Battery Day: a magyar kutató darabokra szedte a Tesla legújabb akkumulátorát

Szakmai szempontból elemezve a Tesla Li-ion akkumulátorokkal kapcsolatos jövőbeli terveit elmondható, hogy több ponton is a racionalitás és az ésszerűség szintjén jelentettek be technológiai újításokat. Mindazonáltal, mélyebben értelmezve a bejelentett újításokat, felvetődik számos anyagtudományi, technológiai vonatkozású kérdés azokkal kapcsolatban.

A Battery Day keretében a Tesla felvázolta, hogy milyen stratégiát és technológiai újításokat alkalmazva kívánja drasztikusan csökkenteni az akkumulátorokban eltárolandó energia költségeit (USD/kWh). Ennek demonstrálására egy öt pilléren nyugvó stratégiai tervet mutattak be. Ezek a 1) cella dizájn, 2) cella gyártása, 3) anód-, és 4) katód anyagok, végül 5) akkumulátor modulok esetében foganatosítandó újítások.

A cella dizájn

Az első pillér esetében bemutatták, hogy egy térfogatát tekintve nagyobb cella gyártására állnak át (4680). Az új cella 46 mm átmérővel és 80 mm hosszúsággal rendelkezik. Összehasonlításképpen, az úgynevezett „góliát-elem” (D-méret) kb. 31 mm átmérővel és 62 mm hosszal bír. Ezzel az új 4680 cella kb. 133 ml térfogatú lesz (szemben a 18650-es, mely mindössze 17,5 ml) és az ígéret szerint ötször több „energiát lesz képes eltárolni”. Sajnos nem közöltek referencia adatot, hogy mihez képest ötszörös mennyiség. Amennyiben viszont figyelembe veszünk egy kommerciális 18650 cellát, mely 3,6V nominális cellafeszültséggel és 3 Ah kapacitással bír, akkor ez esetben kb. 617 Wh/l volumetrikus (azaz térfogategységre vonatkoztatott) energiasűrűséggel rendelkezik. Annak értekében, hogy minimálisan ezt a „benchmark” értéket biztosítsa az új 4680-as cella, annak kapacitása 22,8 Ah kellene legyen 3,6V cellafeszültség mellett.

Amennyiben az új 4680-as cella nominális feszültségét a katód anyagának változtatása által 4,5V-ra emelnék, akkor is 18,2 Ah kapacitással kell rendelkeznie az új cellának.

További műszaki paraméterek közlése (pl. tömeg, cellafeszültség, kapacitás, minimális és maximális töltési/kisütési áramerősségek, stb.) után értékelhető lesz mélyebben az új cellák teljesítménye.

Továbbá érdemes arról is beszélni, hogy a tervezett 4680 cella jóval vaskosabb és valamennyivel magasabb, mint elődjei (18650, 2170, stb.). A cella használata során keletkező hő elvezetése alapvető fontosságú annak élettartama szempontjából is. A vaskosabb cella esetében a felcsévélt elektródrétegek belső részeiben (pl. a forgástengelyhez közeli térrészekben) jelentős mennyiségű hő akkumulálódhatna a használat során, ami veszélyeztetné a cellák biztonságos és hosszútávú üzemeltetését. A bejelentett „tabless” elektród dizájn értelmet nyer ezáltal, mivel annak alkalmazásával kisebb mértékű melegedésre lehet számítani a cellán belül a töltési/kisütési ciklusok során. Tehát a „tabless” elektród dizájn bevezetése alapvető fontosságú lehet, hogy a vaskosabb 4680-as cellák elfogadható ciklusélettartamot szolgáltassanak.

