Az október végi 25 fokok után elkerülhetetlenül az éghajlatváltozásra gondol az ember és ezért is egyre több helyen sláger az elektromobilitás. De tudjuk-e milyen is az az egyre népszerűbb lítium-ion akksi?
Mivel dübörög az elektromobilitás és már lassan a csapból is ez folyik, ezért elektromos tudástárat indítunk útjára. Célunk, hogy közérthető módon, a részletekben nem nagyon elmerülve, de mégis pár ponton a harsány, szép új világ mögé nézzünk.
Az akkumulátor cellák három részből épülnek fel: anód, katód és elektrolit. Az anód, ahonnan kisütéskor az töltéshordozó elektronok kilépnek a külső áramkörbe és a katód felé áramlanak. Az anód a pozitív töltésű elektróda. A cellán beül az anódon történik a kémiai oxidáció, a katódon pedig a redukció. Az elektrolit a belső közvetítő közeg.
Ahhoz, hogy egy járműbe építhető komplett akkumulátor telepet kapjuk, több lépcsőn kell átmenni az akkumulátor cellának. A töltést a cellák tárolják, ezeknek többféle megjelenési formája ismert, amint látni fogjuk. Ezeket a cellákat sorba és párhuzamosan kötik, és kapunk egy akkumulátor csomagot. A csomagokból modul készül. Egy modulnak nehézjárműveknél (busz, vontató, teherautó) már jellemzően akkora a feszültsége, amit a hajtás- és a töltésrendszer már névleges feszültségként tud kezelni. Több modulból állítják össze a maximális kapacitását a kész akkumulátor telepnek. A kész akkumulátor telepek leírására még pár furcsa betű- és számkombinációt is láthatunk, például: 96s4p. Ez azt jelenti, hogy 4 cellát párhuzamosan kapcsolnak, és ilyen a 4-es egységekből 96-ot kapcsolnak sorosba. Ez összesen 384 cella, és olyan 340-408 volt körüli feszültséget szolgáltatnak.
Nehézjárművek esetén a karosszériában és a karosszérián elszórt pontokon is lehet akkumulátor modul, tehát hátul, dízelmotor helyén például négy modul, elöl a tetőn még kettő. Mivel egy modulnak akkora a feszültsége, mint a hajtásrendszeré, ezért felhasználástól függően kérhetünk egy határon belül több és kevesebb modult is.
Miből lesz az akkumulátor?
Ahogy egy busz gyártási folyamatában, összetettségében is vannak eltérések, úgy az akkumulátor gyártása alatt is több lépcsőt értünk. A most létesülő akkumulátorgyárak kapcsán nem mindegy melyik munkafázist végzik, ez a feladat összetettsége és az előállított érték miatt sem mindegy, hiába hangzik jól egy-egy újabb akkumulátorgyár.
A komplett akkumulátor előállítása, beleértve a réz vezetők, alumínium tokozás gyártását is, a különböző kutatóintézetek eltérő becslései szerint 123 kg és 200 kg CO2/kWh szén-dioxid kibocsátással [1] jár. Csak lítiumból nem kell sok egy akkumulátorhoz, egy mobiltelefonban egy kanálnyi van belőle, de egy Tesla autóban sem több 63 kilónál. És ezt is csak egyszer kell felhasználni egy autóhoz, nem pedig minden töltésnél. Kell ez így? Környezetbarát ez így? Nagyon úgy néz ki, hogy igen. Amikor a '70-es években, az olajválság hatására Európa szerte kiépítették a trolibusz hálózatokat, már akkor is számos tanulmány jutott arra a megállapításra, hogy a környezetet kevésbé terheli az elektromos hajtás. Mostani tanulmányok szerint, a jelenlegi EU energiamix alapján egy elektromos személyautó teljes élettartama alatt, országtól függően 17-30%-kal kevésbé terheli a környezetet, mint a hasonló belsőégésű megfelelője.
A lítium a kálium bányászat kvázi mellékterméke, és a növekvő kereslet kielégítésével lehetnek kihívások. A fenti videóban látható cég bevételeinek a kétharmada a káliumból származik, a lítium kitermelést csak a kálium bányászat felpörgetésével tudnák fokozni, az pedig a kálium piacán túlkínálathoz, és csökkenő árakhoz vezetne. A legnagyobb termelő országok: Ausztrália, Chile, Argentína, Kína, Zimbabwe, USA. Minden egy százalékos elektromos autó piaci részesedés növekedés durván 70 ezer tonna lítium-karbonát keresletnövekedést jelent évente.
Nem is a lítiummal van és lesz a legnagyobb gond, hanem a kobalttal. A többi nyersanyaghoz képest is kirívóan drága.
