Az utóbbi pár évben újra és újra feltűnik a(z autóipari) hírekben a solid-state battery, magyarul szilárdtest-akkumulátor, gyakran az autózást forradalmasító, az elektromobilitást új szintre emelő megoldáskánt beszélnek róla. Alább áttekintjük, miről is van szó, miért hozhat áttörést az egyelőre kísérleti szinten lévő technológia.
Az akkumulátor
Az akkumulátor alapvetően egy olyan berendezés, eszköz, amely – az olasz Luigi Galvani és Alessandro Volta 18. század végén elvégzett munkájából született, a szimplán csak kémiai-fizikai reakciókból, a réz- és cinkelektróda, valamint a sósav alkalmazásával áramot termelő galvánelemek nyomán – elektromos energiát töltéssel fogadni, kémiai reakcióknak köszönhetően tárolni, majd használatkor azt villamos energiává visszaalakítani és leadni képes.
Legegyszerűbben leírva az akkumulátorok egy pozitív töltésű anódból és egy negatív töltésű katódból állnak, melyek között az ionok áramlását és ezzel az áram leadását – töltéskor a katódtól az anód felé, leadáskor/kisütéskor fordított irányba – valamilyen elválasztóként és közvetítőként is szereplő elektrolit biztosítja.
Mindannyian ismerjük a belső égésű motoros autókból (Getty Images)
Lítiumion-akksik
Bár az elmúlt bő kétszáz évben számos variáció született az akkumulátor koncepciójára, az autóiparban a hagyományos, belső égésű motorokhoz általában a 12 voltos, ólom-savas akkumulátorokat, míg a modernebb számítástechnikai, telekommunikációs eszközökhöz, valamint az elektromos autókhoz a lítiumion-akkumulátorokat kapcsoljuk.
Több mint egy évszázada próbálkozunk
A villanyautózás persze nem újdonság, már száz évvel ezelőtt is komoly, kézzel fogható előnyöket kínált a belső égésű erőforrásokkal szemben. Az utóbbiak kezdetleges formájukban a teljesítményt, a praktikumot és a megbízhatóságot tekintve is elmaradtak a hang és füst nélkül működő villanyos versenytársaik mögött, de a fosszilis üzemanyagokat égető erőforrások a 20. első harmadának kezdetére bőven lekörözték a nagy, nehéz, a hatékonyság, hatótávolság szempontjából versenyképtelen villanyos hajtásokat.
Villanyautó-akkumulátorcsomag (Getty Images)
Szilárdtest-akkumulátor
Az utóbbiak tulajdonképpeni továbbfejlesztése az utóbbi években egyre gyakrabban feltűnő szilárdtest-akkumulátor (solid-state battery, SSB), az alapvető különbség „csak” annyi, hogy míg a szokásos – a laptopok, e-cigaretták mellett az autóiparban is 18650-es cellák alkalmazásával felhasznált – Li-ion akksikban az elektrolit folyadék- vagy gélalapú oldat formájában szerepel, addig a szilárdtest-akkumulátorokban az elektródákat egy – leginkább – kerámiaalapú elektrolit (vezető) végzi.
A technológia előnye, hogy míg a folyadékot – akár porózus segédanyagban valamilyen szinten megkötve – alkalmazó akkumulátorok esetében reális veszély a párolgás, a szivárgás, valamint akár a gyulladás, robbanás is, a szilárdtest-akkumulátoroknál ez szinte kizárt, ezért nincs szükség az ezeket megelőzni hivatott plusz elemekre, elektronikára, ami könnyebb, sűrűbben építhető konstrukciót, végső soron nagyobb energiasűrűséget tenne lehetővé.
A ma elterjedt és lítiumion- és a szilártest-akkumulátor összehasonlítása (Samsungsdi.com)
A vékonyabb, kisebb területen-térfogaton sokkal, akár tízszer nagyobb kapacitást biztosító szerkezet a méret- és tömegbeli előnyök mellett biztonságosabb is, sérülés esetén pedig sokkal veszélytelenebb, mint a már ismert lítiumion-akkumulátorok. A hab a tortán, hogy a maiakhoz képest 80%-ig kb. feleannyi idő, 10-15 perc alatt lenne tölthető a szilárdtest-akku.
