A felhúzható kisautótól a modern energiatárolásig

Mekkora súlyú hagyományos akkumulátorra lenne szükség, hogy Debrecenből Budapestre jussunk?

Kéki Sándor, a Debreceni Egyetem Természettudományi és Technológiai Kar Alkalmazott Kémiai Tanszékének tanszékvezető egyetemi tanára a Haonnak az energiatermelő rendszerekről beszélt

Forrás: Czinege Melinda

Elektromos autók, laptopok, mobiltelefonok, dohányhevítő készülékek. Csupán néhány azon eszközök közül, amit mindennapjaink során használunk. Mindez az akkumulátorok fejlődése nélkül nem jöhetett volna létre. Meglepő módon az elektrokémián alapuló energiatárolás már a 19. században foglalkoztatta a tudósokat, ám megrekedt kutatások, áthidalhatatlan problémák, környezetszennyező megoldások után mára kinőtte gyermekbetegségeit a technológia.

Kéki Sándort kértük meg, hogy beszéljen az energiatárolás gyökereiről, jelenéről és kilátásairól. A Debreceni Egyetem Természettudományi és Technológiai Kar Alkalmazott Kémiai Tanszékének tanszékvezető egyetemi tanára a Haonnak felvázolta, a különböző energiatermelő rendszerek – például a napelemek vagy szélerőművek – által előállított energia esetleges: akkor termelnek, ha süt a nap, vagy fúj a szél. Ez a probléma az energiatárolással hidalható át, ennek köszönhetően a felhalmozott energiát bármikor felhasználhatjuk.

Az egyetemi tanár kifejtette, az energiatárolásnak többféle módja létezik: – A gravitációs elven működő, úgynevezett szivattyús tárolórendszereket már számos helyen használják, Európában több helyen, például Svájcban található ilyen létesítmény. Magyarországon is keresik a megoldást a kihasználására, azonban a környezet kevésbé alkalmas rá, mivel legalább száz méteres szintkülönbségre van szükség a működéséhez – mondta.

Rámutatott, noha ezek környezetbarát módszerek, azonban a megtermelt energia csupán helyben használható. Nehezen elképzelhető, hogy egy beton gerendával ellátott, helyzeti energiát felhasználó, gravitációs rendszer hordozható formát öltsön.

A régebbi gyerekjátékok esetében egy rugó vagy lendkerék segítségével tárolták a potenciális energiát, majd az meghajtotta a felhúzható kisautót vagy a búgócsigát. De hasonló elven működtek a régi fali, illetve karórák is.

– Számos módszer létezik energiatárolásra, a különböző hidrogéntároló rendszerek mellett az elektrokémiai módszereknek kiemelkedő szerepük van manapság. Ez – mint a nevében is benne van – az elektromosságot és a kémiát hasznosítja. Bizonyos anyagok egymással képesek reakcióba lépni. Az egyik ilyen gyakori reakciótípus elektronvándorlással valósul meg. A reakció során az egyik anyag leadja, míg egy másik felveszi az elektronokat. Ez járhat hő- vagy fénykibocsátással, illetve mindkettővel – magyarázta a tanszékvezető. Hozzáfűzte, ez a felszabaduló energia hasznosítható, ha a reagáló anyagokat térben elválasztjuk egymástól. Ahhoz, hogy ez a reakció így lejátszódjon, azaz az elektronok szabadon áramolhassanak egyik helyről a másikra, fémes vezetőt és elektrolitot alkalmazunk. Ezekhez kapcsolhatunk egy fogyasztót, például egy izzót vagy mobiltelefont, amely a reakció során felszabadult energiát hasznosítja. Ezek az elektrokémiai energiatároló rendszerek az elemek és az akkumulátorok.

Kéki Sándor, a Debreceni Egyetem Természettudományi és Technológiai Kar Alkalmazott Kémiai Tanszékének tanszékvezető egyetemi tanára a Haonnak az energiatermelő rendszerekről beszélt — Kéki Sándor kifejtette, milyen módjai léteznek az energiatárolásnak
Forrás: Czinege Melinda

Az elektrokémiai reakció során az elektronokat leadó anyag, az anód oxidálódik, az elektronokat felvevő anyag, a katód redukálódik. Ha ez a folyamat elektromos áram hatására nem fordítható vissza, elemekről beszélünk. Ezek az egyszer használatos eszközök mindaddig működőképesek, amíg le nem merülnek.

