Lítium helyett tengeri só

Akár a közeljövőben teljesen megváltozhat az akkumulátor, mely elektromos eszközeinket működteti és többek között az elektromos autózáshoz szükséges energiát tárolja. Egy tudományos áttörésnek köszönhetően - melyet a University of Sydney kutatói kísérleteztek ki - tengeri sót tartalmazó akkumulátort fejlesztettek, mely környezetkímélőbb, jóval olcsóbb és energia tárolási kapacitása is négyszer nagyobb, mint a Lítiummal működő változatnak.

/sites/test_green-car_hu/documents/news/_extra/57/o_sodium-ion-akkumulator-salt-na_20230109152659.jpeg

Dr. Shenlong Zhao, az egyetem vezető kutatója elmondta, hogy a nátrium-kénből (tengervízből kinyert olvasztott só egy fajtája) készült akkumulátor olcsóbb, környezetbarátabb, mint a ritka fémeket tartalmazó akkumulátorok.
„Ugyanakkor ez a felfedezés jelentős előrelépést jelent a megújuló energiahordozók fejlesztése szempontjából, és bár hosszútávon csökkenti a költségeket, de eddig számos pénzügyi akadály állt a piacra lépés útjába.”

Több fronton vívjuk csatáinkat és a hadviselés előrehaladtával kerülnek felszínre pro és kontra tények. Arra gondolok, hogy egy-egy új ötlet, vagy fejlesztés piacra törését sok szempont befolyásolja. Virágkorukat élik az elektromos berendezések. Újabbnál újabb eszközök, kütyük kerülnek napvilágra és az újdonságok között számtalan fejlesztés kap helyet. Törekednek a gyártók minél jobbat gyártani és nagyon fontos szempont az anyagokat a minőségük mellett úgy megválasztani, hogy a végtermék eladható, tömegek számára elérhető legyen. Az elektromos árammal működő hordozható, mobil berendezéseknek az energia tárolására akkumulátorra van szükségük. Nem mindegy, hogy ezek az akkumulátorok - mindamellett, hogy a lehető legkorszerűbbek legyenek - mennyibe kerülnek. Ezen kívül fontos szempont a környezetünket minél kevésbé kizsigerelni. Ezek okán kerülnek napvilágra, vagy éppen végzik, esetleg pihenőjüket töltik egy fiók alján zseniális ötletek.

Most is erről van szó. A bevezetőben említett Nátrium-Ion akkumulátor ötlete már a 70-es, 80-as években előkerült. A fejlesztések szinte párhuzamosan haladtak a Lítium-ion akkumulátorral. Miért végezte a fiókban mégis a Nátrium-ion?

A periódusos rendszerben a lítium alatt helyezkedik el a nátrium. Mindkettő alkáli fém, így nagyon hasonló tulajdonságokkal rendelkeznek. Van azonban egy nagy különbség köztük. A nátrium nagyobb és nehezebb a lítiumnál. Mivel a 80-as években kezdtek elterjedni a hordozható eszközök (videó kamera, walkman, mobiltelefon), melyeknél még fontosabbá vált a méret és a súly, a nagy energiasűrűség mellett. Mivel a lítium atomtömege kisebb a nátriuménál a mérleg nyelve a lítium felé billent, így a nátrium-ion fejlesztések a 80-as évek végére leállt.

/sites/test_green-car_hu/documents/news/_extra/57/o_sodium-period_20230109153103.png

Az 1990-es és 2000-es években az elektromos járművekben is megjelentek a lítium-ion akkumulátorok, hiszen itt is az energiasűrűség, azaz a minél nagyobb hatótávolság fontos szempont. A fejlesztésre szánt források ezért ismét a Lítium-ion akkumulátorok területére áramlott. Nem is maradt el a fejlődés, ugyanis az energiasűrűség meg is duplázódott. (120 Wh/kg-ról 250 Wh/kg lett). Az akkumulátorok élettartama is megnőtt, miközben a költségek a töredékükre csökkentek.

