2024. január 2. – 16:58
Ezt a cikket a Telex és az autóMAGAZIN együttműködésének keretében olvashatják.
A zseblámpákban, faliórákban és hordozható elektronikai eszközökben használt ceruzaelem eredeti változatának pozitív elektródája szénből, a negatív pedig cinkből készült, és az elektrolitként használt szalmiáksóoldat teremtette meg köztük a kapcsolatot. A mai villanyautók akkumulátorainak alapfelépítése alig tér el ettől, még az is stimmel, hogy az egyik elektródájuk alapanyaga többnyire szintén a szén egy formája, a grafit. Minden másban azonban nagy különbség van a két áramforrás közt.
Cikkünk erről, és a villanyautózás terjedését lassító egyéb félelmekről szól, mint a hatótáv és a töltési idő, a magas ár, illetve a tűzesetekre vonatkozó beszámolók, valamint a fejlesztések iránya és a fontos áttörések.
A kis és nagy méretű ceruzaelemeket, illetve egyéb szárazelemeket lemerülés után nem lehet újra feltölteni, mert a bennük zajló kémiai folyamat egyirányú. Amikor viszont egy akkumulátorra kapcsolunk áramot, ez a folyamat megfordítható, így a feltöltés után ismét használhatjuk. További fontos különbség, hogy a szárazelemekben a szenet a pozitív, a lítiumalapú akkumulátorokban viszont a negatív elektródában alkalmazzák. Utóbbiak pozitív elektródája lítiumötvözetből készül, mert kimagaslóan magas az elektromos aktivitása, hivatalos nevén a standardpotenciálja.
A lítiumot elektródaként mégsem olyan egyszerű használni, mert nagy aktivitási hajlama miatt könnyen lép kölcsönhatásba egy sor anyaggal, ami végzetes következményekkel járhat. Oxigénnel érintkezve azonnal oxidálódni kezd, pára jelenlétében lángra is lobbanhat, amikor pedig vizet kap, az hidrogénfejlődéssel kísért azonnali oldódást okoz. A lítium további sajátossága, hogy akkumulátorelektródaként alkalmazva, különösen túltöltés esetén, hajlamos kis tűket, úgynevezett dendriteket növeszteni. Ezek a másik elektródához közeledve zárlatot okozhatnak, ami a lítium gyulladási hajlama miatt tűzhöz, vagy akár robbanáshoz vezethet. Ezekre a problémákra kerestek megoldást az utóbbi négy évtized fejlesztései során.
A megoldás egyik kulcsa, hogy a lítiumot nem tisztán, hanem más anyagokkal, többnyire fémekkel ötvözve alkalmazzák elektródaként. A másik, hogy a lítiumalapú akkumulátorokba védőelektronikát is építenek, amely megakadályozza a túltöltést, illetve a túlmerítést. A különböző ötvöző anyagok bevetésével mára legalább tucatnyi lítiumalapú akkumulátort fejlesztettek ki, amelyek közül a villanyautókban többnyire az NMC (nikkel-mangán-kobalt) és az LFP (lítium-vasfoszfát), avagy LiFePo rövidítésekkel jelzett megoldásokat találjuk meg.
A kétféle akkumulátor kialakítása, ára, és képességei is eltérőek. Azonos súly és térfogat melletti nagyobb, kísérleti szinten akár 500 Wh/kg-os energiatároló képessége miatt számos autógyár részesíti előnyben az NMC-akkumulátorokat. Hátrányuk, hogy mind a nikkel, mind a mangán, és különösen a kobalt ritka és drága alapanyagok, ráadásul utóbbit főként Kongóban bányásszák, ahol sokszor embertelenek a foglalkoztatási körülmények és elterjedt a gyerekmunka.
A részben ezekből is következő magasabb ár mellett további gond, hogy az NMC-akkumulátor érzékenyebb a belső elváltozásokra és a külső behatásokra, ezért a tűz és robbanásveszély elkerülésére mind a kialakításuknál, mind az üzemeltetésüknél fokozottan oda kell figyelni.
A lítium-vasfoszfát (LFP) akkumulátor békésebb szerkezet. A kínai BYD akkumulátorgyártó kísérlettel is igazolta, hogy az autóikban alkalmazott lapos akkumulátorcellákat akár százas szöggel is át lehet ütni, mégsem hevül túl és nem is robban fel, sőt az akkumulátor továbbra is működőképes marad. Akár el is lehet vágni, még ez sem okoz fennakadást a működésében.
A megoldás további előnye, hogy a vas és a foszfor olcsó és könnyen hozzáférhető alapanyag, így az ezekkel készített akkumulátorok gyártása sem költséges. Ezen felül a napokban-években mért élettartama is hosszabb, illetve több töltést-merítést visel el, jobban tűri a túltöltést vagy túlmerítést is, és teljes mértékben kihasználható az elméleti kapacitása, ami az NMC-akkumulátorok esetében inkább 80 százalék. Nagy hátránya azonban, hogy azonos súly mellett negyedével, harmadával kevesebb energia tárolására képes, mint az NMC, ezért, ha ugyanakkora hatótávot szeretnénk elérni az LFP-áramforrással, akkor nagyobb akkumulátort kell beépíteni az autóba.
Henger vagy tégla?