Az akkumulátorokban ezzel szemben oda-vissza végbemenő folyamatok játszódnak le, vagyis töltési-kisütési ciklusokat hajtunk végre. A kisütés értelemszerűen akkor történik, amikor az energiát a fogyasztó felhasználja, majd miután lemerül, újra tölthető lesz. Ezek a folyamatok akár több százszor vagy több ezerszer is végbemehetnek

– ismertette.

Kéki Sándor hozzátette, léteznek hálózathoz kötött, helyszínen felhasználható, illetve hordozható akkumulátorok. Ez utóbbiak felhasználási területe ma már igencsak szerteágazó: többek között mobiltelefonokban, laptopokban, videókamerákban, rollerekben és gépjárművekben is alkalmazzák.

– Manapság és vélhetően a jövőben is ezekkel a mobilis eszközökkel oldható meg nagyobb léptékű energiatárolás. Az akkumulátor meghatározó tényezői közé tartozik, hogy hányszor tölthető újra, mekkora a leadott áramerősség, valamint lényeges szempont a fajlagos kapacitása, fajlagos energiája és energiasűrűsége, vagyis az akkumulátor összes töltése és energiája a tömegéhez, illetve a térfogatához viszonyítva – részletezte. Az egyetemi tanár megjegyezte, a mobil eszközöknél ez különösen fontos kényelmi mérce, nem mindegy ugyanis, hogy például egy autóban mekkora tömegű akkumulátor van.

– A legrégebbiek és legismertebbek a főként gépkocsikban használt savas, ólom akkumulátorok, amelyek főleg a jármű beindításért felelősek, mivel rövid idő alatt adnak le nagy teljesítményt. Ezek kevésbé alkalmasak villanyautók meghajtására.

Kéki Sándor ezt egy elrettentő példával szemléltette: ha Debrecenből Budapestre szeretnénk eljutni úgy, hogy ezen hagyományos akkumulátorok energiáját használjuk, egy átlagos súlyú személygépkocsi esetén közel 1400 kilogramm tömegű akkumulátorra lenne szükség, nem beszélve a méretéről. Ez természetesen nem gazdaságos, mivel a plusz teher cipelését is az akkumulátornak kell kitermelnie. Ennek ellenére a villanyautók „őskorában”, a kilencvenes évek végén próbálkoztak vele, ám ez a megoldás nem terjedt el.

A tanszékvezetőtől megtudtuk, a következő mérföldkő az akkumulátorok történetében a nikkel-kadmium akkumulátorok megjelenése volt. Ezt a típust eredetileg már az 1800-as évek végén kifejlesztették, azonban használatuk csak az 1980-as években terjedt el, főleg hordozható magnókban, fényképezőképekben használták ezeket az elem méretű újratölthető akkumulátorokat. A gond azonban az volt, hogy a kadmium egy erősen mérgező és környezetvédelmi szempontból veszélyes anyag, ezért az Európai Unió 2011-ben betiltotta forgalomba hozatalukat.

– Ezzel párhuzamosan már megjelentek a kadmium nélküli, nikkel-fémhidrid akkumulátorok, melyekben a kadmiumot hidrogén-megkötő ötvözetekre cserélték. Ezek a jobb teljesítményt nyújtó akkumulátorok még mindig nem voltak elegendőek a villanyautókhoz, azonban például a laptopokban előszeretettel alkalmazták, mivel sokkal kisebb súlyt kellett cipelni elődeinél. Emellett a hibrid autókban is ezt használták – magyarázta Kéki Sándor.

Kifejtette, a lítiumion-akkumulátorok kereskedelmi forgalomban 1991-ben jelentek meg, az egyik, hordozható videókamerákat is gyártó világcég kezdte el alkalmazni. A nikkel-fémhidridhez képest jelentősen megnövelték a fajlagos energiáját, így hosszabb családi események, kirándulások felvételére is tökéletesen alkalmas volt. Ráadásul ezek már akár többezer újratöltésre is alkalmasak voltak.

