Norvégiában 2025, Izraelben és Szingapúrban 2030, az Európai Unióban 2035, Kínában 2060 a tervezett dátum a belső égésű motoros új autók értékesítésének betiltására. Az európai cél azért 2035, hogy az autók átlagosan 15 éves élettartamával számolva a benzines és a dízelautók 2050-től ne bocsássanak ki szén-dioxidot a légkörbe. Az emisszió visszafogása az EU 2050-re vállalt szénsemlegességének eléréséhez szükséges, amikor a légkörbe kibocsátott és onnan kivont szénmennyiségnek minimálisan egyensúlyban kell lennie.
Ezek a tervek változhatnak, az időpontok ki is tolódhatnak még, de azt látni, hogy a szén-dioxid-kibocsátás csökkentésének reményében a helyben zéró emissziós autók valamikor teljes egészében átveszik a belső égésű motorosok helyét az új autók között.
Ezek a helyben nullemissziós személyautók – a fejlesztések mai állása szerint – elsősorban akkumulátoros villanyautók lesznek, zömmel nem hidrogén-üzemanyagcellás elektromos járművek vagy hidrogént a belső égésű motorban elégető járművek. Az üzemanyagcella és a hidrogén a távolsági fuvarozásban lehet befutó, a személyautók között az autógyártók az akkumulátoros villanyautókban hisznek.
Megváltozhat a közeljövőben az akkumulátorok kémiája, a cellák elrendezése, az akkucsomag felépítése, és az elektromos átállással módosulhatnak az erőviszonyok az autógyártók és beszállítóik között. Az autók jövedelmezőségét és árát nagyban meg fogja határozni az akkumulátor, aki itt nem ura a helyzetnek, az nagyon nehéz helyzetbe kerül a következő évtizedekben. Saját akkufejlesztéssel a konkurensek nem férhetnek hozzá az eredményekhez, ami közvetlenül termékelőnyre váltható nagyobb hatótávban, gyorsabb töltésben, alacsonyabb akkuárban.
A fejlesztés egyik útja a Nature c. tudományos folyóirat cikke szerint a szeparátorfólia vékonyítása, a cellafeszültség növelése a felületkezelés javításával, más összetételű elektrolittal és a cellák formájának, alakjának újragondolásával.
Cella-modul-akkupakk: van hatékonyabb
Átalakulóban van az akkumulátorcsomagok felépítése. Ma nagyrészt az akkucellákból merev falú dobozban lévő modulok épülnek fel, és ezekből a modulokból áll össze a megfelelő szilárdságú és biztonságú akkupakk. A cellákat összetartó struktúra itt egyben a cellák védőfala is.
Főleg a német autóipar ragaszkodott ehhez a felépítéshez, ennél a konstrukciónál van azonban hatékonyabb megoldás a modulok helyettesítésével, kihagyásával.
Mivel a modulokat összekapcsoló vezérlőberendezések és vezetékek az adott dimenziójú akkucsomagon belül vesznek el helyet, jelenlétük korlátozza az elhelyezhető cellák számát, ezzel az autók hatótávját.
Korszerűbb megoldás közvetlenül a cellákból kialakítani az akkucsomagot, amit a kínai BYD és a CATL már alkalmaz szériagyártású akkumulátoraikban. Itt a cellákat közvetlenül építik be az akkumulátorcsomag fémházába.
A „cell to pack” megoldással több cella helyezhető el a hatótávolság növelésére vagy épp a költségek lefaragására, ha olcsóbb cellából többet fogadhat be az akkumulátorcsomag. Az integráció következő lépése az akkumulátorcsomag külső védőkeretének elhagyása, így az autógyártó a cellákat közvetlenül a karosszériához rögzíti a beépítéskor, a cell to body vagy cell to chassis módszerrel.
Itt az akkucellák is a vázstruktúra részévé válnak. A magyarországi kínálatban előforduló autók közül a BYD Seal U modellek büszkélkedhetnek ezzel a megoldással, és valószínűleg a BMW is ezzel javít a Neue Klasse autóinak hatótávolságán.
