Mik azok a szilárdtest-akkumulátorok, és hogyan működnek?
Nem egyszerű elmagyarázni, mi azért megpróbáljuk. A szilárdtest-akkumulátorok a manapság elterjedt lítium-ion akkumulátorokhoz hasonlóan pozitív és negatív pólusokat, azaz elektródákat (katódokat és anódokat) tartalmaznak, amelyek között töltött részecskék (ionok) vezetésére képes anyag, az elektrolit tart kapcsolatot. A lítium-ionok (Li+) áramlása kémiai, úgynevezett redoxireakciót vált ki az akkumulátorcella alkotóelemei között, ami felszabadítja a megkötött elektromos energiát.
Amikor egy akkumulátorból energiát veszünk ki, a pozitív töltésű (lítium) ionok átvándorolnak az anódról a katódra. Ez az utóbbiban pozitív töltéshez vezet, ami vonzza az elektronokat az anódból. De mivel az elektronok nem tudnak átjutni a két elektródát fizikailag elválasztó, zárlat ellen védő szeparáló anyagon, egy külső áramkörön kell áthaladniuk, ami elektromos áramot generál. Ha erre a körre rákapcsolunk egy villanymotort, akkor az áram meghajtja azt. Töltés során az ellenkezője történik: a katódról az anódra vándorolnak át a lítium-ionok, amelyek megkötik az érkező elektronokat, vagyis az áramot. Akkor van teljesen feltöltve egy akkumulátor, ha már nem áramlik át több ion az anódra.
A fő különbség a lítium-ion és a szilárdtest-akkumulátorok között az, hogy az előbbiek folyékony vagy gél halmazállapotú elektrolitot, utóbbiak viszont szilárd halmazállapotút (innen a név) használnak.
Egy hagyományos lítium-ion akkumulátorban csak egy ionáteresztő fólia választja el a pozitív és a negatív pólust, és az egész egységet folyékony elektrolittal itatják át. Ezzel ellentétben egy szilárdtest-akkumulátorban a szilárd halmazállapotú elektrolitot (ami lehet kerámia, üveg, szulfit vagy szilárd polimer) magához a katód anyagához keverik, aztán ezt az egységet egy kerámiaréteggel (szeparátor) fedik le, amelyen keresztül az ionok képesek vándorolni.
Fontos megjegyezni, hogy sokkal előnyösebb anód-alapanyag a lítium, mint a hagyományos akkumulátorokban használt grafit (vagy szén és szilícium keveréke), mert magasabb az energiasűrűsége, gyorsabb töltést tesz lehetővé, és magasabb feszültséget képes biztosítani.
Mi teszi a szilárdtest-akkumulátorokat kedveltté?
Természetesen a hatékonyságuk. A szilárdtest-akkumulátorok az azonos méretű lítium-ion akkumulátorok energiasűrűségének legalább a duplájával rendelkeznek, de egyes becslések szerint a különbség lehet akár nyolcszoros is. Ez azt jelenti, hogy az azonos méretű akkumulátorok teljesítménye ugrásszerűen megnőhet, vagy pedig azt, hogy azonos energiamennyiséget jóval kisebb és könnyebb akkumulátorból lehet majd kinyerni.
Akár ezer kilométer fölötti hatótávolságú elektromos luxusautók vagy kompakt és könnyű városi villanyautók jelenhetnek meg, amelyek ráadásul sokkal gyorsabban is töltődnek (a Toyota a legfrissebb kutatási eredményeik alapján tíz percet ígér 0-100 százalékra), mint a mai elektromos modellek. Persze ennek a sebességnek a kihasználásához szükség lesz majd a megfelelő töltő-infrastruktúrára is: nemcsak a töltőoszlopok számát kell növelni, hanem a teljesítményét is, a jelenlegi 350 kW-os maximális töltési teljesítmény – amihez már most is vízhűtésű kábelek kellenek – közel sem lesz elég.
Míg átlagosan egy lítium-ion akkumulátor kilogrammonként 100-300 Wh áramot képes tárolni, addig ez a szilárdtest-akkumulátornál 350-1000 Wh/kg. A különbség egy jelentős része annak is köszönhető, hogy az utóbbiaknak a feszültsége is jóval nagyobb: 3,3-4 volt helyett akár 5 volt is lehet.
Kevesebb hőtermelés, kisebb súly
A technológia egyik legnagyobb előnye, hogy a szilárdtest-akkumulátorokban 70-80 százalékkal kevesebb hő keletkezik, így nincs szükség aktív hűtésre, mint a lítium-ion akkumulátoroknál, ami kisebb tömeget és térfogatot jelent. Egy mai lítium-ion akkumulátorban 1 kWh áram tárolásához a balesetek esetén védelmet biztosító kerettel, és a komplett hőmenedzsmenttel együtt 6-7 kilogramm akkumulátortömegre van szükség.
Vagyis egy 100 kWh-s lítium-ion akku tömege 600-700 kilogramm körül alakul, ami borzasztóan hely- és súlypazarló megoldás. Egy ugyanilyen kapacitású szilárdtest-akku mindössze 250 kiló. Ez pedig azt jelenti, hogy a kisebb tömegnek köszönhetően azonos teljesítmény mellett csökken az autó energiafogyasztása, kisebb fékekre van szükség, a kompakt méret pedig jobb helykínálatot eredményez, azaz ugyanaz a kocsi kényelmesebb, jobban vezethető és gazdaságosabban üzemeltethető lesz.
További nagy előnye a szilárdtest-akkumulátoroknak a biztonság. A lítium-ion akkumulátorok a bennük lezajló, hőleadással járó (exoterm) kémiai reakciók miatt forrósodnak, tágulnak, és extrém esetekben szivároghat belőlük a gyúlékony és veszélyes folyékony elektrolit, ami akár robbanáshoz is vezethet.
Ha pedig – például egy karambol következtében – tűz keletkezik, azt szinte lehetetlen eloltani hagyományos eszközökkel. A szilárdtest-akkumulátorokból nincs ami kifolyjon, és a melegedés sem jellemző rá, ezért az ütközésekre is sokkal kevésbé érzékeny, emiatt kevésbé is kell védeni, amivel további súlymegtakarítás érhető el.
Akár évtizedekig kitartó kapacitás
A végső érv a szilárd elektrolitos akkumulátorok mellett, hogy sokkal több lemerülési és töltési ciklust képesek jelentős kapacitásvesztés nélkül elviselni, mint a lítium-ion akkumulátorok, mivel az elektródák nem korrodálódnak a folyékony elektrolitban lévő vegyi anyagok hatására, és nem képződnek szilárd rétegek az elektrolitban. Akár hétszer több alkalommal is újratölthetők az ilyen akkuk, ami akár tíz év feletti élettartamot jelenthet számukra, szemben azzal a pár – jellemzően hat-hét – évvel, ameddig a lítium-ion akkumulátor kibírja jelentős kapacitásveszteség nélkül. Sőt, a Toyota fejlesztési programjában olyan szilárdtest-akku is szerepel, amely harminc év használat után is megőrzi eredeti kapacitásának 90 százalékát.
Folyt. köv.!
Fotók: Toyota, QuantumScape
