e-autó Kiemelések Technika 2023. december 21.

Nem az ördög műve az akkumulátor

Akadnak, akik tartanak az elektromos autókban alkalmazott akkumulátoroktól, amit részben az táplál, hogy nincsenek tisztában a felépítésével és a működésével, ami azonban egyszerűbb, mint elsőre látszik.

Mindenki kezében megfordult már ceruzaelem, amit számos helyen alkalmazunk zseblámpától kezdve faliórákon keresztül a távirányítókig. A több mint másfél évszázada feltalált áramforrás eredetijében a pozitív elektróda szénből, a negatív cinkből készült, melyek között elektrolitként szalmiáksó oldata teremtette meg a kapcsolatot. A ma az elektromos autókban alkalmazott akkumulátorok alapfelépítése alig tér el ettől, még az is stimmel, hogy az egyik elektródájuk alapanyaga leggyakrabban szintén a szén egy formája, a grafit.

Ezzel azonban el is kezdődnek az eltérések. A hajdani, ám modernizált formában ma is használt AA, AAA és egyéb formátumú szárazelemek lemerülés után nem tölthetők, vagyis bennük a folyamat egyirányú. Az akkumulátorokban – áramot kapcsolva rájuk – azonban a folyamat megfordítható, vagyis feltöltést követően ismét alkalmasak arra, hogy áramot szolgáltassanak. Egy további, figyelemre méltó különbség, hogy míg a szárazelemekben a szenet a pozitív elektródához alkalmazzák, a lítium alapú akkumulátorokban a negatív pólus készül belőlük. A pozitív elektróda lítium alapú ötvözetből készül, amit azért szemeltek ki erre a feladatra, mert kimagaslóan magas az elektromos aktivitása, hivatalos nevén a standardpotenciálja. Ennek köszönhető, hogy a mobiltelefonokban, hordozható számítógépekben, kamerákban és az élet még számos területén alkalmazott lítium-ion akkumulátorok névleges feszültsége nem 1,5 volt, mint a szén-cink anyagú elemé, vagy 1,2 volt, mint a szintén széles körben alkalmazott nikkel-fémhidrid akkumulátoroké, hanem jóval több. Hivatalosan 3,7 volt, ami a valóságban – a töltöttségtől függően – 2,8 és 4,2 volt között ingadozhat. Részben ez a sokkal nagyobb feszültség az oka, hogy lítium-ion akkumulátorokat nem szívesen gyártanak a megszokott AA és AAA méretben, hiszen az eltérő feszültség vagy a velük táplálni szándékozott készülék, vagy az akkumulátorok vesztét okozhatja.

Kiváló anyag a lítium, de…

A lítiumot elektródaként alkalmazni azonban nem olyan egyszerű, és ennek épp az a bizonyos nagy aktivitási hajlam az oka. Emiatt a lítium többek között nagyon könnyen lép kölcsönhatásba egy sor anyaggal. Például oxigénnel, amitől azonnal oxidálódik, sőt, pára jelenlétében még lángra is lobbanhat, vagy akár vízzel, ami hidrogénfejlődéssel kísért azonnali oldódással jár együtt. Egy további gond vele, hogy akkumulátor elektródaként alkalmazva, különösen túltöltés esetén, hajlamos kis tűket, úgynevezett dendriteket növeszteni, amelyek közeledve a másik elektródához zárlatot okozhatnak – ami a lítium gyulladási hajlama miatt tűzhöz, vagy akár robbanáshoz vezethet. Ezekre a problémákra kellett a bő négy évtizede kezdődött fejlesztéseknek megoldást találniuk. Ez azóta megtörtént, méghozzá többféle módszert találtak a megelőzésre, aminek eredményeként többféle lítium alapú akkumulátor született.

A lítiumion-akkumulátorok alapanyagai. Előtérben, tojás alakú lombikban az NCM kémiájú pozitív elektróda és a grafit negatív elektróda még por alakban

A megoldás egyik kulcsa, hogy a lítiumot nem tisztán, hanem más anyagokkal, többnyire fémekkel ötvözve alkalmazzák elektródaként. A másik, hogy a lítium alapú akkumulátoroknál mindig alkalmaznak védő elektronikát, amely megakadályozza a túltöltést vagy a túlmerítést. Különböző anyagok bevetésével legalább tucatnyi lítiumalapú akkumulátor jött így létre, amelyek közül ma elektromos autókban a két legelterjedtebben alkalmazott az NMC és az LFP, avagy LiFePo rövidítésekkel jelzett kémiájú akkumulátor. Mindkét betűhármas az összetevőkre utal. Az NMC akkumulátorokban nikkel, mangán és kobalt az ötvöző, míg az LFP a lítium-vasfoszfát akkumulátor jelölésére szolgál. A kétféle akkumulátor kialakítása, ára, és képességei is eléggé 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 azonban, hogy mind a nikkel, mind a mangán, és különösen a kobalt ritka és drága alapanyag, ráadásul az utóbbi esetében a bányászatához Kongóban igénybe vett gyermekmunka miatt emberiességi kérdéseket is felvet. A részben ezekből is következő magasabb ár mellett további gond, hogy az NMC akkumulátor érzékenyebb akár a belső elváltozásokra, akár a külső behatásokra, ezért a tűz és robbanásveszély elkerülésére fokozottan ügyelni kell mind a kialakítás, mind az üzemeltetés során.

