A Holdra már eljutottunk, de a mobiltelefon aksija még mindig lemerül estére

Hihetetlen áttörés az energiatárolásban! Pár percig töltődik, de hónapokig bírja a jövő akkumulátora! Felejtsd el a lítiumiont, jönnek a környezetbarát aksik! Ma már szinte minden héten szembejön egy, a fentiekhez hasonló címmel ellátott hír, de hiába épít gigantikus akkumulátorparkokat Elon Musk, és hiába a technológia exponenciális fejlődése, az okostelefonjaink egyelőre egy-két nap alatt lemerülnek, az átlagos laptopok pedig jó, ha másfél órát kibírnak.

Az elektromos autók terjedése, az önvezető járművek korának közeledte vagy a megújuló energiaforrások növekvő fontossága egyre inkább sürgeti a mostaninál hatékonyabb energiatárolási megoldásokat, ennek megfelelően egyre nagyobb is a verseny az akkumulátortechnológiában érdekelt cégek és startupok között. 

Ki alkotja majd meg a közel harminc éve uralkodó lítiumion-aksik olcsóbb, biztonságosabb, zöldebb és hosszabb működést garantáló utódját? Egyszerűbben:  mikor lesz már vége a kilencvenes éveknek, és hagyhatom végre otthon a telefontöltőt, ha elutaznék két napra?

Illusztráció: Tóth Róbert Jónás

Nem ma kezdték

„A Ford Motor Company elnöke úgy gondolta, egy olyan fontos fejlesztésről tud beszámolni, hogy sajtótájékoztatót hívott össze. Bejelentette, hogy a cég kutatói olyan áttörést értek el az akkumulátortechnológiában, amely lehetővé teszi az elektromos autók tömeggyártását a következő 5-10 éven belül.”

Ha más nem, a Ford név árulkodik arról, hogy a fenti idézet nem túl friss, de a forrásban van egy duplacsavar: ezzel kezdődik a New York Times Hol vannak az elektromos autók? című, 1981. július 10-én megjelent cikke, amely viszont a lap egy 1966-os számára hivatkozva (innen az eredeti idézet) hiányolja a villanyautók elterjedésének megvalósulását. A 81-es cikkben később a General Motors ígéri meg, hogy 1985-re elkezdik gyártani az elektromos autóikat, majd a G&W Electric Company írja le az egy hónappal korábban bemutatott cink-klorid-akkumulátorát úgy, mint „talán a legjelentősebb fejlesztés a századforduló óta”.

Az elektromos autók aranykora az 1890-es és az 1910-es évek között volt, aztán jött az indítómotor és az olajbizniszFotó: Wikimedia Commons / Karina

Kis áttöréshatározó

A békaboncolástól a robbanómotorig

A magyarul elemet és akkumulátort is jelentő battery szót először Benjamin Franklin használta kísérletei során az erősebb kisülés érdekében összekapcsolt kondenzátorok leírására. Az amerikai polihisztor 1749-ben a katonai nyelvből kölcsönözte a szót, ahol a battery az üteg, vagyis a több löveggel rendelkező tüzérségi egység angol megfelelője.

Az első valódi elemet az elektromos feszültség mértékegységének névadója, az olasz Alessandro Volta fejlesztette ki 1800-ban, a békák boncolásával kísérletező fiziológus, Luigi Galvani felfedezéseire alapozva. A Volta-oszlop egymásra pakolt cink- és rézlemezekből állt, amelyeket az elektrolitként szolgáló sósvizes oldatba mártott kartonpapír- vagy szövetkorongok választottak el egymástól – ez volt az első egyenáramú áramforrás, a galvánelem. Később Volta módszerét fejlesztette tovább a brit John Frederic Daniell, és 1836-tól a nagyobb kapacitású, biztonságosabb Daniell-elem vált szabvánnyá.