Az alapanyagok ára 2017-es szinten:
- kobalt: 50.700 €/t
- lítium: 10.000 €/t
- nikkel: 10.000 €/t
- mangán: 1.710 €/t
Ezen felül további probléma a kobalttal, hogy a legnagyobb exportőre Kongó, ahol a bányákban gyerekmunkásokat is foglalkoztatnak. Nehezen előrejelezhető az Afrikában működő bányák hozama évről évre, miközben a kereslet nő és ez csak gyorsulni fog. A piacra kerülő kobalt 94%-a (!) más fémek bányászatának "mellékterméke", mint a nikkel és a réz. Csak a piacra kerülő kobalt 6%-a származik kobalt bányákból, innen a nehéz előrejelezhetőség, a fluktuáló termelés és a későbbi nehézkes bővíthetőség.
Elektromos Mercedes Citaro autóbusz, immár sorozatérett formában. (Kép: Daimler)
A lítium akkumulátorok általában grafitot használnak anódként. Ez kb. 1kg igen finom grafitot jelent 1kWh-ként. Noha a grafit nem ritka, de az akkumulátorokban használt finomszemcsés és jól feldolgozott, már nem olyan gyakori. Az akkumulátorokba is megfelelő anyagjellemzőjű grafit globális termelésének 65 százalékáért Kína felel, és a saját akkumulátorgyártóit versenyelőnybe is hozza a grafitra kivetett 20 %-os kiviteli vámmal. Igaz, ezzel más grafit termelők és feldolgozók előtt is megnyitja az utat.
Miért nem összeesküvés az elektromos autók késői terjedése?
Időről időre megjelennek olyan cikkek a szaksajtóban is, hogy ez vagy az elektromos autó milyen nagy hatótávolságot tudott már ekkor vagy akkor, de a gonosz olajlobbi/nagytőkés tulajdonos/szabadkőművesek/stb. milyen galádul nem engedték gyártásba.
A helyzet nem ilyen egyszerű, az elektromos hajtás hatásfoka mindig is sokkal jobb, javíthatósága, gyárthatósága sokkal egyszerűbb volt a belső égésű motoros hajtásláncétól.
A gyenge pont mindig is az energiatárolás volt és marad még egy darabig. Használható lett volna a papíron akármit ígérő ólom vagy nikkel-fémhidrid akkumulátoros elektromos autó? Nem. Egy komolyabb havazás mellett a lítium-ion akksinak is kihívást fog jelenteni a folyamatos fűtés, mert akkor jégteleníteni kell az üvegfelületeket menet közben, nem lehet elintézzük a legfeljebb fázni fogunk a villanyautónkban felkiáltással.
A másik gyenge pont, hogy nem voltak meg a megfelelő akkumulátor gyártási kapacitások akár pár százaléknyi elektromos autó szériagyártásához sem. Ezek kiépítése most van folyamatban, gondoljunk csak a Gödön vagy Komáromban folyó beruházásokra. De a harmadik koreai akkugyártó óriás, az LG Chem is a közelünkben húzott fel egy nagyobbacska üzemet. De azt is nézhetjük, hogy a Tesla minek a gyártását telepítette az autó összeszerelés mellé, és mi lett kész először? Igen, az akkugyártó kapacitás. Az elmúlt 1-1,5 évben megígért vagy már be is mutatott számtalan elektromos autó szériagyártása nem azért csúszik 2020 környékére vagy az utánra, mert a hajtásláncban bármi ismeretlen tényező lenne, hanem mert a beszállítói láncot fel kell építeni, ez pedig sok idő.
A fenti videó a Komáromban akkumulátorgyárat építő SK Innovation nevű, dél-koreai céget mutatja be. Amint azt láthatjuk a cég alaptevékenysége az olaj és petrolkémiai iparban van és nem csak a jövőben lesz érdekelt az elektromos autózásban, hanem a Hyundai-csoport részére ők gyártják a lítium-ion akkumulátor cellákat.
Szinte más iparágban példátlan módon az akkumulátor cellagyártásban az alapanyagok a költségek 50-70 százalékáért felelnek. A felsorolt alapanyagokra az akkumulátor előállítás olyan 25-30 %-os keresletet jelent, de az elektromos autók és buszok előretörése miatt az előrejelzések szerint fel fog kúszni 70 %-os arányig. Ez az alapanyag árakra nem jelent jó óment. A nagyüzemi gyártás kiépítése miatt várhatóan mégis csökkenni fog az akkumulátorok ára. Jelenleg egy kWh tárolására képes lítium-ion akkumulátor ára 203 dollár cellaszinten [2], és 319 dollár telep szinten. Kína célja 2020-ra a 145 dollár/kWh ár elérése telep szinten, utána jóval kisebb mértékben folytatódna az árak csökkenése.
Az akkumulátorok cellaformái
A hengeres (a), a prizmatikus (b) és a zacskós (c) cella. Forrás: Researchgate
Alapvetően három építésmódot különböztetünk meg egy akkumulátorcella esetén. Lehet hengeres, prizmatikus és zacskós. Hengeres felépítésű például a jól ismert ceruzaelem, a prizmatikus és a zacskós felépítés a mobiltelefonok akkumulátorairól lehet ismerős.