Bármilyen meglepő, de a lítiumot tartalmazó energiatároló rendszerekkel kapcsolatos kísérletek már az 1910-es években megkezdődtek, ám az alapvető probléma az volt, hogy a lítium rendkívül reaktív elem, így nehezen kezelhető volt a rendszer. Ezt a problémát Stanley Whittingham és John Goodenough eredményeit továbbfejlesztve a hetvenes-nyolcvanas években Akira Yoshino oldotta meg. A japán tudós rájött, hogy amennyiben grafitot alkalmaz anódként (eredetileg petrolkokszot), a lítiumatomok beékelődnek a grafit rétegei közé, miközben a lítium így „megszelídülve” elektrokémiailag aktív marad

– közölte.

Rávilágított, a lítiumionos rendszerek fejlődéséhez számos megoldás hozzájárult az évek során. Így a kobalt mellett nikkelt, mangánt és alumíniumot kezdtek alkalmazni, amelyek arányát változtatva javították az akkumulátorok tulajdonságait.

A közeljövővel kapcsolatban előrevetítette, megvalósítható megoldás lehet a lítiumkén-akkumulátor, mely egyelőre laboratóriumi kísérleti stádiumban van. Jó eséllyel megduplázhatja a jelenlegi legnagyobb fajlagos energiát, hiszen a cél az, hogy minél hosszabb távot tudjon megtenni egy autó. Valamint – ha nem bizonyul zsákutcának – a következő generáció a lítiumoxigén-akkumulátor lehet. Ez megközelítőleg két-három évtized múlva kerülhet forgalomba. Az akkumulátoroknál ugyanis számos kémiai problémát kell megoldani, ráadásul a gyártástechnológiának megvan a maga szabályrendszere: ha az összetett laboratóriumi kísérletek sikeresek, a következő fázisban léptéknövelésekkel vizsgálják újra a folyamatokat, hiszen nagyobb tömegben megváltozhatnak azok jellemzői, így felbukkanhat egy másik, nem várt probléma. Ugyanis például a felület és a térfogat aránya jelentősen befolyásolhatja a reakciók lefolyását.

– Ezzel párhuzamosan léteznek alternatív megoldások, amelyek célja, hogy más anyagokat felhasználva eltérő kémián alapuló akkumulátorokat hozzanak létre. A ritka előfordulású lítiumon kívül léteznek gyakrabban előforduló fémek, ilyen például a cink. A Debreceni Egyetem Természettudományi és Technológiai Kar Alkalmazott Kémiai Tanszéke a Tématerületi Kiválóság Program keretein belül laboratóriumi körülmények között létrehozott egy cink-levegő alapú rendszert, mely vizes bázison alapul, tehát nincs benne éghető oldószer. A másik összetevője pedig az oxigén, ami Debrecenben ugyanúgy megtalálható, mint például Győrben – vázolta fel Kéki Sándor.

Az egyetem cink-levegő alapú akkumulátoráról számos hazai és nemzetközi tudományos cikk született, valamint szabadalmi oltalmi bejelentést adtak be rá. A laboratóriumi kísérletek során egy kisebb cellával dolgoztak a kutatók. Egy egyetemi pályázat keretében a léptéknövelés lesz a következő állomás, így előállíthatják a prototípust is.

Habár a cink-levegő akkumulátor az elektromobilitás területén is alkalmazható, azonban nagy szerepe lehet hálózatra kötött energiatárolóként is, például egy akkumulátorfarmon vagy okosotthonban, ahol kevésbé számít az akkumulátor fajlagos energiája és energiasűrűsége. Egy adott helyszínen ugyanis nem sokat számít, ha némileg nehezebb vagy nagyobb az energiatároló rendszer.

A gyakorlati alkalmazására ugyan még várni kell, azonban a tanszék kutatóinak köszönhetően a későbbiekben a cink-levegő akkumulátor alternatív megoldást jelenthet az elektrokémiai energiatároló rendszerek körében.