Alessandro Volta bemutatja az akkumulátor ősét Bonaparte Napóleon előtt 1801-benFotó: AFP / leemage

A következő lépés az újratölthető akkumulátor felfedezése volt: 1859-ig kellett várni arra, hogy Gaston Planté francia fizikus megalkossa a savas ólomakkumulátort, ami cserébe akkora siker lett, hogy máig annak modernizált változatát használják a belső égésű motor által hajtott autóknál. A savas ólomakkumulátor teljesen feltöltött állapotában egy ólom- és egy ólomdioxid-lemezből (anód és katód), valamint tömény kénsavból (elektrolit) áll. Kisütéskor mindkét lemezre ólom-szulfát rakódik, az elektrolit pedig addig hígul, amíg szinte vízzé nem válik, majd a terhelő árammal ellentétes irányú áram hatására ugyanez játszódik le visszafelé, amit töltésnek nevezünk.

I'm so happy 'cause today I found my friends

A huszadik század második felében tapasztalt technológiai fejlődés azonban új igényeket támasztott, az 1970-es években pedig már meg is jelent az új megoldás: a lítium. Az alacsony sűrűséggel, viszont nagy elektrokémiai potenciállal és energiasűrűséggel rendelkező fémből készült elemek ma is népszerűek, de igazán a prototípusként 1985-ben bemutatott, majd a Sony által 1991-ben piacra dobott lítiumion-akkumulátor jelentett áttörést, amit azóta többek közt mobiltelefonokban, laptopokban, okoseszközökben, elektromos kéziszerszámokban, elektromos járművekben láthatunk viszont.

A lítiumion-aksik összetevőinek anyaga a felhasználás célját tekintve változhat. A katód legoptimálisabb összetétele a lítium-nikkel-mangán-kobalt-oxid, ami egyesíti a legnagyobb energiasűrűségű, de csekély áramterhelhetőségű lítium-kobalt-oxid, valamint a fordított tulajdonságú lítium-mangán-oxid pozitív sajátosságait. Az anód dominánsan az olcsó és magas energiasűrűségű grafitból készül, az elektródokat pedig egy elektrolit bevonatú szeparátorszalag választja el egymástól.

Működés közben a pozitív töltésű lítiumionok a katód felé mozognak, ami így vonzani kezdi a negatív töltésű elektronokat, amelyek áthaladva az eszközön elektromos energiát generálnak. Újratöltéskor ugyanez visszafelé.Fotó: Wikimedia Commons

Bár a lítiumion-akkumulátor jelenleg szinte egyeduralkodó az akkupiacon, számos előnye ellenére azért korántsem tökéletes megoldás. Viszonylag olcsó, de a korábban használt, az EU-ban környezetvédelmi okokból 2011 óta betiltott nikkel-kadmium-aksiknál 40 százalékkal költségesebb az előállítása; nemcsak a tényleges korától, de a töltés-kisütés ciklusainak számától függően is öregszik (a lítium-kobalt-oxid akkukat például 40-50 százalékos töltöttséggel, hűvös helyen kellene tárolni, hogy sokáig bírják, hajrá!) és még biztonsági szempontból sem száz százalékig megbízható – emlékezzünk a tömegesen túlhevülő, felrobbanó, kigyulladó Samsung Galaxy Note 7 botrányára 2016-ból.

De mi történt itt 27 év alatt, hogy még nem sikerült jobbat találni a lítiumionnál? Most, hogy már az olajcégek is a megújuló energiában keresik az üzletet, talán véget érnek az áldatlan állapotok.

Ilyet sem hallani sokszor: a műanyagé lehet a jövő

Tavaly februárban adta le a legnagyobb amerikai közszolgálati csatorna, a PBS a Nova című tudományos dokumentumfilm-sorozat Search for the Super Battery (kb. Nyomozás a Szuperakkumulátor után) című epizódját, amely a szokásos ígéretek hangoztatásán kívül (Tesla Gigafactory: „Gyorsabban fogjuk termelni az aksikat, mint géppuska a lőszert; „A következő 10 évben kétszeresére-háromszorosára nő majd az akkumulátorok energiasűrűsége”) bemutatott néhány alternatívát is.