A hengeres cellák
18650-es hengeres lítium cellák gyártásába betekintés
A jól ismert AA-formátumú elemek 1907-től léteznek, de csak 1947-től szabványosították. 14,5 mm az átmérőjük és 50 mm magasak.A teljes elem-, és akkumulátor szabványsorról itt lehet bővebben olvasni.
Ehhez hasonlóak, de jelölésükben eltérnek a hengeres lítium-ion akkumulátor cellák. A miértre az egyik legfőbb válasz, hogy például létezik AA-méretű, de 14500-nek nevezett cella, de nem a megszokott 1,2-1,5V a névleges feszültsége, hanem 3,2-3,6 volt. A hengeres cellák legnagyobb felhasználója a Tesla, legnagyobb gyártója a Panasonic. A régebbi Tesla modellekbe (Roadser, S, X) a lítium-ion megoldásoknál leginkább elterjedt 18650 méretet használják. Ez 18 mm-es átmérőt és 65 mm magasságot jelöl. A Model 3-hoz olcsóbban gyártható, nagyobb energiasűrűségű cellára volt szükség, ez lett a 2170 vagy 21700. A nagyobb térfogat miatt ez 35%-kal nagyobb kapacitást jelent.
A hengeres felépítés hátránya a nagy tömege, egy-egy járműbe több száz cella kerül, csak a cellák tokozásának jelentős tömege lesz. A masszív tokozásba szorosan felcsévélt elektródák nem tudnak mozogni, mechanikus szempontból ez a cellafajta védettebb a többitől. Cserébe a kész akkumulátor modult/telepet kevésbé kell masszív dobozzal körbevenni. Viszonylag nagy a helyigényük, viszont a hengeres cellákat a legolcsóbb gyártani.
A zacskós cellák
Kissé mókásan hangzik, de talán ez a legjobb fordítása a pouch típusú celláknak. Néhol lamináltként is emlegethetik. Először 1995-ben sokkolta a nyilvánosságot az egyszerű és nagyon könnyű kialakításával. Gyakorlatilag két vezető kivezetést forrasztanak két vezető rétegre és köztük fóliaszerűen nagyon vékony lapok képzik az akkumulátor cellát. A lapok vagy egymásra vannak csévélve többször vagy pedig rétegesen vannak összepréselve. Az egész belekerül egy zacskóba, ami egy esetleges meghibásodás esetén képes felfúvódni, így megvédve a környezetet a szivárgástól.
Igen könnyűek az ilyen cellák, de ez járművek esetén azt is jelenti, hogy a komplett akkumulátor modul házának strapabíró kialakításúnak kell lennie. Nincs szabványos mérete vagy alakja a zacskós celláknak, minden gyártó a saját elgondolása alapján készíti. A legelterjedtebb gyártási módszer, a csévélés estén szükség van a csomagokba rendezett cellák mellett üres teret is hagyni (hiába helytakarékos a kialakítása), mivel nem csak hiba esetén, hanem az használat során is egyre növekszik a cella térfogata, nyilván sokkal lassabban, mint egy hiba bekövetkeztekor. Ez a modulok gyártását teszi körülményesebbé. Az ilyen cellák gyártása kezdetben jóval drágább volt a 18650-es hengeres celláénál, ma már lassan elhanyagolható a különbség, de még mindig felülről közelíti.
A prizmatikus cellák
Prizmatikus cellák csomagba és modulokba rendezése a BMW gyárában. A kis téglatest cellák a Samsungtól érkeznek készen.
A különféle téglatest alakú cellákat mondjuk prizmatikusnak. Előnye, hogy nincs feltétlenül szüksége masszív külső dobozra és nem tágul a használat során. Nem túl drága gyártani és modulokba rendezni is egyszerű, helytakarékos. Egyszerű a cellák elektromos összekapcsolása is. Nem túl egyszerű hűteni és érzékeny a vibrációra. Külső mechanikus hatásra az elektródák sérülhetnek, illetve a tokozáson belül az elektródák tudnak tágulni-összehúzódni, ami újabb hibaforrásra lehetőség.
Különféle lítium-ion akkumulátorok
Csak 2020-ban érkezik az MAN elektromos busza, NMC cellákból felépített akkumulátorokkal. (Kép: MAN)
Lítium-lítium, nem mindegy? Nagyon nem, az egyes cellafajták tulajdonságai nagyban eltérnek, nem egyenes és könnyű az út a szénhidrogének kiváltására. A biztonságról is beszélni fogunk, ez alatt azt értjük, hogy hirtelen terhelésváltozásra vagy mechanikai behatásra hogyan reagálnak a különféle anyagokból készült cellák. A biztonságosabbak kevésbé vagy lassabban melegszenek fel hirtelen nagy terhelés hatására, sérülés hatására nem kapnak azonnal lángra. Az anyaguk kevésbé hajlamos egy létrejött tüzet fenntartani.
