Ha az elektromos járművek valaha is teljesen kiszorítják a benzinfalókat a világ útjain, akkor egy teljesen új típusú akkumulátorra lesz szükségük. Annak ellenére, hogy az elmúlt évtizedben folyamatosan javult a lítium-ion akkumulátorok energiasűrűsége és élettartama, az új elektromos járművek cellái még mindig elmaradnak a belsőégésű motoroktól szinte minden teljesítménymutatóban. A legtöbb elektromos autó hatótávolsága nem éri el a 300 mérföldet, az akkumulátorok feltöltése több mint egy órát vesz igénybe, a cellák egy évtizeden belül elveszítik kapacitásuk közel egyharmadát, és gyúlékony anyaguk miatt komoly biztonsági kockázatot jelentenek.
A megoldás ezekre a problémákra már évtizedek óta ismert: Szilárdtest-akkumulátornak hívják, és egy megtévesztően egyszerű ötleten alapul. A hagyományos folyékony elektrolit helyett – az anyag, amely a lítiumionokat az elektródák között szállítja – szilárd elektrolitot használ. Az akkumulátor negatív pólusa, az anód, tiszta lítiumfémből készül. Ez a kombináció az egekbe repíti az energiasűrűséget, lehetővé teszi az ultragyors töltést, és kiküszöböli az akkumulátortűz kockázatát. Az elmúlt 40 évben azonban senki sem volt képes olyan szilárdtest-akkumulátort készíteni, amely beváltja ezt az ígéretet – egészen az év elejéig, amikor a QuantumScape nevű titokzatos startup azt állította, hogy megoldotta a problémát. Most már vannak adatok, amelyek ezt bizonyítják.
A QuantumScape társalapítója és vezérigazgatója, Jagdeep Singh kedden először hozta nyilvánosságra a vállalat szilárdtest-akkumulátorának vizsgálati eredményeit. Singh szerint az akkumulátor megoldotta az összes alapvető kihívást, amely a szilárdtest-akkumulátorokat a múltban sújtotta, például a hihetetlenül rövid élettartamot és a lassú töltési sebességet. A QuantumScape adatai szerint cellája 15 perc alatt képes a kapacitás 80 százalékára feltölteni, 800 töltési ciklus után is megőrzi kapacitásának több mint 80 százalékát, nem éghető, és cellaszinten több mint 1000 wattóra/liter térfogati energiasűrűséggel rendelkezik, ami közel kétszerese a kereskedelmi forgalomban kapható lítium-ion cellák energiasűrűségének.
“Úgy gondoljuk, hogy mi vagyunk az elsők, akik megoldották a szilárdtesteket” – mondta Singh a bejelentés előtt a WIRED-nek. “Egyetlen más szilárdtest-rendszer sem közelíti meg ezt.”
A QuantumScape akkumulátorcellája körülbelül akkora és vastag, mint egy játékkártya. Katódja, vagyis pozitív terminálja nikkel-mangán-kobalt-oxidból, vagyis NMC-ből készül, amely ma az EV-akkumulátorokban gyakori vegyület. A negatív elektróda, vagyis az anód tiszta lítiumfémből készül – de pontosabb lenne azt mondani, hogy egyáltalán nincs anódja, mivel anélkül készül. Amikor az akkumulátor használat közben lemerül, az összes lítium az anódból a katódba áramlik. Az anódoldalon maradt üres hely – amely vékonyabb, mint egy emberi hajszál – átmenetileg harmonikaszerűen összenyomódik. A folyamat megfordul, amikor az akkumulátort feltöltik, és a lítiumionok ismét az anódhelyiségbe áramlanak.
“Ez az anódmentes kialakítás azért fontos, mert valószínűleg ez az egyetlen módja annak, hogy a lítium-fém akkumulátorokat ma a jelenlegi gyártási létesítményekkel elő lehessen állítani” – mondja Venkat Viswanathan, a Carnegie Mellon Egyetem lítium-fém akkumulátorokkal foglalkozó gépészmérnöke és a QuantumScape műszaki tanácsadója. “Az anódmentesség nagy kihívást jelentett a közösség számára.”
A QuantumScape szilárdtest áttörésének kulcsa azonban a katód és az anód között elhelyezkedő rugalmas kerámia-szeparátor. Ez az anyag teszi a “szilárdat” a szilárdtestbe. A hagyományos cellákban az elektródák között elhelyezkedő folyékony elektrolithoz hasonlóan a fő funkciója az, hogy az akkumulátor töltése és kisütése során a lítiumionokat az egyik terminálról a másikra szállítsa. A különbség az, hogy a szilárd szeparátor akadályként is működik, amely megakadályozza, hogy a lítium-dendritek – a lítium-fém anódokon a töltési ciklusok során kialakuló fémindák – az elektródák közé kígyózzanak és rövidzárlatot okozzanak.
