Elege van abból, hogy a laptopja három-négy óra után lemerül, noha a termékleírás szerint az akkunak ki kellett volna bírni egy munkanapot? Szeretne olyan elektromos autót, amivel töltés nélkül eljuthat Budapestr?l Prágába? A kérdés úgy hangzik, mintha a fejlett országokban él? gazdag fogyasztók problémája lenne, pedig nagyobb kapacitású akkumulátorokra szerte a világon szükség lenne ahhoz, hogy több napelem és széler?m? kapcsolódhasson az áramelosztó hálózatra, és az áruszállítást is elektromos kamionokkal lehessen megoldani.

Jelenleg lítiumion-akkumulátorokat használunk mobiltelefonokban és elektromos autókban egyaránt, ez a technológia viszont fizikai és kémiai okok miatt már nem sokáig fejleszthet? tovább, nagy áttörésre itt nem lehet számítani. Helyettesítése érdekében számos kutatás folyik, 2013-ban az úgynevezett lítium-leveg? akkumulátorokkal sikerült – egyel?re csak laboratóriumban – el?relépni.

A lítium azért ideális alapanyag, mert égése (oxidációja) rengeteg, a benzinével összemérhet? mennyiség? energiát szabadít fel. Ám reakcióképessége miatt nehéz kordában tartani, így a lítium-leveg? akkut is óvni kell a vízt?l, mert felrobbanhat. Lítiummal viszonylag b?ven el vagyunk látva, 12–39 millió tonna bányászható ki a különböz? geológiai felmérések szerint, és a készletek körülbelül száz évre elegend?k.

Hogyan m?ködik?

Az akkumulátorokban a két elektróda, az anód és a katód között zajló kémiai reakció váltja ki az elektromos töltéssel rendelkez? részecskék, az ionok áramlását egy speciális, elektrolitnak nevezett oldatban. Lítium-leveg? akkumulátorokkal azért folynak kísérletek már az 1970-es évek óta, mert ha a két reagens közül az egyik, a katód szerepét a leveg? oxigénje tölti be, akkor egységnyi területen sokkal több fér el az anódból (ami a lítium).

Emiatt a lítium-leveg? akku tömege jóval alacsonyabb lehet, mint a lítium-ion változaté, így az energias?r?sége három-hatszorosa az utóbbiénak. Az arányszám azt jelzi, hogy egy adott tömeg? vagy térfogatú forrás mennyi energiát tárol, a minél nagyobb érték a kedvez?. A lítium-ion akkumulátorok energias?r?sége 120–350 wattóra/kilogramm (kísérleti változatokban már elértek 418 Wh/kg energias?r?séget is). Ehhez képest a lítium-leveg? megoldásenergias?r?sége elméletileg 1300–1400 Wh/kg.

Összehasonlításként a benzin energias?r?sége 12 000–12 700 Wh/kg, ebb?l viszont egy Otto-motorral hajtott autóban 1700–1800 Wh/kg jut el a kerekekig. A bels? égés? motorok hatékonysága eleve csak 20–25 százalékos, az energia többsége csak a motorblokkot f?ti, távozik a forró kipufogógázokkal, elvész a hajtásláncban. Igaz, hogy a lítium-leveg? akku energias?r?sége kisebb, de ha egy ilyet szerelünk egy elektromos autóba, az elektromotor 78-92 százalékos hatékonysága miatt hasonlóan jól járunk, mint a benzinnel.

Jelent?s lökést adna az elektromos autók terjedésének, ha a hatótávolságukat 500 kilométerre lehetne növelni (a legjobban teljesít? Tesla Model S 426 kilométert bíregy feltöltéssel, a drágábbik, 85 kW-os akkucsomaggal szerelve). Ezt a hatótávolságot akkor lehet elérni, ha a kereskedelmi forgalomban kapható akkuk energias?r?sége átlépné a 700 Wh/kg szintet. A nagy kapacitású akkukat arra is használhatnánk, hogy szélcsend idejére, éjszakára tároljuk a szélturbinákkal, napelemekkel termelt áramot. Ez a technológiai nehézségek ellenére jóval inkább megvalósíthatónak t?nik egy fém-leveg? akkumulátorral, mint a lassan a fejleszthet?sége határaira ér? lítiumion-megoldással.

Számos megoldandó probléma van a sorozatgyártás el?tt

Meglehet?sen nehéz tartósan m?köd? lítium-leveg? akkut gyártani. A lítium oxidációjával energia szabadul fel lítium-oxid képz?dése mellett (4Li+O2 ? 2Li2O). Amikor újratöltjük az akkut, az oxidból ismét fém keletkezik, eközben viszont mellékreakciók is fellépnek. A legtöbb akkuban szénelektródát használnak, így a lítium ezzel is reakcióba lép, és lítium-karbonát is képz?dik, ez az anyag pedig nem alakul vissza a töltés során. Így az akkuban minden töltési-kisütési ciklus során elvész valamennyi a lítiumból.

