Az akkumulátorok az optimális tömegeloszlás érdekében alacsonyak, de a gyártók vajón elegendő figyelmet fordítottak a hosszú élettartamukra?
A mindennapi életünk részévé váltak ezek az akkumulátorok. Legtöbbjük a laptopunkban vagy a telefonunkban megtalálható, hogy egész éjjel töltsük őket anélkül, hogy valóban gondolkodnánk rájuk - de mi történik a töltés és a használat során, mert valójában ezek egy nagyon összetett folyamatok, és sokak számára még mindig nem teljesen érthetőek.
Amikor a lítium-ion (rövidítve: Li-ion) akkumulátorokról beszélünk, nem is gondolnánk, hogy mennyire összetett folyamattal állunk szembe. Életünk részei, mert megtalálhatók a mobiltelefon, a számítógép és az elektromos kéziszerszámok területén és újabban minden elektromos autóban is.
A lítium-ion akkumulátort a ’70-es években az Exxon kutatói fejlesztették ki. Hogy miért a lítiumra esett a kutatók választása, annak az az egyszerű magyarázata, hogy a lítium fém a legutolsó a Volta-féle elektrokémiai feszültségsorban, ezért anyaga a maga 3,7 voltjával a legnagyobb névleges cellafeszültséget kínálja. Ez a cellafeszültség 3,7 V, ami háromszor, energiasűrűsége 100 Wh/kg körüli, ez kétszer nagyobb az ólomakkumulátorokénál.
Jelenleg a technológia kezdeti fázisában, vagyunk, kevés tapasztalattal. Az akkumulátorok várható élettartama fogja meghatározni az elektromos autók hasznos élettartamát és vajón mennyire vagyunk tisztában azzal, hogy a használt gépkocsink költségei, hogyan alakulnak a jövőben, a használat során, vajon mennyiért fogjuk tudni majd eladni a már használt elektromos autónkat és akad még számos kérdés most 2019-ban.
Jelenleg, egy használt elektromos autó ára zavaróan alacsony, mivel a használt piac nem érti a technológiát, és aggodalomra ad okot az is, hogy mi történik akkor, amikor az akkumulátorok garanciája lejár. Ez egy olyan téma, amely jelenleg aggasztó az autógyártóknál, de a vásárlónál is.
Jelenleg nagyon magas az elektromos autók beszerzési ára, igaz ingyen „tölthetünk”, de meddig. Vajon hány évnek kell eltelnie ahhoz, hogy több millió Ft-al drágább elektromos autó „visszahozza” az árát. Van e elég töltő állomás? Rengeteg még a kérdés és az ismeretlenség e témában.
Nyilván fejlődik majd e technika, vagy jön helyette még jobb?
Például a Jaguar Land Rover idei elektromos autója a Jaguar i-Pace típus, mely maga nemében egy gyors elektromos autó és míg minden autó gyártónál, így náluk is felmerült a használt akkumulátorok jövőbeni karbantartásának a kérdése.
Talán egy-egy cella cserével?
Így például az iPace 90 kilowattos lítium akkumulátorának az élettartama (amely 32 LG Chem cellát tartalmaz) nyolc év vagy 100 ezer mérföld, és a gyár visszaveszi (Most 2019-ben ezt ígéri, de vajón később?) az akkumulátort, ha alapvető működési hiba keletkezik, vagy ha a kapacitása a 70 százalék alá csökken. Tehát a jelenlegi helyzetben a Jaguár cseréli az akkumulátort, bizonyos esetekben, de mi van akkor ha ez hosszú távon nagy veszteséggel jár a gyár számára és a gépkocsi tulajdonosáról nem is beszélve, hiszen már 70 %-os állapotú akkumulátor, olyan mintha ha egy 80 LE-s Otto motorban már csak 56 LE-vel dolgozik.
Azért ez egy kicsit „furcsa”, a jelenlegi helyzetben, nemde?
Hogyan is működik egy lítium-ion akkumulátor?
