Berta Sándor
Áttörés a lítium-fém akkumulátoroknál
Az új fejlesztések a hagyományos, azonos méretű energiatárolókhoz képest 40 százalékkal nagyobb kapacitással rendelkeznek.
Szinte minden, ami akkumulátorral rendelkezik, a lítiumion-technológiára támaszkodik, amely már majdnem a fejlesztési szakasz végén jár, nem nagyon van már benne potenciál. Ezért a szakemberek az egyre nagyobb méretű okostelefonok, a nagyobb teljesítményű számítógépek és a nagyobb hatótávolságú elektromos autók magas energiaigénye miatt alternatívák után kutatnak. Az egyik ígéretes jelölt a lítium-fém energiatároló, amelynek azonban van egy nagy hátránya: az élettartama körülbelül fele a lítiumion-akkumulátorokénak. A kaliforniai Cuberg startup - amelyet 2021-ben a svéd Northvolt cég vásárolt fel - szeretné megoldani a problémát.
A Cuberg a lítium-fém celláit egy független tesztlaboratóriumnak adta át és ott egy szabványosított teszt segítségével ellenőrizték, hogy a cellákat milyen gyakran lehet kisütni és feltölteni, amíg azok kapacitása az eredeti maximális kapacitás 80 százalékára csökken. Teljesen normális, hogy az energiatárolók töltés és kisütés közben veszítenek a kapacitásukból - ezért az okostelefonok akkumulátorai nem tartanak olyan sokáig, mint a kezdetekben, akár egy-két év után sem. A laboratóriumban megállapították, hogy a lítium-fém cellák 672 töltési ciklust bírnak ki, mielőtt elérnék a 80 százalékos szintet. Ez jelentős növekedés a Cuberg korábbi modellje által elért 370 ciklushoz képest.
Mindez azt jelenti, hogy a jövőbeni lítium-fém energiatárolók nemcsak ugyanolyan tartósak lesznek, mint a lítiumion-akkumulátorok, hanem hosszabb üzemidejük is lesz azoknál. A mai lítiumion-energiatárolók közül soknak 500 töltési ciklus a célértéke. A legtöbb jelenlegi akkumulátor optimalizált töltési rutint használ, így csökkentik az alkatrészek terhelését és így növelik azok élettartamát. A mostani laboratóriumi teszt során nem használtak optimalizált töltési rutinokat. Amennyiben a jövőben használják azokat, akkor a lítium-fém energiatárolók még hosszabb ideig megőrizhetik nagy kapacitásukat.
A Cuberg olyan elektródanyagot használ a celláiban, amely lítiumréteget képez az anód és a katód körül. Ez védi azt az anyagréteget, amely a lítiumion-akkumulátorban a névadó lítiumiont tárolja. A kevesebb réteg több helyet jelent az energia tárolására. A lítium hátránya, hogy az anyag tárolása egyenetlenül alakulhat ki az elektródákon. Sok töltési ciklus után dendritek alakulhatnak ki, amelyek rövidzárlatot okozhatnak. Ezenkívül a fém nagyon reaktív. Reakcióba léphet az anód és katód között lévő elektrolitban lévő vegyi anyagokkal. Ez megnehezíti a kívánt lítiumréteg kialakulását.
A Cuberg saját fejlesztésű elektrolittal oldja meg a problémát. Ez egy ionos folyékony só, amelyhez stabilitást növelő vegyszereket adtak hozzá. A lítium továbbra is képes reagálni vele, de egységes felületet hoz létre, amely védi az elektródákat. A szilárdtest-akkumulátorokkal ellentétben a Cuberg megoldása szinte teljesen kompatibilis az újratölthető energiatárolók meglévő anyagaival és gyártási módszereivel. Az egyetlen kivétel az elektrolit.
A lítium-fém akkumulátorok igazi előnye azonban a nagyobb energiasűrűségük. Ugyanazon méret mellett egy lítium-fém energiatároló nagyobb kapacitással rendelkezhet, mint egy lítiumion-akkumulátor. A Cuberg szerint 380 wattóra/kilogramm energiasűrűség érhető el. A lítiumion-energiatárolók általában 270 Wh/kg körüli értéket érnek el. Ez 40 százalékos kapacitásnövekedésnek felel meg - vagy a laptopban lévő méret ennyivel csökkenthető azonos tudáshoz.
