagyjából 10-20 százalékos energiasűrűség-növekedést érhetünk el, vagyis e megközelítéssel elérhetőnek tűnik a 320-340 wattóra/kilogramm energiasűrűség is. Nagyságrendi ugrásra azonban nem lehet számítani a fajlagos energiasűrűségben, ugyanis a jelenlegi tudásunk szerint nem léte­zik olyan akkumulátorkémia, amely akár több ezer wattóra/kilo­gramm energiasűrűséget tudna biztosítani. Az úgynevezett negyedik generációs, kísérleti fázisban lévő akkumulátorok energiasűrűsége elérheti a 400-500 wattóra/kilogrammot. Intézetünkben ugyancsak negyedik generációs, lítium-kén akkumulátorokat fejlesztünk, 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.

Diffúziós úthosszak

Ha a kénkatódos akkumulátor ilyen jelentős kapacitás­növekedést tesz lehetővé, miért nem terjedtek még el ezek az eszközök?

– Ennek az az oka, hogy a lítium-kén, illetve más szilárdtest-akkumulátorok gyártása előtt még gyártástechnológiai és anyagkémiai kihívások és feladatok sorakoznak. Ezeket meg kell oldani, ezért ezek az új típusú akkumulátorok szerte a világon fejlesztés alatt állnak. Az akkumulátorok jelenlegi átlagos élettartama 1000-2000 töltési ciklus, ezt igyekeznek feltornászni 2000-3000 ciklusra, hogy csak utána öregedjen (degradáció) annyira (ezt a mértéket általában 70-80 százalékban határozzák meg), hogy az akkumulátort már cserélni kelljen. Viszont

a jelenleg fejlesztés alatt álló, nagyobb energia­sűrűséget biztosító akkumulátorok most még sokkal gyorsabban öregszenek.

Az energiasűrűség mellett az akkumulátorok megítélésében döntő fontosságú a töltés sebessége. Az áruk mellett sokan azért idegenkednek az elektromos autóktól, mert órákig kell őket tölteni. Elképzelhető-e, hogy a jövőben ugyanolyan gyorsan fel lehet majd őket tölteni, mint amennyi idő alatt manapság teletöltjük a belső égésű motorok­kal hajtott autók tankját a benzinkúton?

– Nem feltétlenül fog ez valaha is megvalósulni, pontosabban ennek esélyei attól függenek, hogy mit tekintünk „teletöltésnek”. Azt kell látnunk, hogy az energiasűrűség, a köznapi értelemben vett kapacitás, hogy mennyi energiát képes tárolni az akkumulátor és a teljesítménysűrűség, ami arról árulkodik, hogy ezt az energiát milyen gyorsan képes felvenni és leadni, egymásnak ellentmondó, egymással versengő jellegzetességek. A kettő egyszerre nem lehet kimagasló. Ha nagy kapacitást akarok, vagyis sok energiát akarok eltárolni az akkumulátorban, akkor sok anyagot kell az elektródba beépítenem. Bár a katód és anód anyagának változtatásával valamennyire módosítani tudjuk 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 célunk, akkor vastagabb elektródrétegeket kell beépítenünk a cellába. Ezekre nem tudunk igazán úgy nagy töltő- és kisütőáramokat rákapcsolni anélkül, hogy azok ne indítsanak el káros mellékreakció(ka)t. Ha az a célunk, hogy nagy áramok legyenek az akkumulátorra kapcsolhatók, akkor kevesebb anyagot kell beépítenünk a cellá­ba, hogy kisebb legyen a belső ellenállása, ettől viszont értelem­szerűen csökken a kapacitás.

Az elektrokinetika törvényeit nem tudjuk felülírni, ezek határt szabnak a kapacitás és a töltési sebesség párhuzamos növelésének.

Át lehet hidalni valahogyan ezt a problémát?

– Vannak cégek, amelyek úgynevezett kettős akkumulátorokkal (dual battery) kísérleteznek. Ez azt jelenti, hogy az akkumulátoron belül van egy olyan szegmens, amely a nagy teljesítményre irányuló elvárásokat szolgálja ki, míg az akkumulátor másik része a nagy kapacitásra van optimalizálva. 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 akkumulátorok köznapi értelemben vett „erősségének” vagy minőségének jellemzésekor a szakemberek időnként kapacitásról, energiasűrűségről, esetleg teljesítményről beszélnek. Ezek a kifejezések alapvetően ugyanazt a tulajdonságot jelentik?

– Nem, bár nyilván összefüggenek egymással. 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.

Az akkumulátorok előállításakor milyen kihívásoknak kell megfelelni?

– Az akkumulátorgyártás egy vegyipari tevékenység, amely számos, eltérő tulajdonságú alapanyagot használ. Vannak ezek kö­zött fémek, oxidok, szerves és szervetlen anyagok egyaránt. Az akkumulátorok tehát rendkívül komplex anyagtudományi rendsze­reknek tekinthetők. Ennek megfelelően nagyon szigorú munka­védelmi, szállítási, tárolási előírásokat kell betartani, mert ha ezeket megszegik, akkor keletkezhet környezetszennyezés, ahogy bármilyen más vegyipari tevékenység esetén is fennáll ez a kockázat. Vitathatatlan, hogy a lítiumion-akkumulátorok­ban használt elektrolitok és a különböző adalékanyagok az egészségre és a környezetre veszélyesek lehetnek. Éppen ezért a gyár­tók és a hatóságok legfontosabb feladata az, hogy a károsanyag-kibocsátást lehetőség szerint nullára csökkentsék. A gyártónak azért is elemi érdeke ez, mert a környezetbe, a légkörbe, a talajba, a vizekbe kijutó anyag veszteség az ő szempontjából, és természetesen mindenki másnak is elemi érdeke, hiszen ezek az anyagok súlyosan rongálják a környezetet. Be kell tartani a környezetvédelmi jogszabályokat, ez alól nincs kibúvó.

