Lítium-levegő akkumulátor: CATL kutatás és 2000 km hatótáv
Mit ígér a lítium-levegő technológia?
A kínai CATL akkumulátorgyártó hosszú távú kutatási irányként azonosította a lítium-levegő akkumulátortechnológiát. Az elméleti energiasűrűsége körülbelül 3500 wattóra kilogrammonként, amely ötszöröse lenne az egyelőre fejlesztés alatt álló teljesen szilárd elektrólit akkumulátoroknak. Ezek az adatok azonban csak az elektrokémiai potenciálra vonatkoznak, nem pedig a tényleges autóakkumulátor teljesítményére. A nemzetközi érdeklődéshez képest a CATL soha nem hirdetett meg konkrét, 2000 kilométeres hatótávot vagy forgalmazási dátumot erre a technológiára.
Hogyan működik a lítium-levegő akkumulátor?
A hagyományos lítium-ion akkumulátorok két elektródában tárolják a lítiumot, amely ionok töltés és kisülés során az anód és a katód között vándorolnak. A lítium-levegő akkumulátorok alapvetően más elven működnek: fémes lítiumot használnak negatív elektródaként, míg az oxigént közvetlenül a környezeti levegőből veszik fel.
A kisülés során a lítium oxigénnel reagál, és lítium-peroxid képződik a pórusos katódban. A töltés során ez a folyamat megfordul: az oxigén felszabadul, és a lítium-ionok visszatérnek az anódhoz. Ez a nyitott rendszer az oka az elméleti energiasűrűség nagyon magas értékének, mivel nem kell az egész pozitív reaktanst az akkumulátoron belül szállítani.
Az elméleti érték és a gyakorlati valóság közötti szakadék
Az oft idézett 3500 wattóra kilogrammonkénti érték csak a lítium-peroxid-reakcióra vonatkozik, az oxigén tömegét is bekalkulálva. Egyes tudósok még magasabb, körülbelül 12 000 wattóra kilogrammonkénti értékeket említenek más számítási módszerrel, azonban ezek sem reprezentálják a teljes autóakkumulátor-csomagot.
Az elektrólitek, elektródok, védelmi komponensek és a levegőszabályozó berendezések jelentős súlyt és térfogatot adnak az akkumulátorhoz. A laborban elért eredmények eddig nem oldották meg az élettartam problémáját. Az IBM már 2009-ben indított egy fém-levegő akkumulátoros projektet, amely 805 kilométeres hatótáv elérésére irányult, de ez soha nem valósult meg kereskedelmi szinten.
A legutóbbi tudományos eredmények
Az elmúlt évek kutatásai jelentős előrelépést mutatnak, de továbbra is laboratóriumi szinten maradnak:
- Kínai egyetemi kutatók 757 wattóra kilogrammonként energiasűrűséget értek el egy pouch-cellás konfigurációban, és 241 ciklust demonstráltak ellenőrzött laboratóriumi körülmények között
- Az Illinois Műszaki Intézet és az Argonne Nemzeti Laboratórium egy szilárd elektrólit alapú architektúrát fejlesztett, amely legalább 1000 töltési-kisülési ciklust teljesített szobahőmérsékleten
- Ezek az eredmények mutatnak előrehaladást, de egyik sem jelenti az autóipar felhasználhatóságára készen lévő akkumulátorcsomagot
Három fő műszaki akadály az utasautók számára
A lítium-levegő technológia három kritikus kihívással néz szembe az autóipar gyakorlati alkalmazásában.
Első: a levegőszabályozás nagy összetettséget és súlytöbbletet jelent. Az akkumulátornak oxigénre van szüksége, azonban szigorúan korlátozni kell a nedvesség és a szén-dioxid kitettségét. A nedvesség a fémes lítiummal reagál, a szén-dioxid pedig lítium-karbonátot képez, amely a pórusos katódban halmozódik fel és csökkenti az oxigén-szállítást. Az autós rendszerhez szűrés, páratartalom-szabályozás és gázkarbantartó berendezés szükséges, amely az akkumulátor energiájának közel 5-6 százalékát fogyaszthatja csak erre az okra.
Második: az újratölthetőség és a hatásfok továbbra is nehézségeket okoz. A lítium-peroxidot a katódból el kell távolítani a töltés során. Ez a folyamat további energiát igényel és reaktív oxigénfajokat generálhat, amelyek tönkreteszik az elektrólitkompozíciókat. A fémes lítium anódok is instabilak maradnak az ismételt felhalmozódás és eltávolítás során.
Harmadik: az energiasűrűség nem garantálja az autó teljesítményét. Az akkumulátornak megfelelő fajlagos energiasűrűségen kívül magas teljesítménysűrűségre és térfogati energiasűrűségre is szüksége van az autó gyorsulásához, előzéséhez és fenntartott hajtásához.
Hogyan kapcsolódik a szilárd elektrólit kutatás?
A lítium-levegő akkumulátorok nem egyszerűen konkurenciái a teljesen szilárd elektrólit akkumulátoroknak. Kutatók szilárd elektrólit technológiákat integrálnak a lítium-levegő struktúrákba is a lítium anód védelme és az elektrokémiai reakciók stabilizálása érdekében. A CATL fejlesztési prioritásai azonban közelebbről a nátrium-ion és a teljesen szilárd elektrólit lítium-ion akkumulátorok. A lítium-levegő technológia még jelentős fejlődésre szorul az élettartam, a teljesítmény, a levegőszabályozás, a hatásfok és a teljes rendszerintegráció terén.
Mikor jöhet az autóipar piacára?
Jelenleg a 2000 kilométeres hatótáv-állítások elméleti lehetőséget írnak le, nem pedig a CATL által már demonstrált autós képességet. A lítium-levegő technológia kivételes elektrokémiai potenciálját egy tartós, újratölthető és gyakorlatban hasznos autóakkumulátorrá alakítani jóval nehezebb feladat. A kutatási projektek mutatják a tudományos előrehaladást, de a kereskedelmi alkalmazás még hosszú évekre elmaradhat. A CATL és más gyártók jelenleg az közeli jövőben már elérhető technológiákra koncentrálnak.
Kapcsolódó elektromos autós tartalmak
További friss elektromos autós hírek és hasznos információk találhatók az Elektromosautó.hu oldalán. Érdemes megnézni az autós hírek rovatot és a további híreinket is.
Csatlakozz a közösséghez: Facebook csoportunkban aktív vita folyik az elektromos autózásról. Kövesd az Elektromosautó.hu Facebook oldalát és az Instagram oldalunkat is a legfrissebb EV hírekért!
Kiemelt kép – Fotó: Matti Blume / Wikimedia Commons, CC BY-SA 4.0