Az autók súlyát csökkentő megoldás hátránya, hogy ütközés után vagy meghibásodás miatt nehezebben cserélhetők az érintett akkucellák, könnyebben lehet az autó gazdasági totálkáros és nehezebbé válik az autós használathoz már elöregedett, de energiatárolásra még bőven jó akkucsomag hasznosítása. A mostani akkucsomagok viszonylag egyszerűen eltávolíthatók az autókból és beszerelhetők másodhasznosításra egy energiatároló konténerbe.
Diadalmas vas
Több irányba fejlődik az akkumulátorok kémiája is. Pár éve a lítium-vasfoszfát (angol rövidítéssel LFP) akkuk erősen vesztésre álltak, az európai piacon a legeslegtöbb elektromos autóban nikkel-mangán-kobalt (NMC) kémiájú cellák adták az energiát.
A lítium-vasfoszfát akkuk tölthetősége hideg időben erősebben romlik, mint a nikkel-mangán-kobalt típusúaké, és eredendő hátrányuk volt a csekélyebb energiasűrűség, ami az egyes cellák alacsonyabb cellafeszültségéből fakad. A különbség nagyságrendileg 0,5 V, teljesen feltöltve az egyik cellatípus feszültsége kicsivel több mint 3 volt, a másiké közel van a 4-hez.
400 volt vagy 800 volt?
Fontos tudni, hogy az akkumulátortelep feszültsége nem az egyes cellák feszültségének emelésétől függ, hanem a cellák soros vagy párhuzamos kötésétől. Tehát a legtöbb elektromos autó 400 voltos akkumulátora ugyanúgy kb. 3,7 voltos cellákból épül fel, mint a 800 voltos rendszer a maroknyi mai villanyautóban a Porsche Taycan–Audi E-tron GT vagy a Kia EV6–Hyundai Ioniq 5–6 esetében. A jövőben számos autógyártó átállhat a töltést meggyorsító és a töltési veszteségeket mérséklő 800 voltos rendszerre, várhatóan a BMW, a Ford, a Mercedes, a Renault–Nissan–Mitsubishi-szövetség és a Stellantis csoport új villanyautói között is lesz 800 voltos.
Amikor töltjük az akkumulátort, a töltési teljesítmény az áramerősség és a feszültség szorzatából jön ki. Az áramerősség maximuma a jelenlegi egyenáramú töltőoszlopokkal 500 amper körül van. A töltési veszteség csökkentéséhez jól jönne kisebb áramerősség, de csak úgy, hogy a töltés ne tartson még tovább, ne essék a töltési teljesítmény. A feszültség megduplázásával azonos töltési teljesítmény sokkal kisebb áramerősséggel, emiatt kisebb hőveszteséggel érhető el. A kisebb áramerősséggel töltés közben sokkal kevésbé melegedő akkumulátornak a hűtése egyszerűbb, és elegendő vékonyabb kábeleket használni.
A januári Autó Magazinban publikált adatok szerint 180 wattóra/kilogramm egy lítium-vasfoszfát (LFP) akku energiasűrűsége és 250 Wh/kg a nikkel-mangán-kobalt (NMC) akkuké. Egy telepre vetítve körülbelül negyedével kisebb az előbbi energiatárolási kapacitása, mint az utóbbié.
Kisebb energiatároló képességük miatt az LFP-akkuk ugyanakkora tömegű teleppel kisebb hatótávot kínálnak, emiatt meghaladott technikának tűntek, viszont egyre több autógyártó értékesít lítium-vasfoszfát akkumulátoros autókat, köztük az MG vagy Volvo is.
A lítium-vasfoszfát akkumulátorok továbbfejlesztésével csökkenhet a hátrányuk egységnyi súlyra vetített energiatároló képességben és a töltés gyorsaságában. A katód összetétele közvetlenül hat az energiasűrűségre, jellemzően magas nikkeltartalmú katódötvözetekkel javítható az akkumulátor fajlagos energiatartalma.
LFP- és NMC-akkuk: jelentős hátrányok, fontos előnyök
Vonzó a lítium-vasfoszfát cellatípusban a stabilitás, tehát a kisebb tűzveszély, nem beszélve a sokkal nagyobb töltési ciklusszámról. Ez azt jelenti, hogy az LFP-akkumulátor akár háromszor-ötször többször tölthető fel és meríthető le az NMC-nél, amíg kapacitása az eredeti szint 70-75 százalékára esik és átkerül energiatároló rendszerekbe.
