Nagy tételben fogad Európa az elektromos autózásra, aminek elengedhetetlen eleme az akkumulátorgyártás. Ebben a tekintetben Magyarország is kiemelten fontos szereplője lesz az európai iparnak, hiszen nagyon jelentős akkumulátoripari beruházások folynak itthon, beleértve a CATL 7,3 milliárd eurós debreceni üzemét, ami az ország történetének legnagyobb beruházása. De pontosan miről szól a technológia, amire Európa és Magyarország is feltette a jövőjét? Mi lesz a debreceni akkumulátorgyárral, ha néhány év múlva megváltozik az optimális gyártástechnológia? Merre tart most az akkumulátorok fejlődése? Ezeknek a kérdéseknek a megválaszolásában Höfler Lajos, a BME Szervetlen és Analitikai Kémia Tanszék docense, a University of Michigan és a University of Oxford korábbi kutatója volt a Portfolio segítségére.
Hogyan működik az akkumulátor?
A jelenlegi akkumulátorpiacot két technológia uralja: az ólomsavas- és a lítiumion akkumulátor. A hagyományos ólomsavas, autókba, teherautókba, termelőeszközökbe kerülő egységek tökéletesítése már több mint 150 éve zajlik, a teljesítményük és felhasználási lehetőségeik azonban végesek - a lítiumion akkumulátorokban ellenben már most sokkal nagyobb a potenciál. „Az egyik legfontosabb mérőszám, amely jól leírja az akkumulátorokat a fajlagos energia, vagyis, az, hogy hány Wh energiát tud egy kilogramm akkumulátor eltárolni. Az ólomakkumulátornál ez a szám körülbelül 45 Wh/kg, amely az 1850-es évek óta érdemben nem változott. A nikkel-fémhidrid akkumulátorok később már 120 Wh/kg tudtak, a lítiumion, amit a Sony dobott először piacra 30 éve, viszont ma már 250-300 Wh/kg energiát tud tárolni, amely bármely elektromos eszköz számára reális alternatívát nyújthat, ráadásul a folyamatos fejlesztéseknek köszönhetően ez a szám folyamatosan emelkedik. A lítium-levegő akkumulátorok, amelyek fejlesztése folyamatban van, például hamarosan tudhatnak 1000 Wh/kg felett is tárolni, amely már közelebb van a benzin fajlagos energiájához” – mondta Höfler Lajos.
A mindenkori legnagyobb kritika az akkumulátorokkal szemben az áruk, amely az elektromos autók árcéduláján látszódik igazán. A mai napig – annak ellenére, hogy jelentősen kevesebb alkatrészből áll – egy elektromos autó ára, akár a duplája is lehet azonos kategóriájú benzin- vagy dízelüzemű társaihoz képest. Ameddig ez nem változik, addig az elektromos autózás a „gazdagok sportja” marad.
Az óriási árkülönbözetet az akkumulátorok költsége jelenti. Mivel az iparág hosszabb időtávon nézve rendkívül fiatal, a kapacitások erőteljes növekedési szakaszban vannak, így a gyártási költségek csökkenésével a végtermékek ára is jelentősen alacsonyabb lehet a későbbiekben – mondta Höfler. A lítiumion akkumulátorok esetében az egy kWh-ra vetíttet vételár körülbelül 1250 dollár volt 2010-ben. Ma ez már csak 150 dollár környékén mozog, és a mérethatékonyságnak, és új eljárásoknak köszönhetően még jelentős csökkenésre lehet számítani – tette hozzá a BME docense.
Mit tud a lítiumion, amit más nem?
Az akkumulátorok belső felépítése alapvetően 4 komponensből áll. Anódból (negatív oldal), katódból (pozitív oldal), szeparátorból, amely fizikailag elválasztja őket egymástól, illetve valamilyen, az ionokat vezetni képes oldatból. A lítiumion akkumulátor – a technológia jelen állapotában – szintén e hagyományos elemekből épül fel.
A negatív és a pozitív elektród is valamilyen lítiumion-tároló anyagból készül. Amikor használjuk az akkumulátort, a lítiumionok az elektrolit oldaton és a szeparátoron keresztül „átvándorolnak” a negatív elektródból a pozitív elektródba, ezzel párhuzamosan a rákapcsolt fogyasztót (pl. az autó motorját) árammal látjuk el. A lítiumionok az akkumulátor pozitív elektródjában jobban érzik magukat, ezért energiát nyerhetünk ki, a folyamat során.