Venkat Srinivasan, az Argonne Collaborative Center for Energy Storage Science igazgatója közel egy évtizede kutatja a szilárdtest akkumulátorokat a Chicago melletti nemzeti laboratóriumban. Elmondása szerint messze a legnagyobb kihívást az jelentette, hogy olyan elválasztó anyagot találjanak, amely lehetővé teszi a lítiumionok szabad áramlását az elektródák között, ugyanakkor blokkolja a dendriteket. A kutatók általában vagy műanyagszerű polimert, vagy kemény kerámiát használtak. Bár a folyadékelektrolitos akkumulátorokban a polimerek a választott elválasztóanyag, szilárdtest-cellákban nem megfelelőek, mivel nem blokkolják a dendriteket. A kísérleti szilárdtest-akkumulátorokhoz használt legtöbb kerámia pedig túl törékeny ahhoz, hogy néhány tucat töltési ciklusnál tovább bírja.
“Ezek a dendritek olyanok, mint egy fa gyökere” – mondja Srinivasan, aki nem vett részt a QuantumScape munkájában. “A probléma, amit megpróbálunk megoldani, az, hogy hogyan lehet mechanikusan megállítani ezt a gyökérrendszert valami szilárd anyaggal a növekedéstől. Nem tudsz csak úgy beletenni bármit, amit akarsz, mert az ionokat oda-vissza kell táplálni. Ha ezt nem teszed meg, akkor nincs akkumulátor.”
A lítium-ionos akkumulátorok összetett rendszerek, és az évek óta tartó lassú fejlődésük oka az, hogy a cella egy részének finomhangolása gyakran olyan kaszkádhatással jár, amely előre nem látható módon változtatja meg a teljesítményt. Ahhoz, hogy jobb akkumulátort építsenek, a kutatóknak szisztematikusan különböző anyagokat kell vizsgálniuk, amíg nem találnak valamit, ami hihetetlenül időigényes feladat lehet. Singh szerint a QuantumScape-nek 10 évbe és 300 millió dollárnyi K+F-be került, mire a vállalat megtalálta a megfelelő szilárdtest-szeparátort. Azt nem árulja el, hogy miből készült – ez a cég titkos mártása -, de azt mondja, hogy az anyag olcsó és könnyen hozzáférhető. “Nem volt valami isteni kinyilatkoztatás, ami azt mondta volna: ‘Ez az anyag működni fog, menj és építsd meg'” – mondja Singh. “Rengeteg zsákutcán kellett keresztülmennünk. De a természet adott egy olyan anyagot, amely megfelel a követelményeknek, és szerencsére a szisztematikus keresési folyamatunk révén sikerült megtalálnunk.”
Singh szerint a QuantumScape akkumulátora az a fajta lépésváltás a teljesítményben, amely az EV-ket a főáramba juttatja. Nem ő az egyetlen, aki így gondolja. A vállalat a befektetők között tartja számon Bill Gates-t és Vinod Khoslát, és több akkumulátorbáró, például a Tesla társalapítója, J. B. Straubel is tagja az igazgatótanácsnak. A vállalat egyik legnagyobb támogatója a Volkswagen, a világ legnagyobb autógyártója, amely több mint 300 millió dollárt fektetett a QuantumScape-be, és azt tervezi, hogy már 2025-ben elkezdi használni a szilárdtest-cellákat néhány saját elektromos járművében.
A QuantumScape és a VW természetesen nem az egyetlen vállalat a szilárdtest-akkumulátorok játékában. A Toyota is fejleszt egy szilárdtest cellát, amelyet a vállalat illetékesei az idei tokiói olimpián akartak bemutatni, mielőtt a világjárvány miatt elhalasztották volna. A VW-hez hasonlóan a Toyota is azt tervezi, hogy szilárdtest-akkumulátorai 2025-re az utakra kerülnek. Az év elején azonban Keiji Kaita, a Toyota hajtáslánc részlegének alelnöke az Automotive News című iparági kiadványnak elmondta, hogy a vállalatnak még javítania kell az akkumulátor korlátozott élettartamán. A Toyota képviselői nem válaszoltak a WIRED megkeresésére.
A Solid Power nevű hatéves startup szintén készített egy működő szilárdtest-cellát, és egy coloradói kísérleti üzemben megkezdte a 10 egymásra rétegzett rétegből álló akkumulátorok prototípusainak gyártását. A QuantumScape-hez hasonlóan ezek a cellák is lítium-fém anóddal és kerámia szilárdtest-elektrolittal rendelkeznek. A Solid Power elektrolitja szulfid alapú, amely kémiai anyag nagy vezetőképessége és a meglévő gyártási folyamatokkal való kompatibilitása miatt kívánatos a szilárdtest-akkumulátorok számára. A vállalat számos autógyártóval, többek között a Forddal, a BMW-vel és a Hyundai-jal áll partnerségben, bár a vállalat vezetői a hosszú autóipari minősítési folyamat miatt nem számítanak arra, hogy celláikat 2026 előtt az utakon láthatják. A Solid Power még nem közölt adatokat a cellájáról, de a vállalat várhatóan most csütörtökön mutat be egy nagyobb cellát és teszi közzé először annak teljesítményadatait.
