Hírek

Egy modern autó használatához nem kellenek különösebb műszaki ismeretek, de az elektromos autók behoztak új fogalmakat és szakkifejezéseket, amelyek jelentésével jobb tisztában lenni. Segítünk.

Több mint egy évszázada működik a legtöbb jármű kőolajalapú üzemanyagokkal. A folyékony üzemanyagok könnyen szállíthatók, gyorsan tankolhatók és fontos előnyük, hogy az elégetésükhöz szükséges levegőt nem kell tartályba sűrítve magunkkal vinni. Ráadásul a benzinben és a gázolajban bődületes energia összpontosul. Egy literjükben nagyjából annyi energia van, mint a villanyautók 70 kilogrammnyi akkumulátorában. Ezt azonban érdemes rögtön korrigálni, mert a villanymotorok hatásfoka lényegesen jobb, mint a belső égésű motoroké, de még ezzel a faktorral kalkulálva is nagyjából 30 kilogrammnyi lítiumion-akkumulátor tartalmaz annyi energiát, mint egy liter 95-ös.

A gázolajban, amely sűrűbb és nehezebb a benzinnél, körülbelül 16 százalékkal még több az energia.

De a klímaváltozás és a szélsőséges időjárási események szaporodása miatt a világ fejlettebb területein határozott szándékká vált az áttérés elektromos hajtásra. Ennek eszköze jelen tudásunk szerint nem a hidrogén-üzemanyagcellás villanyautó lesz, hanem az akkumulátoros elektromos autó vagy BEV (Battery Electric Vehicle), akkumulátorban tárolt elektromos energiával. Az akkumulátoros villanyautók túlsúlyán és hatótávkorlátain jobb energiasűrűségű akkumulátorokkal javíthatunk. Elvárás az is, hogy a telep minél kevésbé szenvedjen memóriaeffektustól, tehát minél kevésbé rontsa a kapacitását és az élettartamát, ha töltésekor nem figyelünk az akkumulátor igényeire. Továbbá legyen jelentős élettartamú, nagyipari méretekben gyártható, biztonságos és persze viszonylag megfizethető.

Európában a legtöbb elektromos autó nikkel-mangán-kobalt akkumulátorral működik. Az NMC-akkuk rövidítése az angol nickel-manganese-cobalt szavakból ered, amely fémek a pozitív elektróda, a katód alapanyagai. Egészen pontosan lítium-nikkel-mangán-kobalt-oxidok alkotják a katódot. Az akkumulátorban az autó használata közben a negatív pólusról, az anódról vándorolnak az ionok a pozitívra, a katódra, ilyenkor merül az akku. Töltéskor fordított az irány, a katódról, a pozitív elektródáról vándorolnak vissza a töltéssel rendelkező ionok az anódra, a negatív elektródára.

A NMC-kémiájú akkumulátorok fő előnye a lítium-vasfoszfát akkumulátoroknál nagyobb energiasűrűség, tehát ugyanakkora akkuban több energiát tudunk tárolni, amivel az autó messzebbre jut. A kedvező hatótávon kívül az NMC-akkuk előnye a gyors tölthetőség, a töltési sebességük hideg időben nem romlik annyit, mint a lítium-vasfoszfát akkuké. Amiben viszont az NMC-akkuk az LFP-kémiájúak mögé szorulnak, az a költségszint és a stabilitás, az akkumulátor kigyulladásának esélye ütközéskor. De az akkumulátorok védőrendszerei és erős fémváza miatt sokkal kisebb rá az esély, hogy egy elektromos autó lángot fogjon, mint egy belső égésű motoros autó, amit az autótűz-statisztikák világszerte igazolnak.

Egyre több újonnan bevezetett elektromos autóban találkozhatunk lítium-vasfoszfát akkumulátorral, elsősorban a kínai márkáknál. A névadó a LiFePO4 vegyjelű anyag, amely a katód, a pozitív elektróda anyaga. A lítium-vasfoszfát akkumulátor tulajdonságai jó kompromisszumot jelentenek a különféle akkutípusok között, tehát előnyei és hátrányai is vannak az igen elterjedt NMC-akkuval összehasonlítva.

