Egy tank benzinnel ér fel a tenyérnyi szuperakku

2013.12.28. 17:59

Akkor lehet teljesen elektromossá tenni a közlekedést és áttérni a megújuló energiára, ha az akkumulátoraink kapacitása legalább megkétszereződik. 2013-ban a lítium-levegő akkukról érkeztek a legjobb hírek, de az akkumulátortechnológiában csak fájdalmasan kis lépésekkel megy a fejlesztés, mert olyan sok a megoldandó probléma.

Elege van abból, hogy a laptopja három-négy óra után lemerül, noha a termékleírás szerint az akkunak ki kellett volna bírni egy munkanapot? Szeretne olyan elektromos autót, amivel töltés nélkül eljuthat Budapestről Prágába? A kérdés úgy hangzik, mintha a fejlett országokban élő gazdag fogyasztók problémája lenne, pedig nagyobb kapacitású akkumulátorokra szerte a világon szükség lenne ahhoz, hogy több napelem és szélerőmű kapcsolódhasson az áramelosztó hálózatra, és az áruszállítást is elektromos kamionokkal lehessen megoldani.

Jelenleg lítiumion-akkumulátorokat használunk mobiltelefonokban és elektromos autókban egyaránt, ez a technológia viszont fizikai és kémiai okok miatt már nem sokáig fejleszthető tovább, nagy áttörésre itt nem lehet számítani. Helyettesítése érdekében számos kutatás folyik, 2013-ban az úgynevezett lítium-levegő akkumulátorokkal sikerült – egyelőre csak laboratóriumban – előrelépni.

A lítium azért ideális alapanyag, mert égése (oxidációja) rengeteg, a benzinével összemérhető mennyiségű energiát szabadít fel. Ám reakcióképessége miatt nehéz kordában tartani, így a lítium-levegő akkut is óvni kell a víztől, mert felrobbanhat. Lítiummal viszonylag bőven el vagyunk látva, 12–39 millió tonna bányászható ki a különböző geológiai felmérések szerint, és a készletek körülbelül száz évre elegendők. 

Kísérleti lítium-levegő akkumulátor az MIT elektrokémiai laboratóriumábanForrás: MIT/Patrick Gillooly

Hogyan működik?

Az akkumulátorokban a két elektróda, az anód és a katód között zajló kémiai reakció váltja ki az elektromos töltéssel rendelkező részecskék, az ionok áramlását egy speciális, elektrolitnak nevezett oldatban. Lítium-levegő akkumulátorokkal azért folynak kísérletek már az 1970-es évek óta, mert ha a két reagens közül az egyik, a katód szerepét a levegő oxigénje tölti be, akkor egységnyi területen sokkal több fér el az anódból (ami a lítium).

Emiatt a lítium-levegő akku tömege jóval alacsonyabb lehet, mint a lítium-ion változaté, így az energiasűrűsége három-hatszorosa az utóbbiénak. Az arányszám azt jelzi, hogy egy adott tömegű vagy térfogatú forrás mennyi energiát tárol, a minél nagyobb érték a kedvező. A lítium-ion akkumulátorok energiasűrűsége 120–350 wattóra/kilogramm (kísérleti változatokban már elértek 418 Wh/kg energiasűrűséget is). Ehhez képest a lítium-levegő megoldás energiasűrűsége elméletileg 1300–1400 Wh/kg.

Összehasonlításként a benzin energiasűrűsége 12 000–12 700 Wh/kg, ebből viszont egy Otto-motorral hajtott autóban 1700–1800 Wh/kg jut el a kerekekig. A belső égésű motorok hatékonysága eleve csak 20–25 százalékos, az energia többsége csak a motorblokkot fűti, távozik a forró kipufogógázokkal, elvész a hajtásláncban. Igaz, hogy a lítium-levegő akku energiasűrűsége kisebb, de ha egy ilyet szerelünk egy elektromos autóba, az elektromotor 78-92 százalékos hatékonysága miatt hasonlóan jól járunk, mint a benzinnel.

Jelentős lökést adna az elektromos autók terjedésének, ha a hatótávolságukat 500 kilométerre lehetne növelni (a legjobban teljesítő Tesla Model S 426 kilométert bír egy feltöltéssel, a drágábbik, 85 kW-os akkucsomaggal szerelve). Ezt a hatótávolságot akkor lehet elérni, ha a kereskedelmi forgalomban kapható akkuk energiasűrűsége átlépné a 700 Wh/kg szintet. A nagy kapacitású akkukat arra is használhatnánk, hogy szélcsend idejére, éjszakára tároljuk a szélturbinákkal, napelemekkel termelt áramot. Ez a technológiai nehézségek ellenére jóval inkább megvalósíthatónak tűnik egy fém-levegő akkumulátorral, mint a lassan a fejleszthetősége határaira érő lítiumion-megoldással. 

Számos megoldandó probléma van a sorozatgyártás előtt

Meglehetősen nehéz tartósan működő lítium-levegő akkut gyártani. A lítium oxidációjával energia szabadul fel lítium-oxid képződése mellett (4Li+O→ 2Li2O). Amikor újratöltjük az akkut, az oxidból ismét fém keletkezik, eközben viszont mellékreakciók is fellépnek. A legtöbb akkuban szénelektródát használnak, így a lítium ezzel is reakcióba lép, és lítium-karbonát is képződik, ez az anyag pedig nem alakul vissza a töltés során. Így az akkuban minden töltési-kisütési ciklus során elvész valamennyi a lítiumból.