De a fő előnyük a kevésbé drága gyártás. Az említett Autó Magazinban megjelent adat 20 százalékos árkülönbség, ennyivel olcsóbban gyártható az NMC-nél az LFP-akkumulátor, nagyrészt azért, mert a nikkel-mangán-kobalt akkukban a katódot alkotó nehézfémek bányászata nagyon drága. A lítium-vasfoszfát akkuk tökéletesítésének útja lehet, ha a vas egy részét mangán váltja fel az így már LFMP-típusúnak rövidített akkumulátorokban.
Jó eséllyel a Gotion, a Volkswagen kínai vegyesvállalata is LFMP-cellákkal látja majd el a VW-konszernt a villanyautós szinten kedvező árúnak ígért elektromos kisautókhoz. A bemutatás előtt álló modellek egyike a Cupra Raval-e és a Volkswagen ID.2, illetve a kisautók emelt építésű testvére, a Škoda Elroq és a Volkswagen ID.2X.
Tasakos és szögletes helyett hengeres akkucellák
Megnőhet a közeljövőben a hengeres akkucellák részaránya. A Tesla kezdettől fogva a szárazelemekre hasonlító akkucellákat favorizálja, amelyeket viszonylag egyszerű gyártani. A hosszú elektródszalagot tekercselni lehet, fel lehet csavarni, ami a gyártástechnológiában gyorsabb, mint a tasakos (angolosoknak pouch) vagy a szögletes formájú, prizmatikusnak is hívott cellák gyártása. A tasakos cellák előnye, hogy a töltési-merítési ciklus közbeni térfogatváltozást a zacskós kialakítású akkucella jól viseli.
Akkugyártóként a CATL, az LGS, a Panasonic és a Samsung is gyártani kezdi a nagy energiasűrűségű, de formájuk miatt intenzív hűtésre szoruló, gondos hőmérséklet-menedzsmentet követelő hengeres cellákat.
Vevőként többek között a BMW sejlik fel a tisztán elektromos hajtásláncú Neue Klasse autóival, köztük a Magyarországon gyártandó aszfaltterepjáróval. Frank Weber, a fejlesztésekért felelős igazgatótanácsi tag a cég hatodik generációs lítiumion-celláiról nyilatkozva 30 százalékkal jobb hatótávolságot, ugyanilyen arányban javuló töltési sebességet és a cellák gyártásában 60 százalékkal csökkenő szén-dioxid-kibocsátást jövendölt másfél éve, amikor a BMW az első részleteket elárulta a Neue Klasse akkutechnikájáról. A hengeres cellák átmérője 46 mm, magassága 95 vagy 120 mm lesz. Utóbbiak a látványterepjárókba valók, a kisebbek az alacsonyabb építésű személyautókba.
Várhatóan a következő években elterjedhet két új kémiájú akkutípus. A szilárdtest-akkumulátor a mostani hatótávkorlátokon javít és az akkumulátor tűzveszélyességét mérsékelheti, a másik a tűzbiztonság javításán túl a legfontosabb akadályt roppanthatja meg a villanyautók elterjedése előtt: olcsónak ígérkezik és elhozhatja a kevésbé drága villanyautókat.
Szilárdtestakku: valóság lehet a nagy ígéretből
Évek óta olvashattok a Vezessen is a szilárdtest-akkumulátorról, ez a továbbfejlesztett lítiumion-akku a villanyautózás Szent Gráljaként tűnhet fel. A szilárd állapotú elektrolitról elnevezett akkufajta elsődleges előnye a biztonság, a tűzveszély minimalizálása, de szédületes töltési gyorsaságot, kiugró élettartamot és jelentős hatótáv-növekedést is ígér – ha a fejlesztésből végre eljut a szériagyártású autókba. Az elektrolit az anód és a katód közötti ionáramlást segítő közeg. Az akkumulátor kémiai felépítésétől függ, hogy milyen ionok áramolnak az elektrolitban: lítiumaksiban lítiumkationok, nátriumion-akkukban nátriumkationok, tehát pozitív elektromos töltésű nátriumionok áramolnak.