Elektromos mértékegységek
kW - kilowatt: A pillanatnyi teljesítmény mérőszáma. A watt ezerszerese. A villamos teljesítmény a feszültség és az áram szorzata.Úgy képzeljük el, mintha egy folyó pillanatnyi vízhozamáról beszélnénk. Az akkumulátorok esetén a leadható és a feltöltéskor használt maximális teljesítményekkel találkozhatunk. A maximális értékeket korlátozhatja az akkumulátorok melegedése a cellák kémiai összetétele és a környezeti hőmérséklet is. Tehát egymás után több nevetséges módban gyorsítás után a Tesla autónk már nem fog ugyanolyan vehemensen gyorsulni, mint először. Le kell hűlnie a celláknak, csak utána folytatódhat a móka.
kWh - kilowattóra: Egy időtartam alatt elhasznált vagy felhasználható (eltárolt) energia mérőszáma. Egy Telsa Model S-ben van 100 kWh kapacitású akku, az elektromos motorok maximális teljesítménye pedig 311 kW. De a maximális teljesítményt nem mindig használjuk ki, sőt, általában alig. A 100 kilowattórás akkumulátort nem lehet sokáig terhelni 311 kW-tal, de rövid ideig lehet többször is.
A kevésbé biztonságosnak mondott összetételek komolyabb hűtést-fűtést igényelnek, ez sok esetben a belső égésű motorokhoz hasonló, szabályozott folyadékhűtést jelent. A biztonságosabb cellák sokszor nem igényelnek még levegős kényszerhűtést sem, de a hideget egy kivételével ezek sem tolerálják jól. A hasznát cellakémia tulajdonságait szem előtt tartva a megfelelő temperálást az elvárt menetteljesítmények, az adott környezeti körülmények és a tervezett élettartam alapján a modul és telepgyártók építik ki.
A lenti táblázatokban feltüntetett számok az energiasűrűségre iparági átlagokat jelölnek, ezektől már jobb értékek is előfordulhatnak a folyamatos fejlesztések eredményeképp. De azt azért vegyük számításba, hogy ezek még csak cellaszintű energiasűrűségek. A gázolaj-levegő keverékhez viszonyítva (11400 Wh/kg) így is igen pici számok, de ha a komplett járműbe szerelhető, kész akkumulátort nézzük, akkor ez a szám még alacsonyabb lesz. A kínai elektromos autókban jelenleg 180 Wh/kg az átlagos energiasűrűség cellaszinten és 110 Wh/kg telep szinten. Az ok a cellák modulokba rendezése, a vezetékek, a vezérlés és nem utolsósorban a biztonság miatt szükséges külső burkolat.
A C-érték
Az akkumulátorok C-tényezőjével a töltő-. és a kisütő áramok nagyságát adják meg. Ez a cella névleges kapacitásával arányos áram. Például egy 1000 mAh kapacitású cella 1 órán keresztül tud szolgáltatni 1 A áramot, ez az 1 C-vel kisütés. 0,5 C-vel kisütve 500 milliampert szolgáltat 2 órán át, vagy 15 C-vel kisütve 15 ampert 4 percen át. Az akkumulátorban felhasznált anyagoktól és a cella kialakításától függ, hogy a gyártók milyen maximális töltő- és kisütő C-értékeket engednek meg. A gyorsabb töltés és kisütés is jelentősen rövidítheti az akkumulátorunk élettartamát.
A lítium-ion akkumulátorok esetén a katód valamilyen fém-oxid elektróda, az itt használt anyag alapján szokás csoportosítani a különféle összetételű cellákat. A anód jellemzően grafit, az elektrolit pedig folyékony lítium-hexafluorofoszfát (LiPF6) vagy újabban lítium-tetrafluoroborát (LiBF4). A lítium-polimer akkumulátorok is a lenti összetételek egyikeként-másikaként készülnek, a különbség, hogy a folyékony elektrolitot egy félig folyadék, félig szilárd halmazállapotú polimer gél helyettesíti. A zacskós cellák többsége polimer elektrolittal készül.
Lítium-kobalt-oxid (LiCoO2) LCO
A katód anyaga kobalt oxid, az anód grafit. Mobiltelefonok, laptopok és digitális kamerák ideális táplálója, viszonylag magas az energiasűrűsége, nagy a cellafeszültsége (3,6 V), de nem jól tűri a szélsőséges környezeti hatásokat és nem tesz jót neki a túlterhelés. A Tesla Roadsterbe ilyen akkuk kerültek a Model S megjelenéséig. Az ilyen cellákban a kobalt arány akár 60 tömeg % is lehet, ezért drága.
| Névleges cellafeszültség | 3,6 V |
| Energiasűrűség | 150-200 Wh/kg |
| Kisütési ráta | 1C |
| Elviselt ciklusszám | 500-1000 |
Lítium-mangán-oxid (LiMn2O4) LMO
A katód anyaga lítium-mangán oxid. A belső ellenállása az ilyen celláknak igen alacsony, nagyon biztonságosak, de az élettartamuk korlátozott. A lítium-kobalt cellákhoz képest csak harmadakkora a kapacitásuk.
| Névleges cellafeszültség | 3,7 V |
| Energiasűrűség | 100-150 Wh/kg |
| Kisütési ráta | 0,7-1C, max. 3C |
| Elviselt ciklusszám | 300-700 |
Főként orvosi eszközökben, akkumulátoros kéziszerszámokban és egy-két korábban tervezett járműhajtásban használják.
