Villanyautós sorozatunk előző részében áttekintettük, hogy milyen műszaki megoldásokkal és tervezési, méretezési trükkökkel éri el a Peugeot, hogy villanyautói a leghatékonyabbak között legyenek. Mostani epizódunk pedig azt tárja fel, milyen fejlesztésekre és áttörésre számíthatunk a közeli jövőben az elektromos autózás világában.

Hatótáv, ár, tömeg és töltési idő – a villanyautós fejlesztések túlnyomó része e négy témára fókuszál, hiszen áttörést e területeken kell elérni ahhoz, hogy az elektromos átállás felgyorsuljon.

A mai villanyautókban jellemzően lítium-ion akkumulátor tárolja az elektromos energiát. A lítium mellett ezekben az akkupakkokban van még több kritikus elem is, például kobalt, nikkel és grafit, de található bennük alumínium és mangán is. Noha ezek a kombinációk fokozzák az akkupakk hatékonyságát és teljesítményét, az igazi forradalmat ne a lítium-ion akksitól várjuk. Már csak azért se, mert a villanyautózás melletti legfőbb érv az emisszió csökkentése, de e tekintetben a lítium nem áll jól: egy tonna lítium kitermelése 15 tonna széndioxid-kibocsátással jár.

A nagyfeszültségű akkumulátor a villanyautók legnagyobb, legnehezebb, legdrágább és legfontosabb alkotóeleme. Minden fejlesztése exponenciális előnyöket hozhat, a mérnökök ezért igyekeznek alternatív megoldásokkal helyettesíteni a jelenleg alkalmazott technológiát – a kérdés csak az, hogy melyek legyenek ezek?

A kompakt energiahordozó egységek (magyarul elemek és akkumulátorok) évtizedeken át szolgálták szürkén, láthatatlanul az emberiséget. Senkit nem érdekelt a belső felépítésük, a lényeg az volt, hogy szóljon a rádió, világítson a zseblámpa – és persze beinduljon az autó. Változást ezen a téren a hordozható elektronikai eszközök megjelenése hozott. Hirtelen már nem volt elég a klasszikus góliátelemben, jobb esetben újratölthető ceruzaelemben tárolt energiamennyiség. A laptopipar és a mobiltelefónia külön-külön is nagy hatással volt a modern, nagy energiasűrűségű, gyorsan tölthető és biztonságos akkumulátorok fejlődésére, a robbanásszerű változást azonban a kettő ötvözése: azaz az okostelefonok megjelenése idézte elő. Amit pedig itt kicsiben megvalósítottak a mérnökök, azt a tudást és technológiát ültették aztán át az autóiparba, az előnyöket éppúgy, mint a hátrányokat.

Az elmúlt harminc év a lítium-ion akkumulátorok diadalmas felemelkedéséről szólt – megérdemelten, hiszen könnyűek, nagy az energiasűrűségük, és egész élettartamukra vetítve viszonylag alacsony költséggel gyárthatók. Ennek az aranykornak azonban lassan vége. Egyrészt, mert a technológia kezdi kimeríteni a benne lévő potenciált – ellenben, ha például sikerülne kidolgozni egy gyártási eljárást arra, hogy a lítiumot ionok helyett fémes állapotában használják fel az anód és a katód gyártására, meg lehetne sokszorozni az akkumulátorok töltésmegtartó képességét (kapacitását.) Másrészt, és ez a nagyobb probléma, mert a gyártásukhoz szükséges anyagok – elsősorban a lítium és a kobalt – készletei végesek, kitermelésük költséges és az alkalmazott eljárástól függően környezetkárosító hatású. A terület vezető szakértői ezért évek óta kísérleteznek az ismert alkotóelemek (a katódok gyártására szolgáló különböző fémoxidok, az anódhoz használt szénvegyületek és az ionok ezek közötti vándorlását lehetővé tevő elektrolitok) alternatív anyagokkal történő kiváltására.

A lítium-nikkel-mangán-kobalt oxid (NMC) akkumulátorok legnagyobb jelenlegi kihívója a lítium-vasfoszfát (LFP) technológia – olyannyira, hogy az új generációs akkumulátorok jelentős része már eleve ezt a kémiai összetételt alkalmazza. Az LFP akkumulátorok tartósak, viszonylag olcsón gyárthatók, és jól terhelhetők, teljesítményleadásuk és hatótávolságuk azonban elmarad az NMC technológiáétól. A jelenlegi gyakorlat szerint a drága, erős, gyors villanyautókba az utóbbit, a szélesebb körben megvásárolhatónak tervezett elektromos járművekbe az előbbit építik be a gyártók.

A helyzet akkor kezd igazán izgalmassá válni, amikor a lítium kiváltására keresünk megoldást. Alkalmas például erre a nátrium. Ez az utóbbi évek egyik legfontosabb felismerése: a nátrium ugyanis bőségesen rendelkezésre áll, ezért olcsón és problémamentesen beszerezhető. Ugyanez igaz a katódok gyártásánál alkalmazott többi fémre: a vasra, mangánra, titánra és vanádiumra, amelyek logisztikai szempontból kevésbé problémásak, mint például a Li-Ion technológiában alkalmazott kobalt. Ugyanakkor energiasűrűségük alacsonyabb: legfejlettebb verzióik „majdnem elérik” a manapság legáltalánosabban alkalmazott lítium-vasfoszfát (LFP) akkumulátorokét. A szakértők azonban ezzel együtt is egyetértenek abban, hogy már középtávon jelentős piacot nyerhetnek maguknak az autóiparban a Na-Ion akkumulátorok. Különösen akkor, ha megoldást találnak a lítium-ion akkumulátorokkal rokon problémára: a szerves anyagokat tartalmazó elektrolitból adódó túlmelegedési és gyulladási hajlamra, amely komoly biztonsági rendszerek beépítését követeli meg, azaz extra költséget és tömeget jelent.