A szilárdtest-akkumulátor paraméterei kiválóak. A 400-500 wattóra/kilogrammos teljesítménysűrűség a kétszerese a mostani lítiumakkukénak, és a cella felépítését leegyszerűsíti, hogy a folyékony helyett szilárd elektrolit kiváltja a más akkucellákhoz szükséges szeparátort, ami egy polimermembrán elválasztóréteg az anód és a katód között. A szilárdtest-akkumulátorból hibrid verziók is készülhetnek, amikben a folyékony és a szilárd elektrolitot kombinálják a fejlesztők, hogy mindegyik elektrolittípus kedvező tulajdonságaiból profitálhasson az új akkufajta.
2030 előtti időpontot jósol a német Fraunhofer Intézet az elektromos buszokban már előforduló, a Mercedes eCitaróban 2022 óta megtalálható szilárdtest-akkumulátorok bevetésére szériaautókban. Ami biztos, hogy az akkumulátorok iránti igény meredeken emelkedik.
Ebben a tanulmányban a lítiumion-akkuk iránti 2022-es igényre 780 gigawattóra szerepel, ami tavaly 1 terrawattórára nőhetett. 2030-ra a piaci előrejelzések kettő és négy terrawattórára teszik a várható a kapacitásigényt, még hosszabb távon a kereslet elérheti a 7,5 terrawattórát.
Mindig óvatosnak kell lenni a kínai autógyártók és akkugyártók bejelentéseivel, mert az ambíciókat a valóság könnyen felülírja, de a dolgok mostani állása szerint a kínai Nio akár már idén év végén megkezdheti a szilárdtest-akkuval felszerelt ET-7 gyártását. Az ázsiai nagyautó elméleti hatótávja 1000 km lehet a kínai szabvány szerint mérve, amihez 150 kilowattórányi akkukapacitás tartozhat.
Jóval több forog kockán a Toyotánál, a világ legnagyobb autógyártója óvatosabb a céldátummal. A márka fejlesztéseit és jövőbeli technikáját bemutató Kenshiki fórumokon 2027-es tervről hallottunk a szilárdtest akkus villanyautó bevezetésére, amely negyedórán belüli feltöltést és 1200 kilométeres hatótávot ígér, ami a szép emlékű dízel Avensist idézi.
A BMW, a Ford, a GM, a Honda, a Hyundai és a Volkswagen is erősen favorizálja a szilárdtestakkuk szériagyártásba vitelét különböző partnervállalatokkal, a következő három-öt éven belüli céldátummal. Azt nemigen közlik a cégek, hogy teljesen szilárd elektrolitos (ASSB vagy All Solid State Battery) vagy részben szilárd elektrolitos (SSB vagy Solid State Battery) akkumulátorra gondolnak-e. Az utóbbival előbb találkozhatunk szériaautóban, mint a teljesen szilárd elektrolitos akkukkal.
Nátriumion-akkuk töredékáron
Egészen más a fejlesztések célja a közeljövő másik nagy ígéretével, a nátriumion-akkuval. Ezekben az akkumulátorokban az elektroliton belül nátrium helyettesíti a lítiumionokat.
Mindkettő az alkálifémek közé tartozik, mindkettő erős reakcióképességű anyag, de a konyhasóból és tengervízből kinyerhető nátriumionok előállítása lényegesen olcsóbb, mint az akkumulátorokhoz szükséges tisztaságú lítiumé. Az anód is sokkal kisebb ráfordítással előállítható, a lítiumion-akkuk grafitból és rézből készülő anódjával szemben itt elég szenet és alumíniumot használni, mindkettő sokkal olcsóbb.
Kínában már sorozatgyártásban van a BYD, a CATL, és a mifelénk kevésbé ismert akkugyártó, a Hina üzemeiben a nátriumion-akkumulátor. A nátriumion-cellák hengeres formában és szögletes, prizmatikus formában is készülnek.
A BYD Seagull (sirály), az a megfizethető kisautó, amelynek akkumulátora nátriumion cellakémiájú. Lapinformációk szerint a gyártási költség 40 százalékkal alacsonyabb, mint egy ezzel összevethető kapacitású lítiumion-akkumulátoré. A CATL becslése szerint a kilowattóránkénti akkukapacitás ára lenyomható 30 euróra, ami a mostani árak harmada-negyede volna.