A lítium-ion akkumulátorok alapvetően öt fő összetevőből állnak: katód; anód; szeparátor (Ez egy olyan trükkös anyag, ami egyrészt meggátolja, hogy a két elektróda összeérjen, ugyanis ha kis méretre törekszünk akkor elég közel kerülnek egymáshoz, akár 10µm nagyságrendben, másrészt átengedi a két elektróda és az elektrolit közötti kémia reakcióban résztvevő ionokat. Amolyan elválaszt, de kémiailag összeköt funkciót tölt be).; áram kollektorok; és az elektrolit. Az anód és a katód tárolja a lítiumot és az elektrolit az a tápközeg, amelyen keresztül a pozitívan töltött lítium ionok haladnak. A katód 73%-ban nikkel, 14%-ban kobalt, 2%-ban alumínium, és csupán 11%-ban lítium. Az anód leggyakrabb teljes egészében grafit, a vezető szerepét betöltő elektrolit pedig Li-sókból, általában lítium-hexafluor-foszfátból (LiPF6) áll.
Csak van egy kis bökkenő a dologban, ez pedig a nyersanyag készletek mennyisége a földünkön. Akkor hogyan is állunk
Tehát amikor az akkumulátort töltjük, a pozitív elektróda (vagy katód) felengedi egyes lítium ionjait, amelyek az elektroliton és az elválasztón át vezetnek a negatív elektróda felé (vagy anód).
A lítium akkumulátorok kémiája
Amikor lemerül az akkumulátor, ezek a lítium ionok az anódról a katódra áramlanak át, ami elektromos áramot generál az eszközön keresztül (a gépkocsinál egy villanymotor), amelyet az akkumulátor táplál.
Lítium-ion akkumulátor esetén ez a folyamat visszafordítható több ciklus és év során, továbbá a lítium ionos akkumulátoroknak fajlagosan kisebb a tömegük, mint az ólom-savas vagy nikkel-fém-hibrid-cellák, ezáltal alkalmasabbak gépjárműveknél történő alkalmazásra.
De hogyan állunk a lítiummal, van belőle elég és mi van a többi nyersanyaggal?
Jelen ismereteink szerint a lítium-ion akkumulátor a legjobb, és ezért a legelterjedtebb megoldás az energia tárolására, nem csupán az elektromos autókban, hanem számos elektronikai termékben is. Mivel egyelőre nem tudunk olyan anyagot, ami helyettesíteni tudná a lítiumot a teljesítmény romlása nélkül, az elektromos autózás kritikusai ezt a ráutaltságot használják ki az igazuk bizonyítása végett, mondván: „a villanyautózás nem életképes, mert a lítium el fog fogyni.”
Az „USGS” (United States Geological Survey) legfrissebb adatai szerint, a 2016-os lítium-kitermelés 35 000 tonna volt a világon, míg a rendelkezésre álló készletek össztömege 40 millió tonna. A Deutsche Bank számításai szerint ez akkor is elég lenne 185 évig, ha a piac a háromszorosára növekedne. Nem kell megijedni tehát, a lítium egy jó darabig nem fog minket gátolni az elektromos autózásban. A legnagyobb ismert készletek Bolívia, Argentína, Chile, Ausztrália és Kína területén vannak, a vezető kitermelő Ausztrália. A még nagyrészt érintetlen dél-amerikai lítium-háromszög a jövőben hatalmas figyelmet kaphat a növekvő kereslet következtében.
Érdekes módon azt már csak néhányan tudják, hogy egy Li-ion aksi más, véges mennyiségű ásványt is tartalmaz, amikből még kevesebb áll rendelkezésünkre, mint lítiumból, sőt, nem az akku az egyetlen alkatrész, mely bányászatot igénylő anyagot tartalmaz.