A cink-ion akkumulátor ezzel szemben vízalapú elektrolitot alkalmaz, ami potenciálisan biztonságosabbá teszi ezeknél. Energiasűrűsége jelentősen nagyobb, élettartama optimális esetben elérheti a 15-20 évet, viszont nehéz és költséges, töltési ciklusának hatásfoka pedig nem jobb, mint a most alkalmazott megoldásoké. Későbbi fejlesztések ugyanakkor ezt is versenyképessé tehetik majd, ha nem is feltétlenül a személyautók piacán.

Sehol nincs persze megírva, hogy a katódot kötelező fémionból előállítani. Sőt: a dupla szénelektródás akkumulátorokkal folytatott kísérletek rendkívül ígéretesek. Nagyobb energiasűrűség, hosszabb elméleti élettartam, gyorsabb (akár a szuperkapacitású kondenzátorokkal megegyező sebességű) tölthetőség, magasabb szintű biztonság és számottevően olcsóbb nyersanyagok jellemzik a technológiát. A nyersanyag jellegéből adódóan megújuló forrásokból (pl. papíripari hulladékból vagy akár növényi rostokból) is előállítható. Nem mellékes, hogy ugyanazokon a gyártósorokon előállítható, mint a lítium-ion akkuk – ez fontos, mivel így nem vesznének kárba a Li-Ion akkumulátorok gyártására eddig fordított, gigantikus beruházások. Környezetbarát, olcsó és könnyű akkumulátorokat lehet ezzel a technológiával előállítani, ráadásul az akkumulátorgyártás geopolitikai vonzatait is kivenné az egyenletből. A technológia már létezik, de elérhetősége igen korlátozott, autóipari felhasználására egyelőre nincsenek példák.

Az igazi áttörést sokan nem az akkumulátorok evolúciós fejlesztésétől, hanem forradalmi újdonságoktól várják. Sokan az energiatárolás Szent Gráljaként emlegetik például a szilárdtest- (pontosabb nevén szilárd vagy félszilárd elektrolitos) akkumulátort. Nem csak azért, mert számos lényeges paraméterében rendkívül kedvező tulajdonságokkal bír – nagy energiasűrűségű, gyorsan tölthető, gyakorlatilag tűzálló, biztonságos, könnyű –, hanem azért is, mert ezen különleges jellemzői miatt speciális gyártástechnológiát igényel, és ezzel korábban ismeretlen kihívások elé állítja a fejlesztőket. A szilárdtest-akkumulátorok lényege, hogy kiküszöbölik azokat a vegyi folyamatokat, amelyek a hagyományos, folyékony elektrolitos akkumulátorokban hosszabb-rövidebb idő alatt megváltoztatják az elektródák jellemzőit, és ezáltal az akkumulátor energiatároló kapacitását.

A szilárdtest-akkumulátorok megvalósításáért folyó versenyben a Peugeot anyagvállalata, a Stellantis is ott lohol az élbolyban. A Factorial Energy vállalattal közösen kifejlesztett rendszerük autóipari felhasználásra méretezett prototípusa 375 Wh/kg (azaz igen magas) energiasűrűséget, 18 perces villámtöltést (15-ről 90%-ra), valamint kiváló környezeti kompatibilitást kínál: +45°C-os hőségtől akár mínusz 30°C-os hidegig problémamentesen üzemel, tehát sokkal kevésbé érzékeny a hőmérsékleti szélsőségekre, mint a mai lítium-ion akkumulátorok. A Stellantis már akár 2026-ban megkezdheti a technológia nagy léptékű tesztelését, ám azt, hogy innen mennyi idő telik majd el, mire megvalósul a szériajárművekbe beépíthető, gazdaságosan sorozatgyártásba vehető szilárdtest-akkumulátor, nehéz megjósolni.

Ha pedig még tovább tekintünk a jövőbe, talán a folyadékáramos akkumulátorok jelentik majd az energiatárolás következő szintjét. Ezek teljesen más elven működnek, mint a ma ismert akkumulátorok: két, membránnal elválasztott kamrából állnak, amelyeket eltérő összetételű elektrolittal töltenek fel. A technológia élettartama gyakorlatilag végtelen, a tartós kisütöttség sem károsítja, feltölteni pedig vagy a hagyományos módon lehet, vagy az elhasználódott elektrolit cseréjével – azaz, amikor majd sikerül autóipari felhasználásra alkalmas méretre lekicsinyíteni a rendszert (a jelenlegi, háztartási folyadékáramos akkumulátorok akkorák, mint egy hűtőszekrény), gyakorlatilag tankolni fogjuk az akkut, nem tölteni.

A folyadékáramos akkumulátor egy másik, nagyon fontos szerepet is betölt: rávilágít, hogy az energiatárolás terén nem beszélhetünk abszolút igazságokban. Amit ma tényként fogadunk el, talán épp most cáfolja meg egy egyetemi kutatócsoport a világ egy másik pontján, és amitől áttörést várunk, elképzelhető, hogy évek múlva sem áll készen a sorozatgyártásra. Egy dolog látszik csupán állandónak: a beszállítók és az autógyártók kitartó igyekezete, hogy minél optimálisabb megoldásokat dolgozhassanak ki ugyanarra a problémára: az elektromos mobilitásra.