Rohamosan fejlődtek a nap és szélenergiát előállító eszközök, melyek a 2010-es évek elején megteremtették a piaci igényt az olcsó energiatárolásnak, ahol nem volt szempont a méret, vagy a súly, az energiasűrűség. Egy-egy ilyen jellegű és mértékű fejlesztésnek a laboratóriumtól a vásárló közönségig átlagosan 2 évtized kell, hogy az piacképes termék lehessen. A Nátrium-ion mögött ekkor már a 80-as években egy évtizedes fejlesztés állt a háta mögött, melyet 2010 környékén csak elő kellett húzni a fiókból és tovább gondolni. Addigra a lítium-ion körül számtalan szabadalom  volt már bejegyezve, ami megnehezítette egy újonnan létesített kezdő cég berobbanását a piacra. A nátrium-ion esetében ebből a szempontból is szinte szabad volt a pálya.   Több újabb szemléletű fiatal cég tudott így belépni erre a piacra és komoly fejlesztéseket tudtak véghezvinni ezen a területen.

Ennek köszönhetően a Na-ion mára már túljutott a prototípus fázison és egy piackész beszerezhető termék, ha valaki rászánja a pénzt és energiát. Vannak is vállalkozók erre a feladatra, hiszen a francia Tiamat Na-ion cellát fejlesztett és készül az európai gyártásra. Ausztráliában talált gazdára az angol Faradion tasakos cellája és nem utolsó sorban a CATL az idei évre ígérte a tömeggyártás beindítását.

/sites/test_green-car_hu/documents/news/_extra/57/o_sodium-akkumulator-CATL_20230109172805.jpg/sites/test_green-car_hu/documents/news/_extra/57/o_akkumulator-sodium-ion-tiamat_20230109154029.png

Éghajlati változásról, felmelegedésről számolnak be Földünk kutató szakemberei, így egyre fontosabbá válik, hogy átálljunk megújuló energiaforrások használatára. Ilyenek a szél és a Nap energiáját hasznosító energiahordozók. Ezek azonban nem tudnak állandó, mindig egyenletes és megbízható energiát biztosítani, ami azt eredményezi, hogy a megtermelt energiát valamilyen (minél hatékonyabb) módon tárolni kell. Az energia későbbi felhasználását tároló egységekkel (akkumulátorokkal) lehet biztosítani.

Az akkumulátorok többsége ritkaföldfémekből - lítium, kobalt, grafit - készülnek. Az Európai Unió klímasemlegességi céljának eléréséhez 2030-ra a jelenleg használt lítium mennyiségnek a tizennyolcszorosára, 2050-re majd hatvanszorosára lesz szükség. Ezeknek a fémeknek a kitermelése szállítása azonban nem olcsó, ráadásul a kitermelés vízhiányt, a biológiai sokféleség csökkenését, az ökoszisztéma funkciók károsodását és a talaj degradációját eredményezheti. A fémek úgynevezett párologtató tavas kitermeléséhez egy tonna esetén körülbelül 2,2 millió liter vízre van szükség. Így látható, hogy a nagyüzemi bányászat igen költséges. Többek közt ebben jelenthet alternatívát a tengeri só akkumulátor.

Ahogyan az imént említettük az olvadt só akkumulátor technológia nem újkeletű dolog. Már 50 éve ismert. A most megalkotott változat annyiban más, hogy a tudósok megváltoztatták az elektródákat, ezzel javítva a kén - mint a tárolókapacitást meghatározó kulcselem - reaktiválását. Mivel bolygónk felszínét körülbelül 71%-ban víz borítja, aminek 97%-át óceánok alkotják, így a tengeri só nagy mennyiségben áll rendelkezésre. Kiváló alternatíva lehet a jelenleg használt Lítium kiváltására.

 

Mikor nem süt a nap és nem fúj a szél, olyan kiváló minőségű tárolási megoldásokra van szükség amelyek nem, vagy a lehető legkevésbé ártanak Földünknek és könnyen hozzáférhetők helyi, vagy regionális szinten.

Dr. Zhao.

A „só akkumulátor” képes széles körben nagyobb energiabiztonságot garantálni. Bőséges erőforrással rendelkezünk előállításához, hiszen a tengervízből kioldható a nátrium. Lehetőség nyílik arra is, hogy több ország csatlakozzon a karbonsemlegesség eléréséhez vezető közös érdekhez.
Jelenleg kutatások folynak kifejezetten azzal a célzattal, hogy továbbfejlesszék és kereskedelmi forgalomba hozhatóvá tegyék ezeket az „üzemanyag” cellákat.