A pénzérme mutatja, milyen kicsi a lítium-levegő akku. A csöveken áramlik be és ki a levegőForrás: MIT/Patrick Gillooly

Miért fontos ez? Ha egy laptop akkujában csupán az anód 0,1 százaléka vész el minden töltési-kisütési ciklus során, 700 ciklussal számolva két év alatt már a felére csökken a kapacitás, aminek nem örülne a felhasználó. Összehasonlításként egy átlagos lítium-ion akku kapacitása 600–1000 ciklus után csökken az eredeti szint 80 százalékára.

A lítium-levegő akkumulátoroknál még százalékokban – és nem tized- vagy századszázalékokban – mérik az anódot érő veszteséget. Ez tehát a legfontosabb probléma, amit meg kell oldani, hogy az eszköz gyakorlatban is használható legyen.

A skóciai St. Andrews egyetem kutatói két megoldást próbáltak ki. A szénelektródát előbb aranyra, majd titán-karbidra cserélték, és egy szerves vegyületet, dimetil-szulfoxidot (DMSO) használtak elektrolitoldatként. A titán-karbid jó töltéshordozó és stabil anyag, és persze olcsóbb, mint az arany, a DMSO molekuláiban pedig csak két szénatom van, így tehát kevesebb lítium-karbonát keletkezik a mellékreakciók során. A kísérleti lítium-levegő akkumulátor kapacitása több mint 98 százalék maradt száz töltési-kisülési ciklus után.

A lítium-levegő akkuk másik problémája éppen a kedvező energiasűrűségből ered. Ha az egységben megduplázzuk az anód mennyiségét, megnő a töltési idő, továbbá az elektródát nagy kémiai terhelésnek vetjük alá, emiatt pedig bosszantóan lecsökken az elérhető töltési ciklusok száma. Minél több lítiumot zsúfolunk az akkuba, annál nagyobb felületet kell biztosítanunk azért, hogy a reakciók gyorsan végbemenjenek. Erre a nanoszálak jelenti a megoldást, ezek viszont olyan aprók, hogy alig létezik rá olyan hagyományos technológia, amellyel le lehet őket gyártani.

A Massachusettsi Műszaki Egyetem (MIT) biomérnök és elektrokémikus kutatói egy M13 nevű vírust használtak fel arra, hogy lítiumatomokból hozzanak létre egy ágas-bogas, szövetszerű struktúrát. Ennek a felülete kellően nagy a reakcióképződéshez, ami azt jelenti, hogy az akkut gyorsabban lehet tölteni és lemeríteni, a szövetszerű szerkezet emellett ellenállóbb is a fizikai behatásokkal szemben. A vírus úgy is módosítható, hogy kis mennyiségű palládiumot építsen a hálóba, ami katalizálja a kémiai reakciókat, és nő az elektromos vezetőképesség. A kutatók ötven töltési-kisütési cikluson át végeztek teszteket az akkumulátorral.

Itt a cink-levegő technológia

Ötven-száz ciklus viszont kevés még a gyakorlati alkalmazáshoz. Ha a laborban már több ezer feltöltési-kisütési cikluson át megfelelően működik az akku, akkor érdemes elkészíteni a sorozatgyártásra érett prototípust. Jelenleg egy másik fém-levegő akkumulátor, a cink-oxigén megoldás áll közelebb a széles körű elterjedéshez, de méretei miatt előbb az energiaszektorban, nem a szórakoztató elektronikai eszközökben.

Ez a típus azért előnyös, mert a cink szobahőmérsékleten jóval kisebb aktivitású fém, mint a vízzel azonnal kölcsönhatásba lépő lítium. A cinket biztonságosabb tárolni, olcsóbb, és még több van belőle világszerte; az akkuban végbemenő reakciónak pedig ártalmatlan cink-oxid a mellékterméke, amelyet babahintőpornak használnak. Energiasűrűsége 400–500 Wh/kg, ami kedvezőbb a lítiumionénál, de gyengébb, mint a lítium-levegőé. Nem újratölthető változatban régóta használják például vasúti jelzőberendezések, hallókészülékek áramellátására.

Van-e belőle újratölthető változat? Igen, egy amerikai cég, az Eos Energy Storage teszteli július óta  saját fejlesztésű cinkakkuját a Con Edison, az Enel és a GDF Suez áramszolgáltató vállalatokkal együttműködve az USA-ban. Az akku prototípusa akkora, mint egy fél hűtőszekrény, és arra tervezték, hogy a fogyasztási csúcsidőszakokban adja le az áramot. A beszerelés és a működtetés ára 160 dollár kilowattóránként, mondja az Eos vezérigazgatója, Michael Oster, vagyis egységnyi villanyáramra számítva olcsóbb a beruházás, mint gázerőművet építeni. Az Eos tervei szerint a sorozatgyártott egységek körülbelül akkorák lesznek, mint egy szabványos konténer.

A Berkeley Nemzeti Laboratóriumban fotoelektron-spektroszkópiával vizsgálják, hogy pontosan milyen reakciók mennek végbe egy lítium-levegő akkumulátorbanForrás: ALS/ Eva Mutoro, Ethan Crumlin