Lítium-nikkel-mangán-kobalt-oxid (LiNiMnCoO2) NMC
A Solarishoz hasonlóan a holland VDL is többféle kapacitású és összetételű akkumulátort kínál az elektromos buszaihoz. Kölnben az NMC-t választották.
A katód anyaga a nikkelt a mangánt és a kobaltot (NMC) tartalmazza. Többféle vegyítése létezik: 5 rész nikkel, 3 rész kobalt és 2 rész mangán (NMC 532), de a kobalt magas ára miatt egyre népszerűbb az 1/3-1/3-1/3 arány (NMC 111). A kobalt tartalom további csökkentése a cél a magas ára miatt, a legújabb cellafajta az NMC 811-gyel jelölt, 80% nikkelt, 10% mangánt és 10% kobaltot tartalmaz. Számos beszállító erre a cellafajta gyártásra húz fel új gyárakat és kezdik meg a termelést 2019-ben vagy 2020-ban. A cél a 300Wh/kg energiasűrűség.
Az NMC tehát egy nagy energiasűrűségű és nagy teljesítményű cellafajta, ideális járművekhez és villamos elosztóhálózati energiatároláshoz.
| Névleges cellafeszültség | 3,6 V |
| Energiasűrűség | 150-220 Wh/kg |
| Kisütési ráta | 0,7-1C |
| Elviselt ciklusszám | 1000-2000 |
Lítium-vasfoszfát (LiFePO4) LFP
Szintén BYD gyártmány a BYD buszokban használt lítium-vasfoszfát akkumulátor.
A Texasi Egyetem 1996-ban fedezte fel, hogy a foszfát katódként igen jó tulajdonságokkal rendelkezik. Az ilyen cellák igen magas áramot tudnak leadni, stabilak és biztonságosak. A cellafeszültségük alacsonyabb (3,2V) a többi lítiumos akkumulátortól, de pont ezért négy cellával lehet ólomakkumulátort kiváltó lítium akksit készíteni. Az alacsony környezeti hőmérsékletekre az eddig tárgyalt lítiumos cellákhoz hasonlóan érzékeny, és az önkisülése nagyobb. Ezért az öregedő telepeken belül az egyes cellák töltöttsége nagyban eltérhet, gond lehet a töltéskiegyenlítéssel. A biztonsága miatt Kína erre a fajta akkumulátorra voksolt és pörgette fel a gyártását igen bőkezű támogatásokkal. Az akkutípus nagy önkisülése, a többihez képest relatív kicsi kapacitása végül ahhoz vezetett, hogy a kobaltot tartalmazó (NMC, NCA) akkutípusokat is jóváhagyta 2017 elején a kínai kormányzat, ezzel elkezdődhetett a kínai ipar átállítása is. Ez olyannyira így van, hogy a lítium-vasfoszfát cellák egyik legnagyobb gyártója, a BYD is NMC 811 típusú cellákat előállító gyárakat épít. Kína célja 2020-ra a 250Wh/kg átlagos energiasűrűség elérése telep szinten, 2025-re pedig 280Wh/kg, ehhez már nem felel meg az LFP katód jelenleg nagy sorozatban gyártott egyik formája sem.
| Névleges cellafeszültség | 3,2 V |
| Energiasűrűség | 90-120 Wh/kg |
| Kisütési ráta | 1C |
| Elviselt ciklusszám | 1000-2000 |
Lítium-nikkel-kobalt-alumínium oxid (LiNiCoAlO2) NCA
Hasonló az NMC akkuhoz, de drágább és a biztonsága sem olyan jó. Relatív drágaságát a kobalt tartalmának csökkentésével igyekeznek egyre inkább mérsékelni. A Tesla használja a Model S bemutatása óra. A Panasonic és a Sumitomo Metal Mining által közösen kifejlesztett és általuk szállított cellákból összeállított telep még 11 kilogramm kobaltot tartalmazott 2010 körül, 2016-ban már csak 7 kilót, míg a Model 3 már csak 4,5 kilót igényel. Így a Tesla állítása szerint (6. oldal) az általuk használt 2170-es NCA celláknak már kisebb a kobalt tartalma, mint a mostanában gyártásba kerülő NMC 811 celláké. Ez iparági szakértők szerint azért még nincs így. A 70kWh-ás Telsa akkumulátor telep 63 kg lítium-karbonátot és 54 kg grafitot tartalmaz.
