Elektromos a jövő? – XI. rész: Elektromos autó akkumulátor

Az elektromos hajtású járműveket manapság sokan az egyetlen olyan alternatívának tartják, amivel a jövő fenntartható, akár karbonsemleges közlekedési struktúrája megvalósítható. Ez nem feltétlenül igaz, de az kétségtelen, hogy már jelenleg is nagy szerepük van a környezetkímélő autózás terén, és ez a szerep a jövőben csak növekedni fog.

Előnyök-hátrányok

Az elektromos autózásnak számos előnye van a belsőégésű motorral szemben. A teljesség igénye nélkül például:

• Az elektromos hajtáslánc hatásfoka jóval magasabb, mint a köztudottan rossz belsőégésű motoré, ha csak a járműben lejátszódó folyamatot vesszük alapul (tehát pl. a töltési veszteséggel nem számolunk), akkor a jellemző használati módtól és a jármű felépítésétől függően 75-95 % áll szemben 18-24 %-kal.
• Az elektromos motor már álló helyzetben tudja nyújtani a maximális nyomatékát, míg a belsőégésű erre csak egy jóval szűkebb fordulatszám-tartományban képes.
• Sokkal kevesebb a mozgó alkatrész mind a motorban, mind pedig a hajtásláncban (például váltóra általában nincs szükség), így a meghibásodás aránya is alacsonyabb.
• Ahol minden kereket külön-külön motor hajt, lehetséges a menetstabilizálás csupán a motorokkal (például kanyarban csak az ívkülső motorok hajtanak), a motort generátorüzembe kapcsolva a fékezés is lehetséges akár kerekenként külön-külön.
• A kisebb szervizköltség, a kevesebb kenőanyag és szűrő, a megbízhatóbb működés, a hatékonyabb energiafelhasználás, a fosszilis tüzelőanyagoknál olcsóbb elektromos áram mind-mind a gazdaságosabb felhasználást valósítja meg.
• Nincs helyi légszennyezés, és a felhasznált elektromos energia megtermelésének módjától függően kisebb-nagyobb mértékben megújuló energiaforrást hasznosít.
• A belsőégésű motor az elhasználódásából adódóan egyre több károsanyagot juttat a levegőbe, míg az elektromos járművek kibocsátása független a koruktól, és csak az áramtermelés módjától függ. Ha feltételezzük, hogy az idő előrehaladtával egyre nagyobb arányban használunk naperőműveket, napelem-parkokat és szél-, ill. vízenergiát, akkor az elektromos járművek a koruk előrehaladtával egyre környezetkímélőbbek lesznek.

Természetesen, ahol előnyök vannak, ott hátrányok is. Ezekből is csak a legfontosabbakat emelem ki:

• Az akkumulátorok energiasűrűsége még ma is alig haladja meg a benzin energiasűrűségének tizedét.

• A környezeti hőmérséklet csökkenése erős hatással van az akkumulátorokból kivehető teljesítményre, és ezt tovább rontja, hogy ilyenkor az utastér fűtését is ebből a forrásból kell megoldani, mivel nincs semmilyen hulladékhő.
• Az akkumulátorok töltési ideje is jóval hosszabb, mint egy hagyományos tankolás, a Renault saját kalkulátora szerint például a Zoe, a gyengébb, 110-es motorral (melynek a fogyasztása is alacsonyabb) szerelt változatának 0-ról 80 %-ra töltése a következőképpen alakul:
  • 50 kW-os egyenáramú gyorstöltő: 1 óra 11 perc
  • 22 kW-os (3 x 32 A) otthoni töltőállomás: 2 óra 25 perc
  • 11 kW-os (3 x 16 A) otthoni töltőállomás: 4 óra 50 perc
  • 7,4 kW-is (1 x 32 A) otthoni töltőállomás: 7 óra 19 perc
  • 3,7 kW (1 x 16 A) Greenup csatlakozó: 15 óra 56 perc
  • 2,3 kW (1 x 10 A) hagyományos konnektoraljzat: 31 óra 29 perc

A fenti értékek 80 %-os töltöttséget eredményeznek, ami a WLTP ciklus szerint mérve 337 km hatótávolságot jelent.

• A gyakori gyorstöltés csökkenti az akkumulátor élettartamát
• A gyorstöltéshez szükséges infrastruktúra kiépítettsége még manapság is hiányos.

A felsorolt előnyök és hátrányok azonban időről-időre változnak, és akár már 2-3 éves távlatban is számíthatunk arra, hogy a hátrányok között felsorolt töltőhálózati hiányosságok csökkennek.

Az akkumulátor-technológia

A korai, 1900-as évek elején gyártott elektromos autókban természetesen ólom-savas akkumulátorokat alkalmaztak, ám rázkódásérzékenységük, viszonylag kis energiasűrűségük, és korlátozott élettartamuk miatt nem jelentettek optimális megoldást.