Azért rejlik hatalmas lehetőség a lítiumion akkumulátorokban, mert a kutatóknak lehetőségük van több tucat lítiumtároló anyag közül választani, attól függően, hogy milyen szempontok kerülnek előtérbe (nagy fajlagos energia, ár, környezetvédelem, újrahasznosíthatóság) – mondta el Höfler Lajos.
A mai napig a legelterjedtebb negatív elektród, a grafit. Ez a szén egyik módosulata, amelyben grafén rétegek helyezkednek el egymáson, amelyeket viszonylag gyenge, másodrendű kötőerők tartanak össze. Töltés során a lítiumionok ezek közé a lemezek közé préselődnek be.
„A technológia kezdetén az anód grafitból, a katód pedig lítium-kobalt-oxidból készült, amely szintén egy réteges szerkezetű anyag, amelybe a lítiumionok be tudnak kerülni. Amikor teljesen fel van töltve a cella, akkor a lítium nagy része a grafitban van, és amikor elkezdjük lemeríteni az akkumulátort, akkor a lítium elkezd a negatív elektródtól az elektroliton át a szeparátoron „átvándorolni” a katódanyagba.
Ezzel párhuzamosan ugyanilyen mennyiségű elektron meghajtja az autónkat, vagy a laptopunkat. Az energia abból származik, hogy a grafitban „nem szeret lenni” a lítium, ezért az áramkör zárásával lehetősége nyílik a katód irányába haladni, amely viszont optimális hely a számára. Amikor feltöltjük az akkumulátort, akkor a lítiumot átkényszerítjük egy olyan helyre, ahol „nem szeret” lenni, olyan, mintha összenyomnánk egy rugót. A trükk csak az, hogy nem szabad engedni, hogy önmagától elinduljon ez a lítiumvándorlási folyamat, mert akkor az akkumulátor magától lemerülne” – tette hozzá Höfler Lajos.
Fejlesztési irányok
A katódok ma már elsősorban nikkel-mangán-kobalt-oxidból (NMC) készülnek, amelynek még jobb tulajdonságai vannak, mint a technológia kezdeti fázisában használt lítium-kobalt-oxidnak. A probléma viszont pont az alkotóelemekkel van: az említett fémek viszonylag kevés helyen fordulnak elő a Földön, ráadásul Európa kifejezetten szegény ezekben az anyagokban. A fejlesztés egyik meghatározó iránya, hogy a katódanyagot valamilyen jóval gyakoribb, és könnyebben elérhető anyaggal váltsák ki, amely olcsóbbá is tenné az akkumulátorokat.
A fejlesztések eredményeként egyre inkább kezdenek elterjedni a lítium-vasfoszfát (LFP) akkumulátorok. A vas rendkívül könnyen elérhető, és a korábbi példákkal szemben nem réteges szerkezetű, hanem a lítiumion tárolása hosszúkás járatokban történik – mondta Höfler.
Ma már a legyártott Li-ion akkumulátorok 30-50 százaléka lítium-vasfoszfát katóddal rendelkezik, a kínai belpiacos autók jelentős része – pont azért, hogy ne legyenek harmadik országoknak kitéve az alapanyagbeszerzés során – ilyenekkel készül. A technológia hátránya, hogy 20-30 százalékkal alacsonyabb energiasűrűséget lehet vele elérni, mint a nikkel-mangán-kobalt-oxidos katódmegoldással. A Tesla olcsóbb modelljei például már vas-foszfátos akkumulátorokkal érkeznek.
„A Tesla most fejleszti azt is, hogy a grafit helyett szilíciumot használjanak anódként, mert az jóval nagyobb mennyiségben képes befogadni a lítiumot, azonban ez esetben is felmerül egy probléma. Míg a grafit alig-alig tágul, amikor fel van töltődve lítiummal, addig a szilícium a háromszorosára duzzad. Ez komoly mechanikai stressz, amit nehéz kezelni, de természetesen nem lehetetlen" - mondta Höfler Lajos.