Miért fontos ez? Ha egy laptop akkujában csupán az anód 0,1 százaléka vész el minden töltési-kisütési ciklus során, 700 ciklussal számolva két év alatt már a felére csökken a kapacitás, aminek nem örülne a felhasználó. Összehasonlításként egy átlagos lítium-ion akku kapacitása 600–1000 ciklus után csökken az eredeti szint 80 százalékára.

A lítium-leveg? akkumulátoroknál még százalékokban – és nem tized- vagy századszázalékokban – mérik az anódot ér? veszteséget. Ez tehát a legfontosabb probléma, amit meg kell oldani, hogy az eszköz gyakorlatban is használható legyen.

A skóciai St. Andrews egyetem kutatóikét megoldást próbáltak ki. A szénelektródát el?bb aranyra, majd titán-karbidra cserélték, és egy szerves vegyületet, dimetil-szulfoxidot (DMSO) használtak elektrolitoldatként. A titán-karbid jó töltéshordozó és stabil anyag, és persze olcsóbb, mint az arany, a DMSO molekuláiban pedig csak két szénatom van, így tehát kevesebb lítium-karbonát keletkezik a mellékreakciók során. A kísérleti lítium-leveg? akkumulátor kapacitása több mint 98 százalék maradt száz töltési-kisülési ciklus után.

A lítium-leveg? akkuk másik problémája éppen a kedvez? energias?r?ségb?l ered. Ha az egységben megduplázzuk az anód mennyiségét, megn? a töltési id?, továbbá az elektródát nagy kémiai terhelésnek vetjük alá, emiatt pedig bosszantóan lecsökken az elérhet? töltési ciklusok száma. Minél több lítiumot zsúfolunk az akkuba, annál nagyobb felületet kell biztosítanunk azért, hogy a reakciók gyorsan végbemenjenek. Erre a nanoszálak jelenti a megoldást, ezek viszont olyan aprók, hogy alig létezik rá olyan hagyományos technológia, amellyel le lehet ?ket gyártani.

A Massachusettsi M?szaki Egyetem (MIT) biomérnök és elektrokémikus kutatói egy M13 nev? vírust használtak fel arra, hogy lítiumatomokból hozzanak létre egy ágas-bogas, szövetszer? struktúrát. Ennek a felülete kell?en nagy a reakcióképz?déshez, ami azt jelenti, hogy az akkut gyorsabban lehet tölteni és lemeríteni, a szövetszer? szerkezet emellett ellenállóbb is a fizikai behatásokkal szemben. A vírus úgy is módosítható, hogy kis mennyiség? palládiumot építsen a hálóba, ami katalizálja a kémiai reakciókat, és n? az elektromos vezet?képesség. A kutatók ötven töltési-kisütési cikluson át végeztek teszteket az akkumulátorral.

Itt a cink-leveg? technológia

Ötven-száz ciklus viszont kevés még a gyakorlati alkalmazáshoz. Ha a laborban már több ezer feltöltési-kisütési cikluson át megfelel?en m?ködik az akku, akkor érdemes elkészíteni a sorozatgyártásra érett prototípust. Jelenleg egy másik fém-leveg? akkumulátor, a cink-oxigén megoldás áll közelebb a széles kör? elterjedéshez, de méretei miatt el?bb az energiaszektorban, nem a szórakoztató elektronikai eszközökben.

Ez a típus azért el?nyös, mert a cink szobah?mérsékleten jóval kisebb aktivitású fém, mint a vízzel azonnal kölcsönhatásba lép? lítium. A cinket biztonságosabb tárolni, olcsóbb, és még több van bel?le világszerte; az akkuban végbemen? reakciónak pedig ártalmatlan cink-oxid a mellékterméke, amelyet babahint?pornak használnak. Energias?r?sége 400–500 Wh/kg, ami kedvez?bb a lítiumionénál, de gyengébb, mint a lítium-leveg?é. Nem újratölthet? változatban régóta használják például vasúti jelz?berendezések, hallókészülékek áramellátására.

Van-e bel?le újratölthet? változat? Igen, egy amerikai cég, az Eos Energy Storage teszteli július óta  saját fejlesztés? cinkakkuját a Con Edison, az Enel és a GDF Suez áramszolgáltató vállalatokkal együttm?ködve az USA-ban. Az akku prototípusa akkora, mint egy fél h?t?szekrény, és arra tervezték, hogy a fogyasztási csúcsid?szakokban adja le az áramot. A beszerelés és a m?ködtetés ára 160 dollár kilowattóránként, mondja az Eos vezérigazgatója, Michael Oster, vagyis egységnyi villanyáramra számítva olcsóbb a beruházás, mint gázer?m?vet építeni. Az Eos tervei szerint a sorozatgyártott egységek körülbelül akkorák lesznek, mint egy szabványos konténer.