A következő fejlődési lépcső a NiMH, azaz a Nikkel-Metál-Hidrid akku volt (a NiCd-ot nem használták széleskörűen járművekben), mely a Toyota hibridekben még ma is megtalálható. Önkisülési hajlama nagy, energiasűrűsége pedig kisebb, mint a Li-ion akkuké, de élettartama hosszabb, előállítása pedig olcsóbb. Katódja nikkel, anódja pedig nikkel-oxid-hidroxid, ez utóbbi oldat formájában található meg a cellában, innen adódik a „hidrid” elnevezés.

Mivel napjainkban a Li-ion akkumulátorok a legelterjedtebbek, ezekre térek ki a legrészletesebben. Ebben a töltést lítiumionok tárolják, az anód szén, a katód pedig valamilyen lítium-oxid. A Li-ion cellák aránylag rosszul tűrik a hőmérsékletváltozásokat, hidegben és melegben sem működnek jól, így az autókba építve mindenképpen igénylik a termomenedzsmentet.

A töltésükhöz akkufelügyeleti rendszer alkalmazása szükséges, mivel, ha túl magas feszültséggel töltjük őket, akkor akár fel is robbanhatnak. Baleset esetén oltásuk körülményes, mivel fém-tűznek minősülnek, és oltásuk csak speciális D-oltóport tartalmazó tűzoltókészülékkel lehetséges, mely azonban más tűznél (A, B, C tűzosztály) nem alkalmazható megfelelő hatásfokkal.

Mindezek ellenére a Li-ion akkumulátorok szinte minden elektronikus eszközünkben megtalálhatók, és a megfelelő működtetés mellett biztonságosak is. Érdekesség, hogy a 2019. évi kémiai Nobel-díjat Stanley Whittingham, John Goodenough és Akira Yoshino kapta, a Li-ion akkumulátor-technológia kidolgozásáért.

A Li-ion akkumulátorokat szokás „generációkra” osztani, elsősorban az anód és a katód anyaga alapján. Ennek megfelelően az 1., a 2/a és a 2/b generációsok anódja szén, míg az első katódja LFP (lítium-vas-foszfát; LiFePO₄) vagy NCA (lítium-nikkel-kobalt-alumínium-oxid; LiNiCoAlO₂); a 2/a generációé NCM111 (LiNi1/3Co1/3Mn1/3O₂); a 2/b-é NCM523 (LiNi0.5Co0.2Mn0.3O₂) és NCM622 (LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2). Az NCM-et követő számok a nikkel, a kobalt és a mangán egymáshoz viszonyított arányát jelzik.

A 3/a generációnál már az anód is változik, itt szén és 5-10 % szilikon alkotja ezt, amelyek NCM622 és NCM811 katóddal működnek együtt. A 3/b-ben az anód több szilikont tartalmaz a katód pedig egy ún. HE-NCM, azaz lítiummal dúsított vékonyréteg elektróda vagy HVS (High Voltage Spinnel). Ez utóbbinak azért van jelentősége, mert a kobalt kitermelést jelenleg csak olyan országokban tudják megoldani, ahol instabil a politikai vagy a gazdasági helyzet, ráadásul a bányászat komoly környezetkárosító hatással is bír, a HVS elektródákhoz pedig kobalt már nem szükséges. A szilikon alkalmazása a szén mellett vagy helyett ígéretes, mivel a grafit-kristályszerkezete 5 szénatomonként tud egy Li-iont (ill. atomot) „tárolni”, míg a Si esetén ez az arány 1:1. A gond az, hogy a Li tárolása miatt a szilikon térfogata jelentősen megnő, nagyjából a négyszeresére, amely térfogatváltozást a jelen technológia nem tudja kezelni, ezért kell az anód esetében a szenet és a szilíciumot együtt alkalmazni.

A jelen technológiája nagyobb részt a 2/b, kisebb részben pedig a 3/a generációt alkalmazza, a jövő legnagyobb ígéretét pedig a solid-state, azaz szilárdtest akkumulátorok jelentik, amelyek elérhetik akár a 432 Wh/kg értéket is, bár egyelőre alkalmazási területük kevésbé az elektromos autó, mint inkább a kisebb elektronikus eszközök. Ezekben az anód lítium, a katód pedig lítium-szulfát. Másik kutatási irány a Li-levegő akku, mely kisüléskor megköti, majd töltéskor felszabadítja a levegő oxigénjét, de ezzel jelenleg még problémák vannak, nevezetesen a környezeti levegő túl szennyezett az alkalmazáshoz, ráadásul azt még sűríteni is kell, ami energiaigényes folyamat, illetve a jelen technológia mellett általában maximum 50 töltési-kisütési ciklust visel el.

<— X. rész: A Toyota hibrid

XII. rész: A „villamos gép” –>