Az akkumulátor mellett meg kell vizsgálni a villanymotort is, amely ritkaföldfémeket tartalmaz. Nevükkel ellentétben ezek az elemek nem kifejezetten ritkák, a probléma sokkal inkább az, hogy alacsony koncentrációban fordulnak elő a földkéregben, ami megnehezíti a kitermelésüket. A legtöbb elektromos autó motorjában egy úgynevezett neodímium-vas-bór (NdFeB) -típusú állandó mágnes dolgozik, ami többek között vasat, rezet, alumíniumot, kobaltot, nióbiumot, galliumot, terbiumot, neodímiumot, diszpróziumot, és prazeodímiumot tartalmaz, melyek közül az utóbbi három a legfontosabb ritkaföldfém az esetünkben. Nem elég tehát arról megbizonyosodnunk, hogy lítiumból van elég, mert ha a többi alkotóelemből fogyunk ki, az akkumulátor ára akkor is az egekbe fog szökni, míg végül kénytelenek leszünk más megoldást találni az energia tárolására.
Például a kobalt bányászatának 65%-a a Kongói Demokratikus Köztársaságból származik, ami a nyersanyag egyenlőtlen eloszlásának, és az ország instabil politikai helyzetének következtében a későbbiekben problémához vezethet, így az is elképzelhető, hogy sokkal nagyobb hatással lesz az akkumulátorok árára, mint a lítium. Márpedig a kobalt fontos alapanyag számunkra: a legnagyobb fogyasztó, Kína összes kobaltfelhasználásának 80%-a akkumulátorok gyártására irányult 2016-ban.
A grafit és a ritkaföldfémek esetében is kiemelt bökkenő, hogy 80%-uk Kínából származik, így az Európai Unió jelentős hátrányba kerülhet az akkumulátorok gyártásában, az ázsiai országot pedig fontos kereskedelmi előnyhöz juttatják az ásványok.
Ami viszont tényleg okozhat némi fejtörést, az a réz. Egy elektromos autó átlagban négyszer annyi rezet használ, mint egy hagyományos kocsi, s habár a kereslete 2035-re „csupán” a duplájára növekedhet, a réz esetében ehhez új bányákra lenne szükség, ám az új lelőhelyek megtalálása, felmérése, és a kitermelés felfuttatása akár 30 évet is igénybe vehet, ami lassú helyzetfelismerés esetén akadályozhatja az autógyártást.
Továbbá nem szabad megfeledkezni a bányászat okozta környezetszennyezésről sem, melyet súlyosbít az a tény, hogy a szükséges nyersanyagok legnagyobb részben fejlődő országok területén helyezkednek el, ahol a környezetvédelmi előírások közel sem olyan szigorúak, mint a fejlettebb országokban. Egy tonna ritkaföldfém kitermelése például 75 tonna savas hulladékot hoz magával, melyek nem csupán a bánya körüli ökoszisztémát teszik tönkre, hanem vízfolyásba bekerülve több tíz, több száz kilométerrel arrébb is veszélyeztetik az emberi egészséget, s a termelés növekedésével a környezeti hatások hatványozottan fognak jelentkezni.
A töltés és a használat idővel károsítja az akkumulátort?
2010 óta gyártanak nagy számban, új generációs, lítium-ion akkumulátorral szerelt elektromos autókat. A tapasztalatok azt mutatják, hogy 100 – 150 ezer km megtétele után kezd csökkenni az akkumulátorok kapacitása. A gyártók maximálisan 8 év garanciát vállalnak az akkumulátorokra.
Az akkumulátorok élettartama nagyban függ az akkumulátorok töltési / lemerítési eljárásától, mely egy nélkülözhetetlen eljárás az akkumulátor állapota és hosszú élettartama során.
Az elektródák, jellemzően réteges szerkezetűek, például a katód anyaga lehet, lítium-nikkel-mangán kobalt-oxid (vagy NMC röviden). Ez a katód, mint egy halmozott papírlapok. Mivel ez az anyag többszörös töltési és kisülési cikluson megy keresztül, mechanikai és kémiai folyamatok zajlanak le benne, ezért a katód lebomlik. Ennek eredményeképpen az atomok átrendeződnek, a térfogatuk változik és repedések is keletkezhetnek.
A teljes töltés megnyugtató, de vajon az akkumulátor számára ez a legjobb?