Az NCA cella a hideget és a meleget sem túlzottan szereti, ahogy a fenti videóból is látható ilyenkor korlátozza a leadható és a visszatölthető maximális teljesítményt is. Egyéb tulajdonságai kiemelkedőek, minden egyébtől kisebb a belső ellenállása, jobb a teljesítmény- és energiasűrűsége. A Panasonic a Teslán kívül másnak nem igazán árulja, ezért (is) a Tesla kihívóinak még van hova fejlődniük.
| Névleges cellafeszültség | 3,6 V |
| Energiasűrűség | 200-260 Wh/kg |
| Kisütési ráta | 0,7 C |
| Elviselt ciklusszám | 500 |
Lítium-titán-oxid (Li4Ti5O12) LTO
Nem a furcsa formájú elektromos buszok, hanem az ezekben használt lítium-titánoxid akkumulátorcellák gyártása a kínai Yinlong fő profilja.
Ebben az akkumulátor fajtában a grafit anód szerepét veszi át a lítium-titán. A katód lehet lítium-mangán-oxid vagy NMC. A többi lítium cellafajtától merőben eltérő tulajdonságai vannak. A titán miatt drága, de sem a magas, sem az alacsony hőmérsékletekre nem érzékeny. Az extrém alacsony hőmérsékletekre sem.
Melyik autóban milyen akkumulátor van?
A névleges kapacitás és a kihasználható azért különbözik, mert a lítium-ion akkumulátorok nem szeretik, ha teljesen le vannak merítve. A kapacitástartalék meg is hosszabbítja a telep élettartamát, nagysága függ a cella kémiájától, a modulba rendezés- és a hűtés módjától is.
| Típus | Cellagyártó | Névleges kapacitás | Kihasználható kapacitás | Kémia | Cella kialakítás |
| Audi e-Tron | LG Chem | 95 kWh | 83,6 kWh | NMC | Zacskós |
| BMW i3 (2016) | Samsung SDI | 33 kWh | ? | NMC 111 | Prizmatikus |
| BMW i3 (2018) | Samsung SDI | 42,2 kWh | 37,9 kWh | NMC 622 | Prizmatikus |
| Jaguar I-Pace | LG Chem | 90 kWh | 84,7 kWh | NMC | Zacskós |
| KIA Soul EV | SK Innovation | 67 kWh | 64 kWh | NMC | ? |
| Mercedes EQC | SK Innovation | 80 kWh | 78 kWh | NMC 622 | ? |
| Nissan LEAF I. | AESC | 24 kWh | ? | LMO | Zacskós |
| Nissan LEAF II. | AESC | 40 kWh | 38 kWh | NMC | Zacskós |
| Tesla Model S P100D | Panasonic | 100 kWh | 94 kWh | NCA | Hengeres - 18650 |
| Tesla Model 3 | Panasonic | 55 kWh | 50 kWh | NCA | Hengeres - 2170 |
| VW eGolf (2014) | Panasonic | 24,2 kWh | ? | ? | Prizmatikus |
| VW eGolf (2017) | Samsung SDI | 35,8 kWh | 32 kWh | ? | Prizmatikus |
Biztonságos, a többi cellához képest kiemelkedően magas az elviselt töltés-kisütési ciklusszáma és nagyon nagy áramokkal tölthető, kisüthető, azaz nagy a teljesítménysűrűsége. Ez azt is jelenti, hogy a visszatápláló fékezéseket az egyéb kémiájú akkumulátorokhoz képest jobban tudja hasznosítani.
Cserébe az energiasűrűsége (kapacitása) jóval alacsonyabb. Ideális belsőégésű-villamos hibrid meghajtásokhoz, trolibuszok akkumulátoraihoz és olyan elektromos buszokhoz, amik töltőoszlopokról tölthetők. A várható élettartama kiemelkedő. Legnagyobb gyártói a japán Toshiba és a kínai Yinlong (Altairnano).
| Névleges cellafeszültség | 2,4 V |
| Energiasűrűség | 50-80 Wh/kg |
| Kisütési ráta | 5C |
| Elviselt ciklusszám | 3000-7000 |
Gyártók
A sok kis táblázat összefoglalása. 2018-ban így állt a különféle akkumulátorok energiasűrűsége.
(Kép: batteryuniversity.com)
A legnagyobb cellagyártók: CATL, Samsung SDI, SK Innovation, LG Chem, BYD, Panasonic, Toshiba, A123 Systems. Zömében távol-keleti cégek. Európában a "hazai" - EU-s - tulajdonban a Northvolt kezdeményezés és a TerraE fog említésre érdemes mennyiségben cellákat előállítani.
Ahogy az elején már említettük, az akkumulátor gyártás nem mindig ugyanazt jelenti. Például a Mercedes elektromos személyautó modelljeibe a saját tulajdonban lévő Accumotive gyárt és szállít, de ez csak a cellák csomagokba, modulokba és kész, autókba szerelhető akkumulátor telepekbe rendezését jelenti. A cellákat a különböző típusokhoz koreai beszállítóktól szerzik be, mint az SK Innovation vagy az LG Chem.