A CATL közben már egy teljesen új típusú akkumulátoron dolgozik, amelynél a lítiumot nátriummal helyettesítik. A Föld egyik leggyakoribb eleméről van szó, így szintén sokat lehetne csökkenteni az előállítási költségeken. Egyelőre még ez sem tud akkora energiasűrűséget hozni, mint a lítiumion, de itt még a fejlesztések az elején járnak.
A szakértő szerint az előbb említett fejlesztéseken felül jelentős potenciál rejlik a lítium-levegő technológiában, amelynek egy nagy előnye, hogy nem kell magunkkal vinni a katódot, hiszen a levegő oxigénje lesz a pozitív elektród aktív komponense.
Ezzel a megoldással 3-4-szeres fajlagos energiát tudtak elérni, egyelőre laboratóriumi körülmények között. Ennek megvalósításához a folyadékalapú elektrolitot egy szilárdra kellett cserélni. Ha az ígéreteknek megfelelően halad az innováció, akkor akár tízszer nagyobb energiasűrűséget is el lehetne érni, mint a mai eljárásokkal – tette hozzá.
Szakmai körökben sokat hallani a szilárdtest akkumulátorokról, amelyek egyfajta dimenzióváltás jelentenének az iparágban. Ezeknek a lényege, hogy nem kell bele szeparátor, és nem kell bele folyékony elektrolit sem.
Ez egyrészt a méretcsökkentés miatt lenne nagyon előnyös, másrészt az éghető elektrolit oldatot ki lehet váltani, ezért a szilárdtest akkumulátorok sokkal kevésbé robbanásveszélyesek. Olyan szilárd anyagot találni azonban, amely egyrészt helyettesíti a szeparátort, másrészt olyan jól vezeti a lítiumionokat, mint egy folyadék, meglehetősen nehéz – mondta Höfler Lajos.
Attól viszont nem kell félni, hogy egy ma nikkel-mangán-kobalt-oxiddal dolgozó gyár a jövőben ne tudna átállni más technológiára, ugyanis az alapanyag már bekeverve „zsákban” érkezik, az üzemek csak a megfelelő technológiával különböző felületekre hordják fel az anyagokat. Ha más eljárás nyer teret, akkor más alapanyagokkal fogják ugyanezt megtenni.
Hidrogén, az alternatíva?
Az akkumulátoripari fejlesztésekkel párhuzamosan a hidrogénipari beruházások is rohamléptekben haladnak, sokan konkurens technológiaként tekintenek rájuk. A hidrogén számos olyan tulajdonsággal rendelkezik, amivel az akkumulátorok (egyelőre) nem,
PÉLDÁUL HOSSZÚTÁVÚ ENERGIATÁROLÁSRA SOKKAL ALKALMASABB LEHET A TECHNOLÓGIA.
Egy otthoni 5-10 kWh-s akkumulátoros energiatároló arra például tökéletesen alkalmas, hogy a napközben, napelemmel megtermelt energiát éjszakai felhasználásra eltárolja, de arra már nem, hogy például a nyáron megtermelt energiát télre elraktározza. A hidrogén viszont tökéletesen alkalmas lehet erre a feladatra, természetesen ipari méretekben is. Ebből a szempontból inkább egymást kiegészítő technológiákról lehet beszélni, nem pedig egymás konkurenseiről – vallja Höfler.
A ma felhasznált hidrogént leginkább fosszilis energiahordozók felhasználásával különböző technológiákkal nyerik ki. Lehetséges áram segítségével bontani a vizet higrogéngázra és oxigéngázra. Ha ez a vízbontás tiszta energiával történik, akkor értelemszerűen a megtermelt hidrogén is tiszta lesz, a fosszilis energiahordozók elégetésével nyert energiával előállított hidrogén viszont aligha.
AZ AKKUMMULÁTOROS ÉS HIDROGÉN ÜZEMANYAGCELLÁS TECHNOLÓGIA AZ ELEKTROMOBILITÁSBAN BETÖLTÖTT SZEREPÜKET TEKINTVE MÁR JÓVAL ÉLESEBB VERSENYBEN VANNAK EGYMÁSSAL.