A cella gyártása

A bejelentés ezen része a Li-ion elektródok gyártástechnológiáját érinti. Az eddig alkalmazott, hagyományos nedves-eljárás helyett „száraz” elektródgyártásra kívánnak áttérni. A „száraz-gyártás” lényegét úgy érthetjük meg a legegyszerűbben, ha megismerjük röviden a hagyományos elektródgyártás elemi lépéseit. Ez a kiindulási anyagok keverésével kezdődik. Egy tipikus elektród „receptúrának” megfelelően 70-80 tömeg% aktív anyagot kevernek 10-15 tömeg% elektromos vezetést javító (szénalapú) adalékanyaggal, majd jön mellé néhány % polimer-jellegű kötőanyag. Ez utóbbi az elektród réteg mechanikai sajátságait és az áramvezető fóliához (réz és alumínium), mint szubsztráthoz való jobb tapadást (adhéziót) biztosítja. Ezt a keveréket víz-alapú vagy szerves oldószerben diszpergálják. A keletkezett pasztát nagy sebességgel egyenletesen terítik el az áramvezető fém fólián. A felhordott nedves réteget nagy kiterjedésű és költséges szárító berendezésekben szárítják, az oldószereket visszanyerik, majd a száraz rétegeket munkahengerek között préselve tömörítik. Az új elektródgyártási technológia kiiktatja a nedves lépést és a száraz porkeveréket munkahengerek használatával közvetlenül a fémfóliára préseli.

Az új technológia innovatív, de a legkritikusabb pontja az, hogy szakemberek megoldást találjanak a száraz porkeverék fémfóliára történő egyenletes felvitelére ezzel biztosítva a homogén rétegvastagságot az elektródban.

Egyenetlen rétegvastagság komoly biztonságtechnikai kockázatot és hibás működést eredményez a celláknál.

Az anód anyagok

Az újítás lényege abban rejlik, hogy a globális várakozásoknak megfelelően, a Tesla is nyitni kíván a szilícium tartalmú anódok felé. A bejelentés szerint a felhasználandó szilícium szemcséket egy elasztikus, Li-ion vezető polimer mátrixba építik be. Ezzel kapcsolatban több anyagtudományi vonatkozású kérdés felmerülhet. Lévén a szilícium félvezető anyag, az elektromos áramot vezető komponens (pl. grafit) bevetése elengedhetetlennek tűnik. A polimer-típusú Li-ion vezető anyagok ionvezetése még mindig több nagyságrenddel elmarad a szerves folyadék-elektrolitok ionvezető képességétől. Ez további anyagtudományi kutatásokat és fejlesztéseket követel meg. Továbbá, a kialakuló polimer/szilícium határfelület minősége elektrokémiai és mikroszerkezeti értelemben nagyon fontos a stabil akkumulátorműködés szempontjából.

Megoldást kell találni a szilícium Li-ion felvételét követő hatalmas mértékű térfogatnövekedéséből adódó fizikai aprózódására (elporladás).

Ezt egyébként eddig csak nanoszerkezetű szilícium struktúrák esetében sikerült kivitelezni.

A katód anyagok

A bejelentésből a szakmailag releváns mozzanat, hogy a katód anyagának igen komplex gyártástechnológiáját kívánják optimalizálni. Technikai részleteket ugyan nem közöltek, de ennek lényege, hogy több céltermék (maga a katódaktív anyag) és kevesebb hulladék (pl. szennyvíz, melléktermék) keletkezzen kevesebb energia felhasználása mellett. További műszaki részletek ismeretében jobban értékelhető lesz a bevezetendő újítások hatása a környezetre és az előállítási költségekre.

Az akkumulátor modulok

A gépjárművekbe történő cellaintegráció kapcsán az újításként megfogalmazott stratégia fontos eleme, hogy a modulszinten értendő energiasűrűség értéket tudják majd növelni a szerkezeti anyagok mennyiségének csökkentésével. Ennek természetesen lesz költségvonzata is, mivel kevesebb alkatrész/komponens kerül beépítésre a gépjárművekbe.

Egy kritikus kérdés viszont maradhat a végére: mi történik majd akkor, ha a cellákat cserélni kellene hibás működésükből adódóan, viszont azok a gépjármű szerkezetének szerves részét képezik?

A Tesla mérnökeinek talán erre is van már frappáns megoldása.