Elsődleges pozitív vonásuk a kedvező gyártási költség, tehát jóval olcsóbbak, mint az NMC-akkuk.

Az előny nagyrészt abból fakad, hogy a katód alapanyagai sokkal kevesebbe kerülnek, mint a nikkel-mangán-kobalt akkucellákban a nagyon drágán bányászott fémek, elsősorban a kobalt. Fajsúlyos előny még a lítium-vasfoszfát akkucellák stabilitása, gyakorlatilag elhanyagolható a tűzveszélyük, valamint a kiemelkedő, akár 10 ezer körüli ciklusszám. Egy LFP-akkumulátor nagyságrendileg háromszor-ötször annyiszor tölthető fel és meríthető le a cserét kikényszerítő kapacitásvesztésig, mint egy NMC-akkumulátor.

Vannak azonban hátrányai is a lítium-vasfoszfát akkumulátoroknak. Az egyik az NMC-kémiájú akkuknál kisebb energiatároló képesség, az alacsonyabb energiasűrűség, amit az egyes cellák kisebb, 3,7-4,2 helyett 3,0-3,3 volt közötti cellafeszültsége okoz. Ebből fakadóan azonos térfogatú és tömegű NMC-akkuval nagyobb hatótáv érhető el, mint lítium-vasfoszfát akkumulátort használva. A másik fő hátrány télen jelentkezik: hidegben a töltésük jobban lelassul, mint a nikkel-mangán-kobalt akkumulátoroké, tehát hosszabb ideig vagyunk kénytelenek várni az autó feltöltésére egyenáramú villámtöltőn.

Szilárdtest-akkumulátorról hallva sok mindenre asszociálhatunk, de ennek az akkutípusnak nem a háza merevebb, nem az anyagai erősebbek, hanem a folyékony elektrolitot váltja ki benne a szilárd elektrolit. A villanyautók akkumulátorában a pozitív pólus, a katód és a negatív pólus, az anód között van egy elválasztó vagy szeparátor fólia, ami megakadályozza, hogy a két pólus egymáshoz érjen és rövidzárlat keletkezzék. Ez a fólia képes átereszteni a töltéssel rendelkező ionokat, hogy az akku merítésével hajthassuk a villanyautót vagy feltölthessük az akkumulátort.

A folyamathoz szükség van az ionokat jól vezető közegre, ami a folyékony elektrolit. Csakhogy az elektrolit éghető anyag, lelkesen lángol.

Ha erős töltéskor a lítiumionok nem jutnak át az anód felületén és nem nyelődnek el az elektródában, akkor ezekből a lítiumionokból apró tüskék, úgynevezett dendritek képződnek az anód felületén. Hiába választja el a fólia a két pólust, a tüskék miatt apró szikrák keletkezhetnek, ami képes lehet meggyújtani az elektrolitot. Ebből alakulhat ki az angolul thermal runaway-nek hívott tűzfolyamat a nagyfeszültségű akkumulátorban, amikor az egyik cella lángra kap, a hőtől elolvad a fólia, a tűz átterjed újabb cellákra, aztán az egész akkupakk lángol. Ilyenkor az autó is menthetetlen, jó esetben a tűzoltók képesek vízzel töltött konténerbe meríteni a tűz elfojtására.

A dendritképződés és ezzel a tűzveszély még sokkal erősebb lenne, ha a negatív elektródát nem grafitból, hanem fémből, például lítiumból készítjük. Viszont a fém anódon körülbelül 8-szor annyi iont, 8-szor annyi töltést tárolhatnánk, mint a grafitból valón, ami sokkal nagyobb hatótávot vagy sokkal könnyebb akkukat ígérne. Kár, hogy egy tiszta fém lítiumanóddal az akku gyorsan elégne.