„A hidrogén üzemanyagcella működése során pont a fordítottja történik, mint a vízbontásnál. Ott a vizet bontjuk hidrogéngázra és oxigéngázra, elektromos energia felhasználásával. Az üzemanyagcella fordított módon működik, egyesítjük a hidrogént és az oxigént, és ebből energiát nyerünk. Fontos, hogy a hidrogéngázt nem egyszerűen elégetjük oxigéngáz jelenlétében. A keletkező hőenergiát nem lehet 100 százalékig elektromos energia előállítására felhasználni. Viszont azzal, hogy az üzemanyagcellákban kettéválasztjuk az folyamatot egy anódos és egy katódos részre jelentősen több energiát lehet visszanyerni" – mondta Höfler.
Ha nincs új, jó lesz a régi is
De visszakanyarodva a lítiumion akkumulátorokhoz, sokan kérdezik azt, hogy mi lesz az elhasznált akkumulátorokkal, és mekkora fantázia van az újra hasznosításban. Höfler szerint a nagy probléma ezzel a kérdéssel, hogy a lítiumion akkumulátorok esetében olyan gyors a technológiai fejlődés, hogy jelenleg nehéz megmondani, hogy melyik fejlesztés jelentheti a technológia következő lépcsőfokát.
Senki nem lehet biztos abban, hogy például a mangánt vagy kobaltot nem váltja-e le végérvényesen a vas a katódok esetében. Ha pedig nincs szükség rá a gyártásban, akkor az újrahasznosítása sem éri meg
A költséges beruházások ezért különösen kockázatosnak számítanak, bár Magyarországon több üzem is van, amely ezzel foglalkozik.
„Az újrahasznosítás egyik módszere a pirometallurgia, ahol hő segítségével nyerik vissza az értékes alapanyagokat. A folyamat során valójában a nikkelt és a kadmiumot lehet visszakapni. Ehhez 1000 °C feletti hőmérsékletek kellenek, ezért ez egyrészt rendkívül energiaigényes eljárás, másrészt nagyon nagy erőfeszítésekkel lehet csak környezetbarát módon végezni a tevékenységet. A másik megoldás a hidrometallurgia. Ekkor valamilyen reagenssel kinyerjük azokat a komponenseket, amikre szükség van. Ez sokkal kevésbé energiaigényes és többféle alapanyag visszanyerésére is alkalmazható, viszont több vegyi anyagra van szükség” – mondja a BME docense.
Hosszabb távon megoldást jelenthetne, ha magukat a gyártókat köteleznék az akkumulátorok újrahasznosítására, nem pedig független szereplőknek kellene a kockázatos befektetéseket megtenni.
Több EU-s törekvés is ebbe az irányba mutat, ráadásul a gyártók is profitálhatnak a körforgásból, hiszen számos alapanyagot „házon belül” lehet előállítani.
Kéz helyett tudás
A Magyarországon működő és még épülő akkumulátorgyárakkal szemben az egyik legfőbb ellenérv a hazai hozzáadott érték vélhetően alacsonyt szintje.
Az ázsiai gyárak esetében kevésbé jellemző, hogy Európába hoznák a K+F tevékenységüket, nagy általánosságban elmondható, hogy a német és más nyugat-európai cégekhez képest sokkal inkább védik a fejlesztői integritásukat, és helyben csak esetleg a gyártástechnológia bizonyos fázisai, amit a hazai szakemberek fejleszthetnek
– mondta Höfler. Ez a trend viszont megtörni látszik, hiszen a Debrecenben is fejlesztő CATL Türingiában vesz részt K+F együttműködésben német partnerekkel, amely Magyarország számára is bíztató lehet – tette hozzá.
Egyrészt látszik, hogy a vállalat számára fontos az európai piac és az európai autógyárakkal való együttműködés, miután a fejlesztéseket, vagy legalább egy részüket hajlandó idehozni. Másrészt a német vállalatok, gyárak és fejlesztőközpontok is jelen vannak Magyarországon, így nem lenne meglepő hosszútávon a szinergiák kihasználása – mondta Höfler Lajos, hozzátéve, hogy a hazai szakemberképzésnek is jobban kell fókuszálni a területre ahhoz, hogy magasabb hozzáadott értékű folyamatok érkezzenek Magyarországra.
Forrás: Milliárdokat fektetünk ebbe a technológiába, de vajon tényleg ez a jövő? - Portfolio.hu