Az USA Nemzeti Nukleáris Biztonsági Hivatalának új-mexikói kutatóközpontjában, a Sandia Nemzeti Laboratóriumban például többek közt azzal foglalkoznak, hogy megcsináljanak mindent, amit a gyártók a csomagoláson tiltanak: túlhevítik, megszurkálják, rövidre zárják vagy épp felgyújtják az akkumulátorokat egy szép nagy, kéttonnás biztonsági ajtó mögött. De nemcsak a látványos szórakoztatás miatt került a filmbe a labor: a tesztek alapján arra következtetnek, hogy például a lítiumion-akkumulátor elektrolitjaként szolgáló dimetil-karbonát gyúlékonysága jó ok arra, hogy más megoldásokat keressen az ipar.

A műanyag akkumulátor például egy időről időre felbukkanó ötlet, amely lehet, hogy már 1998-ban elnyerte a Popular Science magazin Az Év Találmánya díját, de akkor még csak kezdeti állapotban volt a fejlesztés, tömeggyártásról legfeljebb álmodni mert a két baltimore-i kutató. A massachusettsi Ionic Materials viszont már a megvalósításon is túl van, és épp egy hónapja kapott 65 millió dolláros befektetést, hogy tovább fejlesszék a szilárd műanyag elektrolittal ellátott, ezáltal biztonságosabb (lángálló) berendezést.

Az Ionic akkumulátora ráadásul legalább kétszer annyi energiát is tud tárolni, mint egy lítiumion-aksi, mivel az elektródák fém lítiumból készülhetnek, azokat ugyanis csak azért kellett lítiumionra cserélni, mert a lítium a folyékony elektrolittal érintkezve robbanásveszélyes. A cég elnök-vezérigazgatója, Mike Zimmermann 2020-ig szeretné letudni az Ionic nagyobb kapacitású, bitonságosabb akkumulátorainak világszintű hódítását.

Az iPhone 3GS lítiumion-polimer akkumulátora, ami félúton van a lítiumion és a műanyag aksik közöttFotó: Wikimedia Commons / Matthew Taylor

Miért nem vonatkozik az aksikra a Moore-törvény?

Az Intel-alapító Gordon E. Moore-ról 1965-ben elnevezett törvény szerint az integrált áramkörök összetettsége (vagyis a benne lévő tranzisztorok száma, ezáltal gyakrolatilag a számítási teljesítmény) 18 hónaponként megduplázódik. Vagyis például másfél (a gyakorlatban inkább két) évente megkétszereződik a processzorok teljesítménye, ami lehetővé teszi az okostelefonok, a számítógépek és rengeteg más elektronikai eszköz egyre gyorsabb technológiai fejlődését.

Azonban sokszor nem tudjuk kihasználni, hogy ennek köszönhetően milyen elképesztő mennyiségű adathoz juthatunk hozzá nagyon gyorsan, mert közben lemerül a telefon. „A Moore-törvény megfelelője az akkumulátorok esetében az, hogy körülbelül 3 százalékkal fejlődnek minden évben” – mondta januárban a Forbes-nak Mike Toney, a Stanford Egyetem akkumulátortechnológiai kutatója.

A szárnyaló elektromos és önvezetőautó-biznisz azonban láthatóan beindította az akkuipart pénzelők lelkesedését. Az energiatárolással foglalkozó cégekbe fektetett kockázati tőke 2017-ben kis híján megduplázódott az előző évhez képest: 2016-ban 365 millió, tavaly pedig már 714 millió dollárt fektettek az akkumulátortechnológiába – az elsősorban járművek aksijaival foglalkozó japán GS Yuasa pedig 8,8 milliárd forintból épít gyárat Miskolcon.