Az elektromos buszokra leadott rendelések száma 2008-tól, az EU területén. 2017-ben már 1031 darabra érkezett megrendelés, ez a városi busz piac 9%-a. (Kép és forrás: Transport & Environment)
Hogy a nagy autógyárak miért nem akarnak cellákat gyártani (ellentétben a Teslával), annak több oka is van, az egyik, hogy nehezen tudnának versenyezni a készterméket kínáló koreai és kínai cégekkel, illetve a nagyon nagy ütemű fejlődés, a különféle cellatípusok gyors felemelkedése és bukása. A terület intenzíven kutatott és számos különféle megoldás vár már ma is a laborokban felemelkedésre.
Az elektromos buszokban milyen akkumulátor van?
A buszok terén ugyanaz a helyzet, mint a személyautóknál. Azaz a cellákat megveszik a messzi keletről, valaki a kontinensen modulokba rendezi és becsomagolja, majd leszállítja a buszgyártónak, aki marha innovatívan beépíti. Az első példát, hogy miért is jó a cellagyártást kihagyni a láncból a Mercedes szolgáltatja. Az első nyilatkozatok és sajtóanyagok még lítium-vasfoszfát (LFP) cellákat tartalmazó Akasol akkukról szóltak, 243 kWh maximális lehetséges kapacitással. Azóta egy-két gyári nyilatkozatban már feltűntek a lítium-nikkel-mangán-kobalt-oxid (NMC) akkuk is, nem véletlenül. Ezekkel nem fog változni a modulok mérete és tömege, de a kész telep maximális kapacitása 330kWh lesz. Ugyanaz a busz, ugyanaz a tömege, befogadóképessége, de a hatótávolsága megnövekszik.
| Típus | Cellagyártó | Akkugyártó | Kapacitás | Cella kémia |
| BYD K9 | BYD | BYD | 324 kWh | LFP |
| Mercedes eCitaro 12 | Samsung SDI | Akasol | max. 330 kWh | NMC |
| MAN Lion's City 12E | ? | ? | max. 470 kWh | NMC |
| Sileo S18 | kínai | Bozankaya | 345 kWh | LFP |
| Solaris Urbino electric HE | Impact | max. 240 kWh | LFP/NMC | |
| Solaris Urbino electric HP | Toshiba | Impact | max. 125 kWh | LTO |
| VDL Citea SLFA 181 - Köln | ? | Akasol | 122 kWh | NMC |
| VDL Citea SLFA 181 - Karlstad | Microvast | Akasol | 169 kWh | LTO |
| Volvo 7900 electric | A123systems | Magna | 76 kWh | LFP |
| Modulo Medio C68E | kínai | Valence | 142 kWh | LFP |
| Ikarus-Skoda Tr187.2 | DOW Kokam | EVC/Skoda | 81/33 kWh | NMC |
A Solaris esetén a HE High Energy, azaz nagy energiasűrűségű, a HP pedig High Power, azaz nagy teljesítmény sűrűségű akkumulátorokat jelöl. Figyelemre méltó a Solarisnak is beszállító, 2005-ben alapított lengyel Impact cég útja. A cég 11 buszgyár elektromos buszaihoz szállít különféle akkumulátor modulokat, a Solaris mellett a spanyol Irizar-nak, a lengyel Ursusnak, a török Temsának és Karsannak is.
Európa útjain durván 1600 darab elektromos busz közlekedik [3], és legalább ennyire van leadva érvényes megrendelés. A leszállított buszok közt piacvezető a Komáromban is gyártó kínai BYD, kb. 600 darabbal, a második a holland VDL, kb. 500 darabbal, a harmadik pedig a lengyel Solaris kb. 330 darabbal.
A független karosszériagyártóknak nagy lehetőség az elektromos busz, mivel a nagy főegységgyártók nincsenek olyan versenyelőnyben, mint amire a dízelmotorgyártás során szert tettek. Ezt a lengyel Solaris ki is használta az elektromos buszaival, kérdés mennyire tudják tartani az iramot, mert a modulok és telepek kialakítása során már számíthat a főegységgyártóknál meglévő többlet gépészeti és hőtechnikai tudás, ahogy az elektromos Citaro zseniális fűtéskörének kialakításán is lemérhető. A kicsiknek a kulcs továbbra is a rugalmasság az elektromosságban és a saját karosszéria, mivel van még bőven tér az ötletekre.
A buszok esetén a komplett akkumulátor telep tömege tekintélyes, jelentősen csökkenti a befogadóképességet. Egy 12 méter hosszú, korszerű szóló dízel busz 105-110 főt tud szállítani, az elektromosok csak 70-75 főig jutnak jelenleg. Ez a nagyobb első tengelyterhelés miatt szélesebb első kereket (275 helyett 315) is jelent, ami nagyobb gördülési ellenállást is, tehát még nem jött el a Kánaán.
