Nem feltétlenül új akkumulátorkémiára vagy különleges anyagokra van szükség ahhoz, hogy jelentősen tovább működjenek az elektromos autók lítiumion-akkumulátorai. A Cambridge-i Egyetem kutatói szerint a megfelelő, folyamatos fizikai nyomás akár meg is duplázhatja az akkumulátorok élettartamát. A megoldás ráadásul a környezeti terhelést is csökkentheti, mivel ritkábban lenne szükség új akkumulátorokra és az azokhoz szükséges nyersanyagokra.
Az elektromos járművek fejlődésének egyik kulcskérdése az akkumulátorok élettartama. A kutatók ezért világszerte új elektródaanyagokkal, elektrolitokkal és különböző akkumulátorkémiai megoldásokkal próbálják lassítani a cellák öregedését. A Cambridge-i Egyetem vezette kutatócsoport azonban más irányból közelítette meg a problémát: azt vizsgálta meg, milyen szerepet játszanak az akkumulátor működése közben fellépő mechanikai hatások. Az eredmény meglepő. A kutatók szerint a megfelelően beállított és állandó fizikai nyomás mellett működtetett lítiumion-cellák élettartama akár kétszerese is lehet a hagyományos körülmények között üzemelő akkumulátorokénak. Ez különösen jelentős eredmény, mivel az akkumulátorok összetételének módosításával általában öt-tíz százalék körüli élettartam-növekedést sikerül elérni.
Az akkumulátor is „lélegzik”
A lítiumion-akkumulátorok alapvetően anódból, katódból és elektrolitból épülnek fel. Töltés és kisütés közben a lítiumionok az anód és a katód között mozognak. Ez nemcsak elektrokémiai változásokat okoz: az akkumulátor cellája minden egyes ciklus alatt nagyon kis mértékben kitágul, majd összehúzódik. A folyamat bizonyos értelemben a légzéshez hasonlítható. Ez az ismétlődő mechanikai igénybevétel azonban hosszú távon károsítja a cella belső szerkezetét. „Az akkumulátorok nem igazán kedvelik ezt a feszültségből és tehermentesítésből álló ciklust” – magyarázta Michael De Volder, a Cambridge-i Egyetem mérnöki tanszékének professzora, a kutatás egyik vezetője. Mint fogalmazott, a lítiumion-akkumulátorok fejlesztésének jelentős része hagyományosan a kémia és a fizika területére összpontosít, ő azonban gépészmérnökként arra volt kíváncsi, hogy a mechanikai körülmények miként befolyásolják az akkumulátor öregedését.
Pneumatikus „szorítóba” tették az akkumulátorokat
A kutatók ennek vizsgálatára egy speciális berendezést építettek. A kísérletekhez úgynevezett tasakos, vagyis pouch cellákat használtak, amelyekre pneumatikus fújtatók segítségével folyamatos nyomást gyakoroltak. A kis, levegővel töltött párnák lényegében egy önbeálló szorítóként működtek: miközben az akkumulátor töltés és kisütés közben változtatta a térfogatát, a rendszer folyamatosan közel azonos nyomást tartott fenn rajta. Közben érzékelők mérték a cellák rendkívül apró méretváltozásait. A kísérlet egyik érdekessége, hogy a kutatóknak ehhez nem kellett különleges akkumulátorokat gyártaniuk. „Egyszerűen kereskedelmi forgalomban kapható akkumulátorokat vásároltunk, és különböző nyomások mellett teszteltük az élettartamukat. Sem az elektrolit, sem az elektródák összetételén nem kellett változtatnunk” – mondta De Volder.