A lítiumalapú akkumulátorok felépítése szintén más, mint akár a szárazelemeké, akár a jól ismert ólomsavas indítóakkumulátoroké. Bár utóbbiak között akad egy, az úgynevezett spirálcellás, amelyben nem egymás mellé állított síklemezekből épülnek fel a 2 voltos cellák, hanem a vékonyabb ólomlemezből készült rácsokat helyezik egymásra, majd hengert csavarnak belőlük.
Ehhez hasonlít leginkább a lítiumalapú akkumulátorcellák gyártása, amelyek fő összetevőit szintén vékony lemezként, fóliaként alakítják ki, majd egymásra helyezik őket. Ha a pozitív elektróda felől indulunk, az első réteg az áramot továbbító rézfólia, erre kerül a lítiumötvözet, majd egy szeparátor, azaz elválasztó réteg következik, amelyre negatív elektródaként grafitfóliát fektetnek, és végül alumíniumfóliával borítják be, ami szintén csak áramot vivő érintkezőként szolgál. Végül az egészet elektrolitba mártják. Ezután eldöntik, hogy milyen formát adjanak a kész akkumulátornak, illetve milyen házba építsék be.
Az egyik lehetőség, hogy hosszabb darabokra vágják, feltekerik és hengerbe zárják a szeleteket. Számos területen alkalmaznak ilyen lítiumioncellákat, a legismertebb közülük a 18 mm átmérőjű, 65 mm hosszú, 18650 számjelzésű típus. Nagyon sok kell belőle, beépítése pedig bonyolultabb és munkaigényesebb, előnye viszont, hogy a hűtőfolyadék teljesen körbejárhatja az egyes cellákat, amelyek így jobban terhelhetők és intenzívebben tölthetők. A Tesla éppen emiatt alkalmazza egyes típusaiban ezt a megoldást, az autóipar egyéb szereplői viszont kerülik.
A másik lehetőség, hogy a szeleteket rövidebbre vágják, és szigetelőanyagból készült borítékba zárják, amiből csak a pozitív és a negatív érintkező áll ki. Ezt nevezik tasakos cellának, amit autóban ritkán alkalmaznak ilyen formában, inkább tízet, vagy akár annál többet is összefogva és párhuzamosan kapcsolva belőlük lapos tégla alakú dobozba zárják őket. Ezt külsőleg nehéz megkülönböztetni az ugyanúgy szögletes formájú, hivatalosan prizmatikusnak nevezett cellától, amelyben azonban a hengereshez hasonlóan szintén felcsavarva helyezik el a szeletet, csak éppen nem hengeresre, hanem laposra tekerik őket, kicsit úgy, mint a rétest.
Sok kicsi sokra megy
A szögletes dobozba zárt cellák nagy előnye, hogy gyorsabban gyárthatók, hiszen egyszerűen csak szorosan egymás mellé kell sorakoztatni őket. Ezt többnyire úgy teszik, hogy először néhány cellát tartalmazó modulokba rendezik őket, majd ezekből állítják össze a teljes akkumulátort. Az egyik jól bevált képlet szerint például nyolc sorba kapcsolt cellát helyeznek egy modulba, majd tizenkét ilyen, szintén sorba kapcsolt modul alkotja az akkut. Ez összesen 96 sorba kapcsolt cella, amit ha felszorzunk a töltött cellák mintegy 4,2 voltos feszültségével, körülbelül meg is kapjuk azt a 400 voltot, amivel a mai villanyautók többsége működik. A doboz alakú cellák hátránya, hogy túlhevülésüket általában egy alájuk beépített, belül folyadékot áramoltató hűtőfelülettel oldják meg, ami kevésbé hatékony, mint a hengeres cellák körbeáramló hűtése.
Mint szinte minden más esetben, a lítiumalapú akkumulátoroknál is a részletekben rejlik az ördög, a most bemutatott megoldások viszont csak a főbb fejlesztési irányokra szorítkoznak. Az összetevők, nem utolsósorban az ötvözőanyagok mennyisége és aránya, az alkalmazott elektrolit fajtája, illetve az érintkezők kialakítása is számít. Ezeken, és az olyan kapcsolódó egységeken, mint a hűtés, vagy a szabályzó elektronika múlik az akkumulátor áramtároló képessége, tölthetősége, terhelhetőség, valamint a kivehető legnagyobb teljesítmény.
A fejlesztés már a múltban is rohamléptekkel haladt. Az első használhatónak tartott elektromos autó, a 2011-ben az Év Autója díjjal is elismert Nissan Leaf 24 kilowattóra (kWh) kapacitású akkumulátorának tömege közel 300 kiló, és két töltés közt hivatalosan 140 kilométer a hatótávolsága.
Ma ekkora tömeg mellett 50 kWh, vagy még nagyobb tárolókapacitás érhető el, ami a korszerűbb hajtásláncokkal társítva akár 400 kilométer megtételére is elegendő. Alig több mint tíz év alatt érték el ezt az előrelépést a fejlesztők, miközben az akkumulátorok kilowattóránkénti átlagára is a tizedére esett.
A villanyautók fejlődése ezzel még nem ért véget, hiszen a 2023. szeptemberi müncheni autókiállításon a kínai CATL egy olyan akkumulátort mutatott be, amelybe 10 perc alatt 400 kilométerre elegendő áram tölthető be. Ez az időigény talán már azok számára is vonzóbb, akik korábban a lassú töltés miatt idegenkedtek az elektromos autóktól.
Szöveg: Gajdán Miklós, az autóMAGAZIN főszerkesztője, az Év Autója zsűri tagja