A használat során keletkezhetnek olyan "bevonatok" is, ahol az elektrolit reakciójaként állandó fedést eredményezhetnek az elektródák részein, ami képes csökkenteni az ionok befogadására képes kapacitást a töltés során. Ezt a folyamatot befolyásolja az, hogy hogyan is használjuk az akkumulátort.
Számos tényező, ami befolyásolhatja a lebomlást, például a hőmérséklet, a töltés és a nyomás.
Merre tovább? Jogos a kérdés, hogy az akkumulátor technológia fejlődik-e; az elmúlt 25 évben ugyanis nem volt olyan áttörő fejlesztés, amelyre nyugodtan lehetne alapozni. Léteznek olyan technológiák, amelyek pár perces töltést és többszörös kapacitást ígérnek, de ezek a fejlesztések egyelőre csak laboratóriumban működnek, gyártásuk kereskedelmi értékesítésre nem kész és egyébként is lehet, hogy e technológiát a jövőben felváltja egy, ma még csak a „küszöbön” álló új eljárás. Erre számos kísérleti példa van jelenleg, de még nem kész. Aztán lehet, hogy a lítium-ion technológia is hírtelen „beindul”, a ma még csak kezdeti szakaszában. Szerte a világon a régi és új autógyárak, mind kísérleteznek (Kína, USA-Tesla, BMW és így tovább) az „öreg” technológiák (Otto-Diesel) leváltásával.
Mit tesz az iparág, hogy csökkentse az akkumulátorok elhasználódását?
Szerte a világban dolgoznak azon, hogy az akkumulátorok élettartama növekedjen, vagyis a „leépülés” folyamata lassuljon. Nyilván ez költségigényes munka, de erre példa az Egyesült Királyságban a „Faraday Intézet” által finanszírozott kísérletek, ahol megpróbálják elemezni a „leépülés” folyamatát.
Jelenleg a tények azok, hogy az autó akkumulátorok katódjai magas nikkeltartalommal rendelkeznek, aztán csökkenteni kellene a kobalt mennyiségét, mert az utóbbi években meredeken emelkedett a kobalt költsége, a kobalt kitermelésének „etikai” problémái miatt.
A Kongói Demokratikus Köztársaság a vezető kobaltgyártó, amely a növekvő globális kereslet 67% -át adja. A képen a „Lubumbashi”-ban működő szállítószalag látható és a kiviteli főként Kínába történik.
Az akkumulátorok élettartamának meghosszabbítása érdekében az autógyártók az elektródák elektrolitjába adalékanyagokat használnak, hogy megvédjék őket a lebomlás ellen.
Továbbá kísérleteznek olyan bevonatok kifejlesztésén, amelyek megakadályozzák a lebomlást, valamint vizsgálják a lebomlási folyamatokat befolyásoló hatásokat, atomi szinten.
Tehát egy elektromos autó akkumulátora, olyan mint egy okos telefoné?
Bár mindezek rendkívül érdekesek lehetnek az elektromos autó "korai felhasználói" számára, mivel a lakosság nagy része személyes tapasztalattal rendelkezik a lítium-ion akkumulátorokról, hiszen a hordozható telefonokban is ilyen fajta akkumulátor van és személyesen tapasztalják a jelentős kapacitás csökkenést az első év használatát követően is. Talán ezen tény alapján érthető, némi szkepticizmus, amikor számba vesszük a problémákat az elektromos autókkal kapcsolatban.
Azért nagy különbségek vannak a telefonok akkumulátorai és az elektromos autó akkumulátorai között, már a használat terén is. A laptopok és mobiltelefonok esetében az emberek túl erőltetik az akkumulátorokat, nem hő szabályozott a folyamat, a töltés néha nem szakszerű, ezért látja a felhasználó az akkumulátor kapacitásának gyors leromlását egy laptopon vagy egy okos telefonon.
Mi történik, ha az elektromos autó akkumulátora néhány év múlva arra a sorsra jut, mint az okos telefonoké?