Teljes akkucsomag egymillió Ft alatt?
Ezzel egy 40-50 kilowattórás akkupakk összköltsége nem lépné túl az 1500-2000 eurót, átszámítva a 600-800 ezer forintot. A nátriumion-akkuk energiasűrűsége alacsony, nagyjából 160 wattóra kilogrammonként, de alacsonyabb áruk miatt szép jövő előtt állhatnak, mert a városi kisautóktól az ügyfelek nem várnak 500 kilométeres hatótávolságot.
A nátriumion-cellák előnye, hogy elektrolitjuk nem hajlamos meggyulladni és kis belső ellenállásuk miatt a cellák kevés hőt termelnek működés közben, ami mérsékli a hűtésigényüket. Nagyon hideg időben, kemény fagyban is jól bírják a töltést, nem igényelnek felfűtést, mint a vasfoszfát akkuk.
Csekély hőkibocsátásuk miatt szorosabban helyezhetők el az akkumulátortelepben, ami részben ellentételezi az NMC-celláknál sokkal kisebb energiasűrűséget. Az akkufejlesztés következő szakaszában a vegyes felépítésű akkucsomag is elképzelhető, amelyben vannak lítiumion- és nátriumion-cellák egyaránt.
Nem meglepő, hogy ebben is az akkutechnikában egyeduralomra törő, az autógyártókat és a mobilitásra vágyó újautó-vásárlókat stratégiai függésbe taszítani akaró kínai szereplők tartanak elöl.
Nincs egyetlen üdvözítő út
Természetesen az akkufejlesztők, az alapanyagokat szállító bányatársaságok és az autógyártók is igyekeznek úgy helyezkedni, hogy ne váljanak súlytalanná az elektromos autós jövőben. Csak az a baj ezzel, hogy nem tudni, milyen akkufajtákra lesz a legnagyobb a kereslet, melyik lesz vagy melyek lesznek a nyerő(k).
Az autógyártóknak elsődleges a függés korlátozása a nagyfeszültségű akkumulátor beszállítójától, de ebben a speciális iparágban, az akkugyártás technológiájában csak óriási befektetések árán tehetnek szert tudásra. A terület létfontosságú, emiatt kénytelenek kompromisszumokat kötni partnereikkel. Például a Honda és az LG ES észak-amerikai, Ohio állambeli gyárában az autógyártó csak a kisebbségi tulajdonos lesz az akkugyártó 51 százalékos részesedésével.
Jelenleg a legtöbb autómárka gyártási mélysége nem terjed túl azon, hogy a megvett cellákat összeszereli, hűtéssel-fűtéssel látja el, és egy biztonságos fémvázba foglalva beépíti az autóba. Ez nagyon nem ugyanaz, mint saját cellákat fejleszteni és gyártani, hogy ne legyenek kiszolgáltatva vevőként a beszállítóknál az új fejlesztések hozzáférhetőségének.
Saját cella, saját gyártás, saját kockázat
Sok múlik azon, melyik márka milyen sorrendben jut hozzá az új fejlesztések eredményeihez, így a kínai akkuóriások a hazai autómárkák preferálásával előnyhöz juttathatják a diktatúrában gyártott autókat az exportpiacokon. A helyzet olyannyira komoly, hogy például a General Motors befektetett bányavállatokba a függés mérséklésére.
De a Financial Times korábbi cikke arra is felhívja a figyelmet, hogy a saját akkutechnika és gyártástechnológia azzal a kockázattal jár, hogy a gyártó rossz lóra tesz. Ha nem a legjobbat választja, a márkafüggetlen beszállítóktól jobb akkukhoz juthatna, amivel jobb elektromos autókat gyárthatna. Ráadásul az akkumulátorokra lekötött tőkéje miatt nem tud más lényeges területeken fejleszteni autóin.
Bár a villanyautók karaktere szomorúan egysíkú a hengerszámukban is különböző belső égésű motoros autókhoz képest, technikájuk változása, fejlesztési irányaik bőven tartogatnak érdekességeket a következő évekre. Eltérő akkutechnikával, de közeledhet a valóban nagy hatótávú és megfizethető árú új elektromos autók kora.