Megtalálták az akkumulátor „komfortzónáját”
A vizsgálatok során kiderült, hogy nem önmagában a nagyobb nyomás jelent megoldást. Létezik ugyanis egy optimális tartomány: ha a nyomás ennél kisebb vagy nagyobb, az akkumulátor gyorsabban károsodhat. A kutatók ezt az angol kifejezéssel „Goldilocks zone”-nak, vagyis olyan optimális tartománynak nevezik, ahol a körülmények éppen megfelelőek. A kísérletek során ez az optimális érték körülbelül 12,5 bar volt. Ha ennél jelentősen nagyobb nyomás nehezedett a cellára, az anódon lítiumlerakódás, úgynevezett lithium plating alakulhatott ki. Ha viszont túl kicsi volt a nyomás, a katód szerkezete kezdett gyorsabban repedezni. Mindkét folyamat felgyorsítja az akkumulátor kapacitásvesztését. „Ha túl erősen nyomjuk, az anód kerül kedvezőtlen helyzetbe. Ha viszont nem alkalmazunk elegendő nyomást, a katód kezd gyorsabban degradálódni” – foglalta össze De Volder. A kísérletek alapján azonban megfelelő és viszonylag állandó nyomás mellett az akkumulátor sokkal jobban viselte az egymást követő töltési és kisütési ciklusokat.
Nemcsak az autó tulajdonosa járhat jól
Az eredményeknek különösen nagy jelentőségük lehet az elektromosautó-piac számára, ahol az akkumulátor állapota alapvetően meghatározza egy használt jármű értékét is. Egy hosszabb élettartamú akkumulátor lassabban veszít kapacitásából, így az elektromos autók hosszabb ideig maradhatnak használhatók anélkül, hogy nagy értékű akkumulátorcserére lenne szükség. Ez a használt elektromos autók piacának fejlődését is segítheti. A kutatás azonban környezetvédelmi szempontból is fontos. Minél tovább használható egy akkumulátor, annál ritkábban kell újat gyártani, és annál kevesebb elhasználódott akkumulátort kell újrahasznosítani. „Minél hosszabb ideig használható egy termék, annál ritkábban kell újrahasznosítani az anyagait. Az akkumulátorok újrahasznosításában pedig jelenleg még nem vagyunk igazán jók” – hangsúlyozta De Volder.
Kevesebb nikkelre és kobaltra lehet szükség
Az akkumulátorok hosszabb élettartama az alapanyag-kitermelés környezeti és társadalmi terheit is mérsékelheti. A lítiumion-akkumulátorok előállításához többek között nikkelre és kobaltra van szükség, amelyek bányászata jelentős környezetterheléssel járhat. Bizonyos térségekben ráadásul a kitermelés munkakörülményei és társadalmi következményei is komoly problémákat vetnek fel. Ha ugyanaz az akkumulátor hosszabb ideig használható, kevesebb új cellára, így kevesebb újonnan kitermelt nyersanyagra lehet szükség. De Volder szerint az elektromos közlekedés egyik fontos célja éppen az, hogy a közlekedés környezeti terhelését mérsékelje, ezért arra is ügyelni kell, hogy az átállás közben ne keletkezzenek újabb környezeti problémák a világ más részein. A cellák élettartamának növelésével valamelyest csökkenthető lenne az akkumulátoripar nyersanyagigénye és ezen keresztül a bányászatra nehezedő nyomás is.
A laborból még el kell jutni az elektromos autókig
A megoldás egyelőre kutatási fázisban van. A technológiát laboratóriumi körülmények között, tasakos cellákon vizsgálták, ezért még további fejlesztések szükségesek ahhoz, hogy a módszer nagy méretű, sorozatgyártású elektromosautó-akkumulátorokban is alkalmazható legyen. A következő feladat annak kidolgozása lehet, hogyan lehet egy komplett akkumulátorcsomagban hosszú éveken keresztül megfelelő és egyenletes mechanikai nyomást biztosítani úgy, hogy közben figyelembe veszik a cellák hőmérséklet-változásait, öregedését és méretváltozásait is. A kutatás mindenesetre arra mutat rá, hogy az akkumulátorok fejlődésében nem kizárólag az új anyagok és az új kémiai összetételek jelenthetnek előrelépést. A cellák mechanikai környezetének megfelelő kialakítása önmagában is jelentősen növelheti az élettartamot. A Cambridge-i Egyetem innovációs szervezete, a Cambridge Enterprise már szabadalmi bejelentést is tett a technológiára.
Kép: University of Cambridge
0 hozzászólás