Az akkumulátorok autóipari alkalmazása és kezelése átfogó és a hőmérséklet, a nyomás és a töltés kulcsfontosságú tényezőin alapul, így az akkumulátorkezelő rendszer kulcsfontosságú, a szoftver, de a hardver oldalon is. Ezek többek között, hogy hogyan szabályozható a hőmérsékletet, hány kilowattóra telepíthető, és hogy mennyit használjuk és milyen módon az akkumulátort? Léteznek a cellára vonatkozó energiai és egyéb előírások is, ami bonyolult és drága is. "
Figyelembe véve azt, hogy az iparág jelenleg lítium-ion cellákat telepít 140 dollár / kW-os árszinten, az árfolyama túl drágának tűnik. Mint a BMW kutatási és fejlesztési igazgatója, Klaus Fröhlich nemrégiben mondta: "Megvizsgáltam minden egyes cellát, hogy hogyan öregszik".
Úgy véli, hogy 2025-re az akkumulátorkapacitás ötszörösére fog nőni, és az elektromos autók pedig körülbelül 430 mérföldet lesznek képesek megtenni, két töltés között. De mennyibe fog ez kerülni?
Hogyan lehet meghosszabbítani az elektromos autó akkumulátorának az élettartamát?
Először is talán meg kell tanulnunk, hogyan kell gondoskodni a cellákról. Egyáltalán léteznek olyan dolgok, amelyeket fontolóra vehet a felhasználó az akkumulátorok élettartamának növelése érdekében? „Induláskor” 100 százalékos állapot ami lehet, hogy kellemes érzés [teljes töltési szintet birtokolni], de ez nem biztos, hogy jó az akkumulátor számára. "
A 100 százalékos töltés a katódra helyezi a hangsúlyt. Sokat kérek, és ezzel nagy „nyomást” gyakorolunk az akkumulátorra.
A legjobb tippek: ne töltse teljesen fel az akkumulátort - és ne hagyja, hogy nulla szint legyen.
Csak 50-80 százalékos töltési szint javasolt, még olyan autókban is, amelyek rendelkeznek olyan szoftverrel, amely korlátozza az akkumulátor kapacitásának azon részét, amelyet a hosszú élettartam érdekében meg kell tenni.
Ha a napi autózást kevesebb mint 100 százalékos töltéssel meg lehet oldani, akkor elkerülhetjük az akkumulátor teljes feltöltését és ezzel az 50-80 százalékos töltés határon belül maradva, meghosszabbodik az akkumulátor élettartama.
Azt is próbáljuk meg elkerülni, hogy az akkumulátor teljesen nulla százalékra lemerüljön, mert ez ismét megnöveli az akkumulátor idő előtti elhasználódását. Érthető a vágy arra, hogy teljesen feltöltsük, de amikor egy „elektromos világba költözünk”, akkor okosabb a töltést úgy végezni, hogy az akkumulátort 80% -ra „korlátozzuk”, majd a töltés automatikusan leáll.
Az előttünk a jövő.
A mai helyzetben, talán az a legjobb, ha olyan elektromos autót választunk, amely a szükségleteinknek a legjobban megfelel, netán nincs szükség a minden esti maximális feltöltésre. Ez viszont felvet egy érdekes ötletet, hogy vajon megvásároljuk e a felesleges kapacitást a hosszú élettartam érdekében. Viszont az extra kapacitás nem rossz dolog.
Az elektromos autóké a jövő, de továbbra is tartani kell a környezeti hatásuktól
A lítium-ion akkumulátor nem egy környezet barát technológia, akár az alkotóelemei (amelyek gyakran a világ egyik leginkább kizsákmányoló és veszélyes helyéről származnak) vonatkozásában vagy a ritkaföldfém elemek tekintetében, amelyek bekerülnek a meghajtó rendszerbe.
A lítium veszélyes, levegővel érintkezve reaktív és nehezen újrahasznosítható, így sok akkumulátor a hulladéklerakóban végzi, de biztonsági intézkedéseket igényel.
Az akkumulátoros elektromos autóknál most az a fő kérdés, hogy hosszú távon hogyan térülnek meg és hogy hogyan gondoskodjunk róluk - nem csak az új, hanem a garancia utáni időszakban is.
Forrás: The Telegraph