Lítium-vasfoszfát, vagy rövidítve LFP-kémiát alkalmaz a kínai BYD a formája miatt penge névre hallgató akkumulátor celláiban

A lítium-vasfoszfát akkumulátor békésebb szerkezet. A kínai BYD akkumulátorgyártó kísérlettel is igazolta, hogy az autóikban alkalmazott lapos akkumulátorcellákat akár százas szöggel is át lehet ütni, mégsem történik semmi. Sem túlhevülés, sem robbanás nem következik be, az akkumulátor tovább szolgáltatja az áramot. Sőt, akár el is lehet vágni, még ez sem okoz fennakadást a működésében. Ráadásul a vas és a foszfor is olcsó és könnyen hozzáférhető alapanyag, ami kevésbé költségessé teszi a gyártást. További előnye, hogy hosszabb a napokban-években mért élettartama, és szám szerint is több töltést-merítést visel el, jobban tűri a túltöltést vagy túlmerítést, 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, akkor ebből a típusból nagyobb akkumulátort kell beépíteni az autóba.

Henger vagy tégla?

Felépítésük módját tekintve a lítium alapú akkumulátorok mások, mint akár a szárazelemek, akár a jól ismert ólom-savas indítóakkumulátorok. 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 egymásra helyezik és hengert csavarnak belőlük. Ehhez hasonlít leginkább a lítium alapú akkumulátor cellák 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 réz fólia, erre kerül a lítiumötvözet, majd egy szeparátor, azaz elválasztó réteg következik, amire negatív elektródaként grafit fóliát fektetnek, és végül alumínium fóliával borítanak be, ami szintén csak áramot vivő érintkezőként szolgál. Végül az egészet elektrolitba mártják, s a kérdés utána már csak az, milyen formát adjanak neki és milyen házba foglalják be.

Hengeres cellák sorakoznak a hűtőfolyadék által jól körüljárhatóan a védelmükre szolgáló tokban

Az egyik lehetőség, hogy hosszabb darabokra vágják, feltekerik és henger alakú házba zárják a szeleteket, amit alakja miatt, nem meglepő módon hengeresnek neveznek. Számos területen alkalmaznak ilyen lítium-ion cellákat, a legismertebb közülük a 18 mm átmérőjű, 65 mm hosszú, 18650 számjelzésű cella. Autóban kevésbé alkalmaznak ilyen kialakítást, mert nagyon sok kell belőle, és beépítésük is bonyolultabb és munkaigényesebb. Előnye viszont, hogy a hűtőfolyadék teljesen körbejárhatja az egyes cellákat, amelyek így jobban terhelhetők és intenzívebben tölthetők. Nem utolsó sorban emiatt alkalmazza egyes típusaiban a Tesla.

Egy másik módszer, hogy a szeleteket rövidebbre vágják majd ahogy vannak, szigetelő anyagból 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 nagyon meggyorsítják a gyártást, hiszen egyszerűen csak szorosan egymás mellé kell sorakoztatni őket. Ezt többnyire úgy teszik, hogy először pár cellát tartalmazó modulokba rendezik őket, majd ezekből a 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 voltos feszültséget, amivel a mai villanyautók többsége működik. A doboz alakú cellák hátránya azonban, hogy túlhevülésüket általában egy alájuk beépített, belül folyadékot áramoltató hűtőfelülettel oldják meg, ami kevésbé hatékony, mint a hengeres cellák körbeáramló hűtése.

Tasakos akkumulátorcella, benne az elektrolittal átitatott fóliarétegekkel. Csak a két elektróda áll ki.

Talán említeni sem kell, hogy a leírtak csak az alapokra szorítkoznak, mert mint szinte minden másnál, a lítium alapú akkumulátoroknál is az ördög a részletekben rejlik. Például az összetevők, nem utolsósorban az ötvözőanyagok mennyiségében és arányában, az alkalmazott elektrolitban, de még az érintkezők kialakítása is számít. Ezeken és az olyan kapcsolódó egységeken, mint a hűtés, vagy a szabályzó elektronika múlik az áramtároló képesség, a tölthetőség, vagy a terhelhetőség, a kivehető legnagyobb teljesítmény.

A fejlesztés már a múltban is rohamléptekkel haladt. Példaként érdemes talán felhozni az első használhatónak tartott elektromos autót, az ezért a 2011-es Év Autója díjat is elnyert Nissan Leafet. Akkumulátorának tömege közel 300 kiló volt 24 kWh áramtároló képesség mellett, ami szabvány szerint mérve 140 kilométeres hatótáv elérését tette lehetővé. Ma ekkora tömeg mellett 50 kWh, vagy még nagyobb tárolókapacitás érhető el, ami a korszerűbb hajtásláncokkal társítva akár 400 kilométeres táv megtételére is elegendő. Mindez alig több mint tíz év alatt, ami közben az akkumulátorok 1 kWh-ra jutó ára is a tizedére esett vissza!

A kínai CATL akkumulátorgyár legmodernebb, gyorstöltésű, 800 V feszültségű akkumulátorában már nem alkalmazzák a moduláris elvet

Ma sem lankadnak a szakemberek, szinte nap, mint nap jelentenek be újabb és újabb eredményeket. Az idén szeptemberi müncheni autókiállításon a kínai CATL egy olyan akkumulátort mutatott be, amelybe 10 perc alatt tölthető bele 400 km-re elegendő áram. Ez az időigény talán már azok számára is kezd elfogadhatóvá válni, akik a lassú töltés miatt idegenkednekl az elektromos autóktól. Holott ez még mindig csak a pillanatnyi állapot, a fejlesztés gőzerővel folyik tovább…

Szöveg: Gajdán Miklós

Fotók: Gajdán Miklós, VW

Kapcsolódó cikkek