Fekete anyag

Mennyire megoldott az életidejük végét elérő akkumulátorok újrahasznosítása? Lehet-e belőlük eredeti minőségű akkumulátort gyártani?

– Az újrahasznosítás nemcsak a környezetvédelem miatt elsőrendű jelentőségű, hanem az akkumulátorgyártásban felhasznált alapanyagok elérhetőségének 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 (például Magyarországnak és ezzel együtt Európának is), amelyek ezeket maguk nem képesek kitermelni. Ezzel a problémával már most is foglalkoznunk kell, nem engedhetjük meg magunknak, hogy nem veszünk róla tudomást. Ezt a függőséget csökkentheti az újrahasznosítás, illetve az újrahasznosítás során keletkező közti termékek (az úgynevezett „black mass”) export­tilalma, de a lokálisan, helyben elérhető nyersanyagok, és a szekunder nyersanyagáramok (átalakítás után) akkumulátor-értékláncba történő integrációja is, lásd akár a lítium-kén akkumulátorokhoz kapcsolódó kutatásainkat.

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. (Forrás: ©Depositphotos/robertohunger)

Visszaforgatható az elhasznált akkumulátorokban lévő összes anyag?

– Teljesen egyértelmű, hogy az akkumulátoripart nem képzelhetjük el lineáris modellként, amelyben kitermeljük a nyersanyagot, majd finomítjuk, beépítjük az akkumulátorba, amit használunk valameddig, majd kidobjuk. Ezt egyrészt azért sem tehetjük meg, mert a természetbe kihelyezett használt akkumulátorok rendkívül súlyos károkat okoznak, másrészt pedig tele vannak értékes anyaggal. A nyomtatott áramköri elemeiken például arany, ezüst és más nemesfémek vannak, amelyeket vissza lehet nyerni. 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.

Egyszerűen nincs az a mennyiségű ásványi anyag, ami elegendő lehet a jövőben szükségessé váló akkumulátorok gyártásához

(hiszen ezektől függ majd a mobilitás és az energiatermelés is), ha nem hasznosítjuk újra a már elhasznált darabokat. De a jó hír, hogy az akkumulátor komponenseinek legalább 80-90 százaléka visszaalakítható eredeti formájába. Például, ha egy lítium-nikkel-kobalt-mangán-oxid katód végleg „széthangolódik” kristályszerkezeti értelemben és tönkremegy, akkor hidrometallurgiai eljárások révén (leegyszerűsítve: lúgos és savas oldással, lecsapással) a benne lévő fémvegyületeket teljes egészében vissza lehet nyerni.

Az újrahasznosítás, a környezetvédelem mellett, az akkumulátorgyártásban felhasznált alapanyagok elérhetősége és az ellátásbiztonság miatt is jelentős, hiszen az akkumulátor komponenseinek legalább 80-90 százaléka visszaalakítható eredeti formájába. (Forrás: ©Depositphotos/destinacigden)

A visszanyert anyagokból ugyanolyan értékű akkumulátor gyártható?

– Természetesen, hiszen a különböző elemek, fémek, atomok nem változnak az akkumulátor használata közben, tehát a megfelelő eljárásokkal kinyerhetők. Gondoljunk bele, hogy ez mekkora lehetőségeket rejt. Mintha létezne egy olyan módszer, amelynek révén az elkészült piskótából az eredeti formájukban nyerhetnénk vissza a lisztet, cukrot, tojást és a többi összetevőt. A hidrometallurgiai eljárás végén a fémek rendszerint szulfátok formájában választhatók szét egymástól, majd ezekből újra katódaktív anyagokat lehet gyártani. Az újrahasznosítást rendszerint sorba rendezhető cégek végzik. Az első fázisában a „black mass”-ig (vagyis a fekete anyagig) jutnak el, amely már hozzáférhetőbb formában tartalmazza az összetevőket: a fém-oxidokat, szénszerű anyagokat és a kötő­anyagokat vegyesen. Ezt követi a finomítás, amelynek a hidro­metallurgiai eljárások képezik az alapját. A finomítás termékét azután megveszi a katódaktívanyag-gyártó vállalat, amely 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”. Jól tudjuk, hogy anyag nem vész el, csak átalakul, vagyis a használt akkumulátorban lévő kobalt nem lett más kémiai elem, mint amit annak idején kitermeltek az ásványokból. Csupán az elektrokémiai tulajdonságokért felelős kristályszerkezetet kell benne visszaállítani az újrahasznosítás során. Ezt a fosszilis üzemanyagoknál nem lehet megtenni: az elégetett benzinből nem lesz újra benzin, de az akkumulátorcella-komponenseket e körfolyamatban elméletben tökéletesen vissza lehet forgatni, ha nem számolunk a gyártás közben keletkező veszteségekkel, ami hatékonyságbeli kérdés.•

Címlapkép forrása: ©Depositphotos/phonlamai