De ha a folyékony elektrolitot sikerülne szilárd anyagú elektrolitra cserélni, akkor a két akkupólus között adott volna az ionokat vezető anyag, ami szilárdsága miatt egyben az anódot és a katódot elválasztó szeparátorfólia szerepét is betöltené. A szilárd elektrolitot nem tudnák átdöfni az anódon képződő iontüskék, a dendritek, ami sokkal biztonságosabbá tenné ezeket az akkumulátorokat. A szilárdtest-akkumulátor fő előnye tehát a sokkal biztonságosabb működés.

Előnyös benne a nagyobb energiasűrűség, illetve az ebből fakadó kisebb akkutömeg vagy nagyobb hatótáv is, de ez épp a biztonságból fakad.

A tűzveszély mérséklésével olyan anódanyagokat is használhatunk, amelyekkel az akku sokkal több töltést képes tárolni, mint grafitból készülő negatív elektródával. Ettől olyan ígéretes a szilárdtest-akkumulátor.

Sajnos a laborokban kiváló biztonságot és remek energiasűrűséget, tehát jobb hatótávot és/vagy kisebb akkutömeget ígérő szilárdtest-akkumulátorokat nagyipari méretekben, autós használatra még nemigen sikerült megvalósítani. A Toyota a 2020-as tokiói olimpiára tervezte bemutatását, de cikkünk írásakor egyedül a kínai Nio használja sorozatgyártású elektromos autóban, ez azonban inkább félszilárd elektrolitos akku és a valóban nagyszériás gyártástól is messze vannak a darabszámai. A gond az, hogy a laborban ígéretesen funkcionáló akkumulátor személyautóba beépítve már nem válik be annyira. A helyszűke miatt és a nagy akkukapacitás érdekében szorosra feltekercselve kell működnie, ráadásul az autó hajtásakor és villámtöltésekor bődületes áramok folynak. Ez adekvát melegedéssel jár, csakhogy az eltérő anyagú anód és a katód hőtágulása nem egyforma, amitől az akkumulátor delaminálódhat. Vélhetően az autóipari szilárdtest-akkuk megvalósulása még 3-6 évbe telhet, és könnyen lehet, hogy először félszilárd elektrolitos akkumulátorokkal találkozunk a valóban szilárd elektrolitos, angolul solid state battery, németül Feststoffakku vagy Festkörperbatterie elterjedéséig.

Jellemzően 8 év vagy 160 000 kilométer a villanyautók akkumulátorának garanciaideje, amit az autógyártóknak vállalnia kell. Az Európai Unió előírásainak értelmében a gyártó azt szavatolja a jótállással, hogy az adott táv megtétele vagy idő eltelte alatt az akkumulátor kapacitása nem csökken az új kori szint 70 százaléka alá.

Ehhez azonban meg kell tudni állapítani az új kori névleges kapacitáson kívül az akkumulátor aktuális energiatároló képességét is. Az új autó akkumulátorának energiatároló képessége a 100 százalékos SOH, ami az évek múlásával valamelyest csökken.

Az akkumulátor kapacitáscsökkenése vagy degradációja természetes folyamat, ennek hatásaként egy picit kisebb távolságokat tudunk megtenni két töltés között. A valóságban a kapacitásvesztés több év után válik érzékelhetővé, és jellemzően jóval csekélyebb annál, amit a törvényi előírás engedélyez.

Az európai uniós szabályozás értelmében, ha a garanciális perióduson belül az akkumulátor egészségi mutatója, a State of Health vagy SOH 70 százalék alá menne, akkor kell az autógyártónak az akkumulátort javítania (többnyire modulok cseréjével) vagy teljes egységként kicserélnie.

A használt autóakkumulátor tovább élhet energiatároló rendszerek részeként. Az SOH többnyire a teljes akkupakkra vonatkoztatva használjuk, de értelmezhető az egyes cellákra is. Fontos, hogy az SOH nem keverendő össze az SOC kifejezéssel, ami a State Of Charge rövidítése és az akkumulátor aktuális töltöttségét jelenti. Az akkumulátorcellák egészségi állapotának kiolvasására, tehát a tényleges kapacitás ellenőrzésére a CarNet márkaszervizeit ajánljuk.