Az Ars Technica azt írta, hogy a Cuberg arra számít, hogy 2025-ben sorozatgyártásra kész lítium-fém akkumulátorokat szállíthat, azok azonban nem lesznek láthatóak okostelefonokban, notebookokban vagy e-autókban, mivel az első célpontjaik az eVTOL (elektromos függőlegesen fel- és leszálló járművek lesznek, vagyis a légi taxik és a "repülő autók". A startup szerint ennek oka az ár. Az első tételek előállítása még mindig jelentősen drágább lesz, mint a jelenlegi energiatárolóké. Ez ellentmond az autóipar jelenlegi trendjének. Az elektromos gépkocsik gyártói azonban nagyon le vannak maradva a kilowattóránkénti költségek csökkentésében. Csak ha az egy bizonyos szintig megvalósul, akkor lehetnek az elektromos autók olyan olcsók, mint a hasonló, belső égésű motorral hajtott modellek.
A légi közlekedésben az ár kevésbé játszik szerepet. Jelenleg az eVTOL elsősorban a súlycsökkentésről szól. Ennek oka a légi közlekedési előírásokban keresendő. Mivel az eVTOL-oknak városi területeken kell repülniük, számos biztonsági mechanizmussal kell rendelkezniük, például az akkumulátortüzek megelőzése érdekében. Ezek a biztonsági intézkedések többletsúlyt jelentenek, a nagyobb tömeg pedig rövidebb hatótávolságot és kisebb utaskapacitást. Ugyanazzal a kapacitással egy lítium-fém energiatároló lényegesen kisebb és könnyebb, mint a lítiumion-akkumulátor.
A Cuberg szerint az eVTOL és az elektromos repülőgépek fejlesztőinek lítium-fém energiatárolókra kellene támaszkodniuk. Ennek oka, hogy a kötelező biztonsági intézkedések miatt a lítiumion-akkumulátorok olyan nehezek lennének, hogy a jelenleg fejlesztés alatt álló légi taxik nem lennének képesek elérni a megcélzott hatótávolságot. A Boeing, amely szintén dolgozik az eVTOL-on, 2018-ban már befektetett a Cubergbe.
A következő lépés a hosszú távú utazásokhoz használt e-autók lennének, amelyek potenciálisan érdekesek lehetnek a lítium-fém technológia megvalósítása szempontjából. A Cuberg úgy vélte, hogy körülbelül 10-15 éven belül az energiatárolóit annyira optimalizálják, hogy azok ára megegyezik a lítiumion-akkumulátorokéval. Legkésőbb addigra várhatóan lítium-fém energiatárolókkal találkozhatunk az okostelefonokban és a notebookokban. Ez azonban hamarabb is bekövetkezhet, mert más vállalatok is intenzíven kutatják a lítium-fém akkumulátorokat és az élettartamuk növelésének módjait. Emellett más kombinációkat is kutatnak, például lítium-levegő, lítium-kén vagy magnézium-ionok kombinációit.
Szinte minden, ami akkumulátorral rendelkezik, a lítiumion-technológiára támaszkodik, amely már majdnem a fejlesztési szakasz végén jár, nem nagyon van már benne potenciál. Ezért a szakemberek az egyre nagyobb méretű okostelefonok, a nagyobb teljesítményű számítógépek és a nagyobb hatótávolságú elektromos autók magas energiaigénye miatt alternatívák után kutatnak. Az egyik ígéretes jelölt a lítium-fém energiatároló, amelynek azonban van egy nagy hátránya: az élettartama körülbelül fele a lítiumion-akkumulátorokénak. A kaliforniai Cuberg startup - amelyet 2021-ben a svéd Northvolt cég vásárolt fel - szeretné megoldani a problémát.
A Cuberg a lítium-fém celláit egy független tesztlaboratóriumnak adta át és ott egy szabványosított teszt segítségével ellenőrizték, hogy a cellákat milyen gyakran lehet kisütni és feltölteni, amíg azok kapacitása az eredeti maximális kapacitás 80 százalékára csökken. Teljesen normális, hogy az energiatárolók töltés és kisütés közben veszítenek a kapacitásukból - ezért az okostelefonok akkumulátorai nem tartanak olyan sokáig, mint a kezdetekben, akár egy-két év után sem. A laboratóriumban megállapították, hogy a lítium-fém cellák 672 töltési ciklust bírnak ki, mielőtt elérnék a 80 százalékos szintet. Ez jelentős növekedés a Cuberg korábbi modellje által elért 370 ciklushoz képest.
Mindez azt jelenti, hogy a jövőbeni lítium-fém energiatárolók nemcsak ugyanolyan tartósak lesznek, mint a lítiumion-akkumulátorok, hanem hosszabb üzemidejük is lesz azoknál. A mai lítiumion-energiatárolók közül soknak 500 töltési ciklus a célértéke. A legtöbb jelenlegi akkumulátor optimalizált töltési rutint használ, így csökkentik az alkatrészek terhelését és így növelik azok élettartamát. A mostani laboratóriumi teszt során nem használtak optimalizált töltési rutinokat. Amennyiben a jövőben használják azokat, akkor a lítium-fém energiatárolók még hosszabb ideig megőrizhetik nagy kapacitásukat.
