Lítiumion-akkumulátorok ma
2010-ben a csődközeli Tesla úgy küzdött pár száz kézimunkával átalakított Lotus Elise elpasszolásáért Roadster néven, hogy a visszahúzódó hajkoronájú Elon Musk kis híján maradék sörényétől is megszabadult, tavaly aztán oly könnyedén ment el a gyártósori újításokon átesett S3XY modellkínálatból félmillió, hogy Elon haja besűrűsödött, a Tesla piaci kapitalizációja pedig megcélozta az egybillió dollárt. Akik évek óta short pozícióban várják a Tesla lufi kipukkanását és a tavaszi szellőt, hogy Musk beültetett tincseit elfújja, 40 milliárd dollárt veszítettek abban a 2020-ban, amikor a villanyautó márka 31,5 milliárd dollár árbevételt és 6,6 milliárd dollár nyereséget termelt világjárvánnyal, bezárt gyárakkal és megroppant autóipari kereslettel. Elkerülte a kritikus figyelmét, hogy a Teslának nem csak fanatikus rajongótábora nagy (amely az üveggolyóval lezúzott, brutalista Cybertruckból csak azért előjegyzett 600 ezret, „mert Elon”), hanem a gazdasági-környezetpolitikai támogatóköre is Joe Bidentől kezdve Kínán át az EU-ig, az EV-s hatalomátvétel meggyorsítására.
Elon Musk Tesla Roadsterében, amit azóta kilőtt a világűrbe (forrás: BusinessInsider) [+]
Cikkünk arra kíván rávilágítani, hogy a márka és az egész villanyautó műfaj sikere mennyire függ a dizájnon és a specifikáción túl az akkumulátortechnológiáktól és a cellagyártáshoz szükséges nyersanyagoktól, és bár mifelénk még kevés Tesla fogy, készül a márka a hazai szervizközponttal és hivatalos jelenléttel, ergo releváns márka. Végül pedig Musk cége éppúgy úttörő az átalakuló autópiacon, mint Steve Jobs Apple-je volt az iPhone felfutásakor sok egyszerű teló és PDA között, és ott is a szorgosan épített ökoszisztéma volt a siker kulcsa. Előnyoldalon a Tesla piacvezető hatótávot és gyorstöltő hálózatot kínál, hogy több napnyi városi gurulásra elég töltöttség kerüljön a verdába egy BoJack Horseman epizód megtekintése vagy némi Witcher III szörnyirtás során.
A 2021-es Model S Plaid, amely 2,1 mp alatt van 100-on (forrás: Tesla) [+]
Ott van aztán az elképesztő gyorsulás a nyuggervariánsok esetében is, a Model S Plaid meg 2,1 mp alatt ugrik 100 km/h-ra. Az autopilóta a sztrádán könnyíti a vezetést, a belső bétánál tartó teljes önvezetés pedig idővel mindenféle sofőr jellegű beavatkozástól megszabadulna. A vezetékmentes frissítésekkel javuló hatótáv, az évek után is befutó szoftverfunkciók, a fingó mód, a kígyó dzsessz és sok helyütt olyan jól kiépített Supercharger hálózat, hogy kontinentális túrára lehet menni töltés para nélkül, zéró lokális kibocsátással út közben meggyőzték a világot, hogy életképes a villanyautó, így boldog-boldogtalan ilyen négykerekűt épít.