A szegedi Ikarus-Skoda Tr187.2 trolibuszokba a felsővezeték nélküli önjáráshoz koreai Kokam akkumulátorok kerültek. Ezek az akkucellák NMC összetétellel készülnek, a kocsiban használt cella energiasűrűsége 169 Wh/kg. A kialakítása zacskós, az elektrolit polimer, egy cella tömege 1,16 kg. Ebből 414 darab került beépítésre, a teljes telep tömege 480 helyett 740 kiló lett. Ennyit számít a szükséges hűtés, fűtés és a megfelelő mechanikai védelem kiépítése, ami a zacskós cellakialakítás miatt mindenképpen szükséges is volt.
A jövő
Ne áltassuk magunkat, nem csak a cellák gyártása történik a távol-keleten, hanem a kutatás-fejlesztés is. A hadiipara miatt mindig is erős anyagtudományi lábakon álló USA és Nagy-Britannia mellé felzárkózott Dél-Korea és Kína is.
Számos olyan laboratóriumi sikeres kísérletsorozatnak zajlik a sorozatgyártásba vitele, ami akár 50%-kal is megnövelheti a lítium-ion akkumulátorok kapacitását, gyorsíthatja a töltésüket és lassíthatja az öregedésüket. A meglévő katód anyagok mellé egyik ilyen a grafit anód lecserélése szilícium-grafén alapúra.
Szintén a közeljövő és az anód anyagok terén bekövetkező újítás a titánium-nióbium-oxid anód. A vegyjele: TiNb2O7, jelölése HD-TNO. A japán Toshiba 2019-ben dobja nagy sorozatban piacra az ilyen celláit. A hagyományos LTO-NMC cellák átlagos 177 Wh/liter kapacitásához képest, ez már 350 Wh/litert tud. Nem véletlenül literben adták meg az adatokat, tömeghez viszonyítva a most népszerű többi cellakémia aljához zárkózik fel a titános cellák energiasűrűsége. Viszont az LTO kiemelkedő tulajdonságait, mint az extra gyors tölthetőség, a zokszó nélküli hidegüzem és a jóval hosszabb élettartam megtartja.
Sláger még a folyékony és polimer elektrolitok kiváltása szilárd halmazállapotúval. Ezek a szilárd halmazállapotú akkumulátorok. Elektrolitként kerámiákat használnának. A folyékony elektrolit elhagyásával csökkenne a tűzveszély, könnyebbek és akár 2,5-szer nagyobb kapacitásúak is lehetnének. A gyorsabb tölthetőségük az ilyen kísérleti celláknak szintén ígéretes, de egyelőre igen nagy kihívást jelent a drága gyárthatóságuk, a törékeny belsejük és a hideg környezetben gyenge tulajdonságaik.
A következő igen ígéretes terület az úgynevezett lítium-kalkogén akkumulátorok területe. A lítium-kén (Li-S) és lítium-szelén (Li-Se) akkumulátorok 350 Wh/kg-nál nagyobb energiasűrűséggel kecsegtetnek és a nemrég még elérhetetlennek gondolt 500 Wh/kg sem tűnik egy fél évtizednél távolabbi álomnak. A nagy szám, hogy a lítium-kén akku elméleti felső kapacitáshatára 2600-2700 Wh/kg, ami már igen pofásnak mondható, akár a szén-hidrogénekhez képest is.
De ne csak mosolyogjunk Martin Winterkorn szavain: amikor benzint tankolunk, a töltés teljesítménye 100-300 kWh/perc. Az annyi mint 6000-18000 kW (!) pillanatnyi teljesítmény igény. Ez bizony nem kevés, ezért van továbbra is létjogosultsága a hidrogén-tüzelőanyagcellával játszadozásnak.
Lítium-titánoxid akkumulátorokat használ a Tamperében közlekedő elektromos Solaris Urbino. (Kép: Solaris)
Tehát a tölthetőség mindig is korlátozó tényező lesz, ez egy szűk rétegeknek átalakíthatja ugyan a szokásait (megebédel töltés közben), de tömegigényeket nehezen fog tudni kielégíteni a villamos hálózatban lévő kapacitáskorlátok miatt is. Városi buszok esetén más a helyzet, de a városokat töltőoszlopokkal vagy troli felsővezetékkel részlegesen teleszórni sem egy olcsó ötlet. A sorozatunk következő részében az elektromos járművek töltésével fogunk foglalkozni.
Felhasznált irodalom:
[1]: Dr. Anisits Ferenc - Dr. Tóth László: A lítium-akkumulátorok gyártásának és újrahasznosításának CO2 mérlege , Mezőgazdasági Technika 2017. október
[3]: https://www.transportenvironment.org/sites/te/files/Electric%20buses%20arrive%20on%20time.pdf
https://batteryuniversity.com/learn/article/types_of_lithium_ion
https://www.benchmarkminerals.com/panasonic-reduces-teslas-cobalt-consumption-by-60-in-6-years/
https://pushevs.com/2018/04/05/samsung-sdi-94-ah-battery-cell-full-specifications/
