Merre tart a járműakkumulátorok fejlesztése?

A káros emissziók nélküli járműközlekedés a túlnépesedett megavárosokban a túlélés feltétele, a többségében ma is városlakó emberiség továbbfejlődésének pedig elodázhatatlan környezetvédelmi, gazdasági és társadalompolitikai feladata. Ennek megoldásához, a villamos energiatároló akkumulátorok használati tulajdonságainak jelentős javításán keresztül vezet az út.

A villamos járművek hajtása száznál több lítiumion-cellából álló töltéstárolókra épül (a bal oldalon). A lítiumion-cellák túlnyomó része azonban villamosan inaktív. A cellafejlesztések a villamosan aktív összetevők részarányának javítására irányulnak.

Az akkumulátorok szerkezetileg nem túl bonyolult eszközök. A mai üzemanyagokéval összemérhető energiatároló képességük mögül azonban hiányzik az a fél évszázados fejlesztőmunka, amit a fosszilis üzemanyagokkal működtetett gépkocsik környezetvédelmének javítására fordított, és kell fordítania az emberiségnek. Az akkumulátorok fejlesztői számára ennek versenyösztönzése jelenti a legfőbb szakmai motivációt.

Új anyagok és precíz temperálás

Az első Tesla sportkocsikat 410 kilogrammos akkumulátorcsomag villamos energiája működtette. A csomag 6831 lítiumion laptopcellát foglalt magába. Hogy miért ilyen sokat? Azért, mert a kis laptopcellák azonnal hozzáférhetőek voltak, és a kis cellaméretük biztonságot jelent a termikus megszaladás ellen.

Napjaink Prius PHV járművein, 0,1 volt pontosságú feszültség és 0,1 °C-os hőmérsékletszabályozással, mikrokontroller-vezérelt szellőztetéssel a harmincadára csökkentették a cellaszámot, továbbá a termikus megszaladás kockázatát.

A lítiumion-cellákat zárt (Mercedes-Benz, felül), precízen temperált és szellőztetett (Toyota Prius PHV, alul) ház védi

A mai lítium-fém akkumulátorok 500 watt-óra villamos áram tárolására alkalmasak kilogrammonként. Ez négyszer több a lítium-nem fém akkumulátorokénál, viszont csupán kétszeres a fejlesztési potenciáljuk.

A német Fraunhofer Intézet kutatóinak lítium-kén cellákkal 500, lítium-levegő cellákkal 1000 Wh/kg energiatartalmat sikerült elérni. Ők, a továbblépést illetően az ionos folyadék tulajdonságainak javítására esküsznek.

A kaliforniai Berkeley-egyetem érdekeltségébe tartozó PolyPlus Battery nevű cég, szintén lítium fém-levegő akkumulátorok fejlesztésével foglalkozik, nekik 1600 Wh/kg fajlagos energiasűrűség a „rekordjuk”.

Iszapárammal

A lítiumion-akkumulátorok mindeddig szilárd elektródú energiatároló eszközök voltak. Fajlagos energiatartalmuk 100–250 Wh/kg-mal, energiasűrűségük 250–620 Wh/l-rel, fajlagos teljesítménye 250–350 W/kg-mal volt jellemezhető. A szilárd elektródjaik között, folyékony elektrolitban jött létre a töltéshordozó ionáram.

Az iszapelektródos lítiumion-akkumulátor működési vázlatából kitűnik, hogy az akkumulátor anód és katód anyagáramát különálló szivattyúk keringtetik

A 24 M fejlesztőinek köszönhetően, mindez megváltozott. Velük szemben, az iszapelektródú akkumulátorokban, külön pozitív és külön negatív szivattyúval keringtetett ionáram a villamos töltések hordozója. Az ionok egymástól membránnal elválasztott fémkollektoron áramlanak át, és adják át neki töltésüket, amely villamos energia formájában jut ki a külvilágba.

A 24 M cég kutatói a lítiumion-akkumulátorok különleges, iszapelektródos változatain munkálkodnak. Törekvésük azért figyelemre méltó, az elektrolit intenzív áramlása felgyorsítja az áramtermelő folyamatokat, és ennek tulajdoníthatóan az iszapelektródos akkumulátorok előállítási költsége 85%-kal is csökkenthető. Úgy, hogy csupán harmadannyiba kerül lemerült változatuk feltöltöttre cserélése.

Az akkumulátorok fejlesztése meglehetősen kiszámíthatatlan, mivel a kutatás tervezhető, az eredmény azonban nem.