Hogy értsük: a szilárdtest-akku a jobb biztonság mellett a nagyobb stabilitás miatt gyorsabb töltést, kisebb méret és tömeg mellett a hagyományos lítiumion-akkumulátorokénál sokkal nagyobb kapacitást is kínál – és amit még nem említettünk, hogy a folyadékos-géles megoldásokkal szemben sérülés esetén nem is mérgező, valamint hogy akár ötször több töltési ciklust is bírhat jelentős kapacitáscsökkenés nélkül.
Miért nem alkalmazzuk már most?
A fentiek miatt a pillanatnyilag kis méretben szívritmus-szabályozókban, RFID-csipekben, okosórákban már alkalmazott technológia az elektromos autózásnak igazi áldás lenne, de egyelőre még csak remény, kívánatos cél, ugyanis vannak hátrányai, nehézségei is.
Mivel a szilárd közvetítőben (elektrolitban) az ionok jóval nehezebben, lassabban mozognak, a felhasznált anyagok pedig a szükséges mikrométeres méretezésben igen törékenyek, a rétegek elválhatnak egymástól, a villanyautók nagy áramú energiaigényét a szilárdtest-akkumulátorok egyelőre nem képesek a tömeggyártás szintjén költség- és helyhatékonyan kiszolgálni – kb. nyolcszoros előállítási költségről beszélünk.
Szilárdtest-akkumulátorok (Getty Images)
Folyik a munka, már autóban is bevetették
Alapvetően továbbra is a laborkísérletek szintjén folyik a fejlesztés, azonban mivel a szilárdtest-akkumulátorok potenciálja a belső égésű motorok által jelenleg kínált hatótávokat közelítené, azaz képes lehetne a villanyautók terjedését radikálisan meggyorsítani, igen sokan foglalkoznak vele, köztük az autóipar legnagyobb szereplői.
A teljesség igénye nélkül: a dél-koreai multiipari gigász, a nagyközönség számára leginkább mobiljairól ismert Samsung egyik leányvállalata, a szintén koreai, a villanyautózást egyre komolyabban vevő – lásd az EV6-ot! – Hyundai Motor, Európában az igen jól haladó QuantumScape startup támogatásában a Bill Gatesszel társuló Volkswagen-csoport, valamint beszállítóóriás Bosch, transzatlanti együttműködésben, a kínai Contemporary Amperex Technology (CATL) segítségével a Stellantis, valamint a Ford és a BMW által közösen támogatott Solid Power dolgozik a szilárdtest-akkumulátorokon.
A végére hagytuk a japán autóipari óriást, a Toyotát (és partnereit, a Panasonicot, a Toshibát, a Yuasát valamint a kínai CATL-t és FinDreamset). Az annak idején a hibrid hajtás – hazájában 1997-től, a nemzetközi piacon 2000-től forgalmazott Prius! –, majd a hidrogénhajtás – Mirai – úttörője is komolyan foglalkozik a szilárdtest-akkumulátoros technológián – jelenleg övék a legtöbb szabadalom ezen a területen -, olyannyira, hogy szeptemberben egy kisfilmet is közzétettek, amelyen a tavaly június(!) óta előbb titokban, majd rendszámmal, közúton is tesztelt SSB-s prototípusuk fut.
Tegyük hozzá, hogy maga a Toyota is elismerte, hogy a szilártest-akkumulátoruk rövid élettartama egyelőre komoly akadály, ezen és persze számos más aspektuson kell még dolgozniuk.
Mikor kerül az utakra?
Mivel a technológia még gyerekcipőben jár, nehéz pontosabbat mondani, de az elmúlt egy-két évben az ezzel foglalkozó iparági szereplők különböző megszólalásaikban az évtized közepe, második fele és 2035 közé tették a tömeggyártás felfutását, ebből kiindulva az elektromos autók előállítása – és ha szerencsénk van, talán fogyasztói ára is – kb. egy évtized múlva csökkenhet, hogy a várható hatótávnövekedésről ne is beszéljünk. Erre szükség is lesz, hiszen a különböző nemzetközi szervezetek, nemzeti kormányok, autógyártók mind a 2030-as éveket jelölik meg a belső égésű motoros gépjárművek háttérbe szorítására.