A Na-ion cellák energiasűrűsége valahol 140 és 160 Wh/kg körül van. Persze ez még messze van az NMC-től, de az LFP (LiFePO4, vagy Lítium vasfoszfát) cellák energiasűrűségétől már nem. A következő években meghaladhatják már a 170 Wh/kg-ot, de például a CATL 200 Wh/kg-al kecsegtet, ami már el is érné az LFP cellák szintjét.

A lítium akkumulátorok a több, mint 30 évvel ezelőtti megjelenésük óta a magas energiasűrűségüknek köszönhetően meghódították a hordozható eszközök világát. A sok pozitív tapasztalat mellett a lítium erősen reaktív jellege miatt - főleg az utóbbi időben - sok olyan esetről lehetett hallani, ahol az akkumulátorok heves reakcióval kaptak lángra. Erre kínál megoldást a Lítiumok leghiggadtabb családtagja a Lítium-vasfoszfát, más néven LFP vagy LiFeOP4.

A Lítium-nikkel-mangán-kobalt.oxid vagy NMC akkumulátor szintén a Lítium családhoz tartozik. Ebben a fajtában a mérnököknek sikerült egyesíteni a teljesítmény és a kapacitás iránti igényeket. Az anód ebben az esetben szilíciumot is tartalmaz. A hozzáadott szilícium mértékével nő a kapacitás, de csökken a teljesítmény. A nikkel és a kobalt mértékével szintén befolyásolhatók az akkumulátor tulajdonságai. Legfőbb előnye az egyéb Lítium akkumulátorokkal szemben a hosszú élettartam. Ilyen akkumulátort használ az autóiparban például a BMW az i3-ban, de megtalálható a Chevrolet Voltban is.

Az Na-ion cellák már most is ideálisak energiasűrűségük szerint egy akkutelepen helytállni, hisz ennél a területnél szinte mindegy milyen súlyt nyomnak. Azonban az energiatárolók esetében az energiasűrűség nem minden. Fontos szempont az élettartam. A Jelenlegi Na-Ion cellák 3-4 ezer ciklus élettartamúak, ami meghaladja az NMC cellákét, azonban elmarad az LFP-től. Ahhoz elég tartósak, hogy egy járművet kiszolgáljanak a teljes életciklusa alatt, azonban az energiatárolásnál az árat az is befolyásolja, hogy milyen hosszú egy tároló élettartama. Hiába olcsó egy akkupack, ha viszonylag sűrűn kell cserélni. Ebből a szempontból tehát még az LFP uralja a tárolók e szegmensét. Ha fel akar érni ide a Na-ion, akkor 5-6 ezer ciklust kellene kiszolgálnia. De rövidebb hatótávú járműveknek - elektromos kerékpárok, rollerek, targoncák, városi buszok - is megfelelő lehet a kapacitása. De újabb fejlesztések után kisebb hatótávolságú olcsóbb autók számára is opció lehet a jövőben.

A közeljövőben véghezvitt tapasztalatok, fejlesztések fogják majd megmutatni, hogy mely terület lesz a Na-ion sajátja.

Az LFP és a Na-ion hasonlóan teljesít működésükhöz szükséges hőmérsékleti tartomány, a töltési ciklus hatékonysága, a teljesétmény és a biztonság tekintetében. Azonban ha megvizsgáljuk -20 °C-on, észrevehető, hogy a teljesítmény 90%-a a rendelkezésünkre áll. Más szóval hidegben nagyobb hatótávolságot biztosít az LFP-hez képest.

A NA-ion akkumulátor tehát nagyon hasonló az LFP akkumulátorokhoz. Bizonyos vonatkozásban talán jobb is annál. Élettartamát tekintve még elmarad ugyan, de ez a hátrány minden bizonnyal rövid időn belül behozható. Az előállításához szükséges alapanyagok környezetileg optimálisabbak és hosszútávon fenntarthatóbb, így kevésbé érzékeny a piaci árak változásainak. Előállítása és így a végfelhasználói ára kedvezőbb.