A Cuberg olyan elektródanyagot használ a celláiban, amely lítiumréteget képez az anód és a katód körül. Ez védi azt az anyagréteget, amely a lítiumion-akkumulátorban a névadó lítiumiont tárolja. A kevesebb réteg több helyet jelent az energia tárolására. A lítium hátránya, hogy az anyag tárolása egyenetlenül alakulhat ki az elektródákon. Sok töltési ciklus után dendritek alakulhatnak ki, amelyek rövidzárlatot okozhatnak. Ezenkívül a fém nagyon reaktív. Reakcióba léphet az anód és katód között lévő elektrolitban lévő vegyi anyagokkal. Ez megnehezíti a kívánt lítiumréteg kialakulását.
A Cuberg saját fejlesztésű elektrolittal oldja meg a problémát. Ez egy ionos folyékony só, amelyhez stabilitást növelő vegyszereket adtak hozzá. A lítium továbbra is képes reagálni vele, de egységes felületet hoz létre, amely védi az elektródákat. A szilárdtest-akkumulátorokkal ellentétben a Cuberg megoldása szinte teljesen kompatibilis az újratölthető energiatárolók meglévő anyagaival és gyártási módszereivel. Az egyetlen kivétel az elektrolit.
A lítium-fém akkumulátorok igazi előnye azonban a nagyobb energiasűrűségük. Ugyanazon méret mellett egy lítium-fém energiatároló nagyobb kapacitással rendelkezhet, mint egy lítiumion-akkumulátor. A Cuberg szerint 380 wattóra/kilogramm energiasűrűség érhető el. A lítiumion-energiatárolók általában 270 Wh/kg körüli értéket érnek el. Ez 40 százalékos kapacitásnövekedésnek felel meg - vagy a laptopban lévő méret ennyivel csökkenthető azonos tudáshoz.
Az Ars Technica azt írta, hogy a Cuberg arra számít, hogy 2025-ben sorozatgyártásra kész lítium-fém akkumulátorokat szállíthat, azok azonban nem lesznek láthatóak okostelefonokban, notebookokban vagy e-autókban, mivel az első célpontjaik az eVTOL (elektromos függőlegesen fel- és leszálló járművek lesznek, vagyis a légi taxik és a "repülő autók". A startup szerint ennek oka az ár. Az első tételek előállítása még mindig jelentősen drágább lesz, mint a jelenlegi energiatárolóké. Ez ellentmond az autóipar jelenlegi trendjének. Az elektromos gépkocsik gyártói azonban nagyon le vannak maradva a kilowattóránkénti költségek csökkentésében. Csak ha az egy bizonyos szintig megvalósul, akkor lehetnek az elektromos autók olyan olcsók, mint a hasonló, belső égésű motorral hajtott modellek.
A légi közlekedésben az ár kevésbé játszik szerepet. Jelenleg az eVTOL elsősorban a súlycsökkentésről szól. Ennek oka a légi közlekedési előírásokban keresendő. Mivel az eVTOL-oknak városi területeken kell repülniük, számos biztonsági mechanizmussal kell rendelkezniük, például az akkumulátortüzek megelőzése érdekében. Ezek a biztonsági intézkedések többletsúlyt jelentenek, a nagyobb tömeg pedig rövidebb hatótávolságot és kisebb utaskapacitást. Ugyanazzal a kapacitással egy lítium-fém energiatároló lényegesen kisebb és könnyebb, mint a lítiumion-akkumulátor.
A Cuberg szerint az eVTOL és az elektromos repülőgépek fejlesztőinek lítium-fém energiatárolókra kellene támaszkodniuk. Ennek oka, hogy a kötelező biztonsági intézkedések miatt a lítiumion-akkumulátorok olyan nehezek lennének, hogy a jelenleg fejlesztés alatt álló légi taxik nem lennének képesek elérni a megcélzott hatótávolságot. A Boeing, amely szintén dolgozik az eVTOL-on, 2018-ban már befektetett a Cubergbe.
A következő lépés a hosszú távú utazásokhoz használt e-autók lennének, amelyek potenciálisan érdekesek lehetnek a lítium-fém technológia megvalósítása szempontjából. A Cuberg úgy vélte, hogy körülbelül 10-15 éven belül az energiatárolóit annyira optimalizálják, hogy azok ára megegyezik a lítiumion-akkumulátorokéval. Legkésőbb addigra várhatóan lítium-fém energiatárolókkal találkozhatunk az okostelefonokban és a notebookokban. Ez azonban hamarabb is bekövetkezhet, mert más vállalatok is intenzíven kutatják a lítium-fém akkumulátorokat és az élettartamuk növelésének módjait. Emellett más kombinációkat is kutatnak, például lítium-levegő, lítium-kén vagy magnézium-ionok kombinációit.