Elon Musk a megzúzott Cybertruck előtt (forrás: Sky News) [+]
2030-ra Musk húszmillió Tesla legyártásával számol, úgyhogy EV piacvezetőként azért is érdemes foglalkozni a márkával, mert Musk nagy hatalmához nagy felelősség jár, hogy ne csak kényelmi és sebességbeli, hanem fenntarthatósági és kibocsátási oldaláról is kijelölje a műfaj számára az utat. Ebben pedig kulcs az elektromobilitás évtizedében a környezettudatos akkumulátor fejlesztés és újrahasznosítás, hiszen villanyosítani kívánják a tehergépjárműveket és a tömegközlekedési eszközöket is. Az átálláshoz nem csak nagy energiasűrűségű és olcsó, hanem rendkívül hosszú ciklusélettartamú akkumulátorcellák is kellenek – illetve sok millió tonna nyersanyag, amiből előállítáják, szóval komplex az akkuképlet, amit a Tesla szemszögén kereszül igyekszünk darabjaira szedni, egy kis előtörténettel.
Első fecske: a General Motors EV1 1997-ből (forrás: Wikipedia) [+]
A General Motors 25 éve befuccsolt és bezúzott EV1 villanyautójának savas ólomakkumulátora minden volt, csak környezetkímélő és hosszú hatótávú nem, jöttek aztán nikkel-metál-hidrid ionos próbálkozások, ám az igazi áttörést a magasabb energiasűrűségű lítiumionos megoldások jelentették. Ez összefoglaló név igen sokrétű cella összetételre, úgyhogy alapozzunk egy kicsit. Egy akkumulátorcellában lítiumionok tárolják a töltést, és ezek mozognak a negatív töltésű elektróda, vagyis az anód felől a pozitív katód felé a folyékony elektroliton és szeparátoron keresztül.
Hagyományos, hengeralakú cella anóddal, katóddal, szeparátorral és kivezető fülekkel (forrás: Tesla) [+]
A folyamattal elektrokémiai potenciál áll elő, amitől megindul az elektronok vándorlása, és a fémfólián majd a kivezető fülön kijutva máris ellátják a kapcsolódó eszközt energiával. A telep töltésekor értelemszerűen ellentétes irányban mozognak az elektronok és a lítiumionok. A töltési/kisütési ciklusszám ugyanakkor véges, a folyékony elektrolitban idővel ugyanis tüskeszerű dendritek keletkeznek, amelyek növelik a belső ellenállást, csökkentik a kapacitást, és ha túl nagyra nőnek, az anód és a katód között rövidzárlatot és tüzet okozhatnak – ezért szokás a villanyautók pakkját 20% kapacitásvesztés után lecserélni.
A 2016-os Model S akkumulátorpakkja, modulokba rendezve (forrás: Electrek) [+]
A Tesla által bevetett akkumulátorok grafitalapú anódot használnak, némi szilícium doppingolással mostanság. Katódból sokféle kombináció létezik domináns fém szerint: a mangán vagy vas-foszfát alapúak olcsóbbak és alacsonyabb energiasűrűséget biztosítanak, a magas nikkeltartamúak drágábbak és nagyobb hatótávú akkupakkokhoz elengedhetetlenek – az utóbbiakhoz szokás némi kobaltot keverni a magasabb cellabiztonságért, ám ennek afrikai bányászata etikai aggályokba ütközik. Az elmúlt évtizedben mindenesetre annyira demokratizálódott a lítiumion telep, hogy 1 kilowattóra tárolókapacitás előállítása 1100 dolláról nagyjából 100 dollár környékére zuhant, viszont a görbe ellaposodott, és új fejlesztések kellenek a további zuhanáshoz.