Az LFP árához képes valahol 20% és 30% közötti kezdeti árelőnyről beszélnék. A CATL ettől már konkrétabban adja meg az árat. Úgy számolnak, hogy a tömeggyártás beindítását követően a 77 dollár/kWh-s ár gyakorlatilag az LFP cellákéval megegyezik, de ez a későbbiekben még lejjebb fog menni, így idővel 40 dollár alá csökkenhet.

Ha a Na-ion ennyi előnnyel kecsegtet és az átállás a gyártás tekintetében nem jelentene különösebb változtatást, akkor miért nem kezd el mindenki “só akkumulátort” gyártani?

Évente 100 gigawattórás nagyságrendben gyártanak lítium akkumulátorokat és mintegy 30 éves előnyről beszélünk szintén mellette. A nátriumnak nincs még kiépített  ellátási hálózata, sem gyártósora. Hiányoznak tapasztalatok a gyártást és a felhasználást illetően, ami még bizonytalansággal tölti el a résztvevő piaci szereplőket az ezirányú elköteleződés mellett. Az áttörést valószínűleg az hozhatná meg, ha bizonyos egyéb okokból többen áttérnének a Na-ion akkumulátor gyártására, felhasználására, mert így noha az alapanyagok tekintetében olcsóbb lenne a termék, mégis drágább, mint a Lítium-ion. Ezen kívül van még egy feladat hátra mielőtt a felhasználás megkezdődne. Az elkészült cellákat be is kell illeszteni a meglévő működő rendszerekbe, hogy megkezdhesse egy elektromos jármű ellátását, vagy az energia tárolást.

Mivel jelenleg is működik, és egyenlőre bevált és hozzáférhető a Lítium-ion akkumulátor, okkal teszi fel a kérdést egy-egy gyártó, hogy miért? Miért költsön temérdek pénzt a gyártási infrastruktúra kiépítésébe, fejlesztésbe, amikor ott van? Csak leszerződök és hozzák.

Valami olyan dolognak kéne történnie, ami érdekeltté teszi a piaci szereplőket ezeknek az első lépéseknek a megtétele felé. Ilyen lehet például, ha a környezeti, etikai, geopolitikai problémákra való tekintettel célzott állami támogatást nyújtanak a termelés beindítására. Ilyen például az Europai Unio NAIMA projektje.

Vagy előfordulhat az is, hogy a jövőben megdrágulnak oly mértékben a Lítium-ion akkumulátor alapanyagai a keresletnövekedés következtében, hogy a Na-ion árát is felülmúlja. Ha ez bekövetkezne, akkor előfordulhatna, hogy olyan gazdasági nyomást jelentene egy-egy gyártónak, ami már arra ösztönözné, hogy kezdjen bele a saját Na-ion cellák és az ezzel működő termékek fejlesztésébe és így már elkezdődne az ehhez szükséges ellátási és gyártási lánc kiépítése.
Ez a jövő talán nincs is messze, mivel pontosan így tett a CATL, a világ legnagyobb akkumulátorgyártó vállalata. Rendelkeznek a szükséges erőforrásokkal, így képes a termelés beindítására és növelésére, kiaknázva a méretgazdaságosságból származó előnyöket.

A tömeges gyártást követően egyre több felhasználó fog megjelenni a piacon, így megindul a tőke áramlás ebbe a szegmensbe is. Hasonlóan a Lítium-ionhoz éppen ezért itt is számítanak egy hasonló gyors fejlődésre.

/sites/test_green-car_hu/documents/news/_extra/57/o_sodium-ion-akkumulator-piac_20230109174622.png/sites/test_green-car_hu/documents/news/_extra/57/o_sodium-battery_20230109174732.jpg

A várakozások azt mutatják, hogy a Na-ion akkumulátorok a hasonló tulajdonságokkal rendelkező LFP akkumulátorokat válthatják. Elsősorban a kisebb hatótávolságú, olcsóbb járművekben, illetve az energiatárolásban lesz fontos szerepük. Nem valószínű egy átfogó elnyomó, kiszorító jelenséget figyelhetünk majd meg a Na-ion terjedésével, hiszen olyan termék, eszköz nincs, ami minden területen ugyanúgy, vagy jobban szerepelne, mint a most meglévők. Ezért minden felhasználási területen más és más energiatároló az optimális választást. Az viszont bizonyosnak látszik, hogy a jövőben nem kell már aggódnunk amiatt, hogy nem lesz elegendő lítium.