Az elektromos járművek(EV) jobb és hosszabb élettartamú töltőrendszereihez európai kutatók jelenleg már olyan technológiát fejlesztenek, amely képessé teszi az akkumulátorokat arra, hogy rövid idő alatt felismerjék a bennük keletkezett károsodást, és „megjavítsák magukat”.
Az akkumulátorok jelentik manapság az egyik legnagyobb technológiai akadályt az elektromos járművek tömeges elterjedése előtt. De mi lenne, ha nemcsak hosszabb élettartamúak lennének, hanem meg is javítanák magukat?
Ez a jövőkép vezérli a Horizon Europe keretében ezen a projekten dolgozó kutatókat: Johannes Zieglert, a németországi Fraunhofer Institute for Silicate Research ISC anyagtudósát, Yves Stauffert, a svájci Elektronikai és Mikrotechnológiai Központ (CSEM) mérnökét és Liu Sufut CSEM akkumulátor-kémikusát.
A projekt jelképe a saját hamvaiból feltámadó Főnix madár
Az elektromos autók eladásai Európában ugrásszerűen nőnek, februárban 20%-kal voltak magasabbak, mint egy évvel korábban. Az EV-k nélkülözhetetlenek a közlekedés villamosításához és a szén-dioxid-kibocsátás csökkentéséhez, de az útjuk nem mentes a kihívásoktól – olvasható a Horizon Magazinban.
A legtöbb elektromos autó lítium-ion akkumulátorokra épül, amelyek hasonlóak a telefonjainkban lévőkhöz, de sokkal nagyobbak és összetettebbek. Egy EV akkumulátor több tíz kilogramm értékes fémet – lítiumot, nikkelt és rezet – tartalmaz, és több mint egy évtizedig kell kitartania, ami megfelel az EV várható élettartamának is.
Eme kihívás megoldására fogott össze egy kutatócsoport az EU által finanszírozott PHOENIX nevű kezdeményezés keretében, az önmagukat gyógyítani képes akkumulátorok kifejlesztésére.
Céljuk, hogy meghosszabbítsák az akkumulátorok élettartamát, biztonságosabbá tegyék őket, és csökkentsék a gyártásukhoz szükséges fémek iránti keresletet.
Az EU 2023-ban 34 anyagot minősített kritikusnak, köztük olyan akkumulátorfémeket, mint a lítium, a nikkel, a réz és a kobalt.
A PHOENIX projekt a saját hamvaiból feltámadó mitikus madárról kapta a nevét – ez a kutatók szerint az akkumulátor-technológia újjászületésének és megújulásának megfelelő szimbóluma.
A tét pedig igen nagy. Az uniós jogszabályok előírják, hogy a 2035-től értékesített új személygépkocsiknak és kisteherautóknak zéró kibocsátásúnak kell lenniük.
A cél a közlekedési ágazatból származó üvegházhatású gázok kibocsátásának jelentős csökkentése. Ehhez azonban az elektromos autóknak a jelenlegieknél jobb akkumulátorokra lesz szükségük.
Jöhetnek az öregedést érzékelő szenzorok
Bárki, akinek okostelefonja van, ismeri az akkumulátorokkal kapcsolatos csalódást, azt, hogy néhány év után az élettartamuk rohamosan lecsökken. Ugyanez a probléma sújtja az elektromos autókat is, csak nagyobb léptékben.
Ez azért következik be, mert az akkumulátor egyes részei az idő múlásával, a többszöri töltés és kisütés során fokozatosan leépülnek.
Belgium, Németország, Olaszország, Spanyolország és Svájc tudósai olyan szenzorok tervezésében működnek együtt, amelyek majd érzékelik a lítium-ion akkumulátorban az öregedés során bekövetkező változásokat, és szükség esetén beindítják az akkumulátor öngyógyítását.
A cél az akkumulátorok élettartamának megduplázása, és ezáltal az elektromos járművek élettartamának is meghosszabbítása.
Ma az akkumulátor-kezelő rendszerek (BMS) – az akkumulátorok agya – figyelik az akkumulátor feszültségét és hőmérsékletét. Ezzel tudják biztosítani, hogy az akkumulátor ne melegedjen túl és ne okozzon biztonsági problémákat.
A PHOENIX csapata a fejlett érzékelők és kioldók bevezetésével még tovább akar menni. Ezek közül néhány érzékeli majd, ha az akkumulátor kitágul, mások hőtérképet készítenek, és lesznek olyanok, amelyek a veszélyes gázokra, például hidrogénre vagy szén-monoxidra figyelnek.
Újabb elképzelések a nagyobb energiasűrűségű akkumulátorokról
Amikor „az akkumulátor agya úgy dönt”, hogy javításra van szükség, a gyógyító mechanizmusok aktiválódnak. Ez jelentheti például az akkumulátor háttérbe szorítását, vagy célzott hő alkalmazásával a benne lévő önjavító mechanizmusok beindítását.
„Az ötlet az, hogy hőkezelés hatására néhány egyedi kémiai kötés visszapattan” – mondja Liu Sufu.