A Model 3 kevesebb modult használó akkupakkja (forrás: Teslarati) [+]
A fajlagos energiasűrűség ezzel párhuzamosan megugrott: a Tesla főpartnere a nevadai Gigafactory gyárban, a Panasonic lassan megközelíti 300 Wh/kg-ot cellaszinten, a Model S és X-be 18 mm átmérőjű és 65 mm magas hengeres cellákat, a Model 3-ba és Y-ba pedig 21/70 millimétereset pakolva. Ehhez csatlakozik idén a Tesla 46/80 mm formátumú cellája számos újítással, ezt később részletezzük. A kínai CATL vas-foszfát cellákkal száll be az olcsóbb sanghaji modellek ellátásába, magas nikkeltartalmú akkuvariánsa pedig állítólag átlépte a 300 Wh/kg-os határt, míg a Nio pedig részben folyékony, részben szilárd elektrolitos cellája 2022 végére ígér 360 Wh/kg-ot – a kínaiak egyébként nagyon erős pozícióban vannak az akkumulátorgyártás minden fázisában. Belátható, hogy nagyobb energiasűrűségű telepből, azonos hatótávhoz elég kisebbet az autóba pakolni, melynek javulnak a menettulajdonságai, avagy ugyanakkora akkupakkot beépítve nagyobb energiasűrűséggel megnő a hatótáv, és a Teslák évről-évre előre lépnek a dologban. A Model S Plaid+ variánsa például 840 km-t ígér 4680-as celláival az év második felében befutva, a később érkező Roadster és a Nio hibrid elektrolitos ET7 szedánja pedig 1000 km-t.
(forrás: Wccftech) A Nio ET7, amely idővel 1000 km hatótávú akkumulátorral is elérhető lesz [+]
Az energiasűrűség tovább növelésén kismillió vállalat és labor dolgozik lítium-metál, lítium-levegő és a szilárd elektrolitos technológiákkal, megnyitva az utat a teljesen vagy részben elektromos hajtású vízi és légi járművek előtt, de sok problémát meg kell még oldani az anód, a ciklusélettartam és a megfizethető tömeggyártás oldaláról, így évekre lehet a tömeggyártás. Addig a meglévő technológiákból kell kihozni a maximumot, minél hosszabb élettartammal, de amúgy egy akku karrierje a villanyautós használat végén nem feltétlenül fejeződik be: felhasználható a pakk másodlagos területen, lásd az Óbudai Egyetem villanyautó töltőjét, ahol a napelemek által gyűjtött energiát egy 24 és egy 40 kWh-s, használt terep tárolja, majd adja tovább az odaparkoló járműnek. A Tesla akkumulátoros pozíciója többek között azért erős, mert bár cellákat csak most kezd gyártani, vannak elképzelései az újrahasznosításról, kínál háztartásokba szánt telepet (Powerwall) és megújuló energiájú erőművekhez társított óriás energiatárolót (Megapack), ergo van hosszútávú megoldása a járművekből kiemelt telepek másodlagos felhasználására és a nyersanyagok visszanyerésére.
A Hornsdale szélerőműfarm és Tesla Megapack energiatárolók (forrás: Aurecongroup) [+]
Musk korábban amúgy 480-800 ezer kilométeres életciklusról beszélt a Model 3 akkumulátorai esetében, és a Tesla nyolcéves garanciát vállal a telepre, de azért bőven lehet olvasni arról, hogy a valós életben, extrém hőmérséklet ingadozás és kihajtott járművek esetében jóval hamarabb cikluséletük végére érnek, és akkor lehet cserélni. Több, bár régebbi elemzés ráadásul rámutat: a gyorstöltés a nagyobb hőtermelés és hőtágulás miatt gyorsabb élettartam csökkenéssel jár, márpedig éppoly kényelmes 200 kW-ot felvevő villanyautóval 430 km hatótávot tankolni 20 perc alatt, mint mobiltelefont 120 wattos adapterrel kávézás közben csurig tölteni. Szükség van tehát egy olyan telepre, ami bírja a gyűrődést, és ezt millió mérföldes akkumulátorként szokták emlegetni, elég hozzávetőlegesen. Vannak trükkök persze az érkezésükig az akkukímélésre: a Tesla Supercharger felé haladva például elkezdi a verda a celláit ideális hőmérsékletre hűteni vagy melegíteni évszaktól függően, plusz az EV gyártók nem nagyon engedik a csutkára merítést és nem javasolják a 100%-os töltést, ezzel is kitolva az élettartamot.
A cikk még nem ért véget, kérlek, lapozz!