Egy másik öngyógyító megközelítés mágneses tereket használ a dendritek felbontására. Ezek olyan elágazó fémszerkezetek, amelyek töltés közben az akkumulátor elektródáin alakulnak ki, és rövidzárlatokat és meghibásodásokat okozhatnak.
A PHOENIX kutatóinak célja nemcsak a hatótávolság növelése, hanem az akkumulátorok méretének csökkentése is. Ez azt jelenti, hogy az EV-nek kisebb akkumulátorra lenne szüksége, ami könnyebbé tenné és ezáltal egy feltöltéssel nagyobb távolság megtételére lenne képes.
Grafit helyett szilícium
Az egyik stratégia az elemekben eddig használt grafit helyett szilíciumot használna, amely valahol a fémek és a nem fémek között helyezkedik el.
Ezt a ma kapható akkumulátorokban még nem alkalmazzák széles körben, részben azért, mert a szilícium kevésbé stabil, és térfogata töltés és kisütés közben akár 300%-kal is megnőhet.
A szilíciummal a belsejében egy akkumulátornak ugyanakkor képesnek kellene lennie arra, hogy túlélje ezeket a drasztikus változásokat, mi több megjavítsa magát.
Idén márciusban egy új érzékelő prototípust és kioldószerkezetet fejlesztettek ki és szállítottak a partnereknek az akkumulátoros tasakcellák – a rugalmas, könnyű és lapos lítium-ion akkumulátorok – tesztelésére.
Bár az akkumulátorok érzékelőkkel való feltöltése jó lehetőség arra, hogy információt szolgáltassanak az állapotukról, ez azonban növeli a költségeket. A csoport ezért arra összpontosít, hogy meghatározzák, mely technológiák nyújtanak elegendő előnyt ahhoz, hogy indokolttá tegyék az EV-k költségeit.
Így néz ki ma az önjavító akkumulátorok világa
Az önjavító akkumulátorok témája viszonylag új és izgalmas kutatási terület az energiatárolásban. Az önjavítás azt jelenti, hogy ezen eszközök sérült vagy degradálódott részei képesek visszanyerni eredeti szerkezetüket vagy működésüket külső beavatkozás nélkül – általában molekuláris vagy kémiai folyamatok révén.
Milyen típusú önjavító rendszerek léteznek?
1. Önjavító polimerek:
o Beépítik az elektródákba, és ha repedés keletkezik, a polimer láncok újra kapcsolódnak
2. Mikrokapszulák:
o Az elektróda anyagába apró kapszulák vannak beépítve, amelyek javító anyagot tartalmaznak.
Repedés esetén ezek a kapszulák kinyílnak, és kitöltik a hibát.
3. Ionos önjavítás:
o Az elektrolit képes reagálni az elhasználódásra, stabilizálva az elektródákat.
Előnyök
• Hosszabb élettartam – több töltési ciklust bírnak ki
• Nagyobb biztonság – kevesebb esély van a túlmelegedésre, zárlatra
• Hatékonyabb energiatárolás – ez főleg szilícium anód esetében érvényes
• Kisebb környezeti terhelés – kevesebbszer kell akkumulátort cserélni
Kihívások
• Költséges anyagok és/vagy bonyolult gyártási folyamat
• Stabilitás hosszú távon: az önjavító funkciók maguk is elhasználódnak
• Kompatibilitás meglévő akkumulátor technológiákkal
• Kutatási fázisban van még a legtöbb megoldás
Hol alkalmazhatók majd?
• Mobil eszközök (telefonok, laptopok)
• Elektromos járművek
• Űrkutatás és katonai eszközök
• Hordozható orvosi berendezések
A Phoenix-projekt mellett itt folynak még ismertebb kutatások
1. Stanford University (USA)
Projekt:
• Önjavító szilícium-anódos lítium-ion akkumulátor
• Kifejlesztettek egy önjavító polimert, amely képes a szilícium anód repedéseit „begyógyítani”.
Technológia:
• A polimer hidrogénkötések segítségével újra kapcsolódik, amikor a részecskék eltávolodnak egymástól.
(Stanford Materials Science)
2. University of Illinois at Urbana-Champaign (UIUC)
Projekt:
• mikrokapszulás önjavító rendszer
• az elektródába apró kapszulákat integrálnak, melyek töltést vagy kötőanyagot tartalmaznak.
Technológia:
• amikor az anyag reped, a kapszulák felszakadnak, és a bennük lévő anyag kitölti a hibát, helyreállítva a szerkezetet.
3. Samsung Advanced Institute of Technology (SAIT)
Projekt:
• kutatják az önjavító rétegeket szilárdtest-akkumulátorokban
• cél: a dendritek (fémes kristálytüskék) kialakulásának megakadályozása
Anyagok:
• rugalmas, de vezetőképes szerves anyagokat használnak, amelyek ellenállnak a mikrorepedéseknek
4. Technische Universität München (TUM) – Németország
Kutatás:
• önjavító polimer-elektródák lítium-ion akkumulátorokhoz
• főleg a mechanikai stabilitás fokozására fókuszálnak a töltés során fellépő térfogatváltozás ellen
A cikk elkészítésének egy részében az AI-t is igénybe vettük.