“A szilárdtest akkumulátorok versenyhelyzete egyre zsúfoltabbá válik, mivel a szilárdtest akkumulátorokban hatalmas lehetőségek rejlenek a járművek villamosításának lehetővé tételében” – mondta Doug Campbell, a Solid Power vezérigazgatója. “Ez végső soron nagyobb hatótávolságú, megbízhatóbb és olcsóbb EV-khez vezet.”
A QuantumScape teljesítményadatai lenyűgözőek, de egy fontos kikötéssel járnak. Az összes tesztadatot egyedi cellákon generálták, amelyek technikailag nem teljes akkumulátorok. A QuantumScape által bemutatott vékony cellát arra szánják, hogy körülbelül 100 másikkal együtt egy teljes, körülbelül kártyapakli méretű cellát képezzen. Egy EV energiaellátásához több száz ilyen egymásra helyezett akkumulátorra lesz szükség, de a vállalat eddig még nem tesztelt teljesen egymásra helyezett cellát.
Srinivasan szerint az akkumulátorok méretezése egyetlen cella alegységéből egy teljes cellává, majd végül egy teljes akkumulátorcsomaggá sok problémát okozhat. Ha az akkumulátorok kis tételekben készülnek, szerinte könnyebb kiküszöbölni a gyártási folyamat során felmerülő hibákat. De ha egyszer elkezdjük az akkumulátorok nagyüzemi gyártását, nehéz lehet a hibák ellenőrzése, ami gyorsan csökkentheti az akkumulátor teljesítményét. “Még ha egy anyag kis méretben nagyon ígéretesnek is tűnik, a méretnövelés során ezek a hibák nagyobb problémává válhatnak” – mondja Srinivasan. “A valós világ működése nagyon különbözik a laboratóriumi léptékű működéstől.”
Jeff Sakamoto, a Michigani Egyetem energiatárolásra összpontosító gépészmérnöke, aki nem vett részt a QuantumScape-ben, egyetért. Szerinte még mindig jelentős tudásbeli hiányosságok vannak a lítium-fém szilárdtest-akkumulátorok alapvető mechanikai tulajdonságaival kapcsolatban, ami problémákat okozhat a technológia kereskedelmi forgalomba hozatalakor. A világ első kereskedelmi utasszállító repülőgépére, a szerencsétlenül járt De Havilland Comet-re mutat példát, hogy milyen következményekkel járhat, ha egy technológiát azelőtt indítanak útjára, hogy annak anyagi tulajdonságait teljesen megismernék. Röviddel azután, hogy a Comet felszállt a levegőbe, több katasztrofális légiszakadás történt, mert a mérnökök nem értették teljesen a hajótestben használt fémek lebomlási folyamatát. Bár a szilárdtest-cellák esetében a tét valamivel kisebb, mint a kereskedelmi repülőgépek esetében – az akkumulátorokat végül is ultrabiztonságosnak tervezték -, egy olyan akkumulátor, amely piacra kerül, és váratlan teljesítményproblémák merülnek fel, lelassíthatja a közlekedés villamosítását.
“Meglepődtem, hogy milyen keveset tudunk a lítiumfém mechanikai viselkedéséről, és hogy a lítium fizikája hogyan befolyásolja a szilárdtest-cellák megvalósíthatóságát” – mondja Sakamoto. “Nem tudom, hogy ezek az ismerethiányok milyen mértékben befolyásolják majd a lítium-fém szilárdtest-akkumulátorok széles körű elterjedését. De minél többet tudunk az alapvető viselkedésről, annál jobb lesz az átmenet a széles körű bevezetéshez.”
Singh nem riad vissza azoktól a kihívásoktól, amelyeket a QuantumScape-nek meg kell oldania, mielőtt az akkumulátorai kijutnak a laboratóriumból és bekerülnek az autókba. Véleménye szerint a vállalat megoldotta azokat a nehéz alaptudományos problémákat, amelyek eddig megakasztották a szilárdtest-akkumulátorok kereskedelmi forgalomba hozatalát. “Nem akarom elbagatellizálni a hátralévő munkát” – mondja Singh. “De nem az a kérdés, hogy ez működni fog-e vagy sem. Ez a mérnöki munka kérdése.”
Ez év elején a QuantumScape egy speciális akvizíciós cégen keresztül tőzsdére ment, és mintegy 700 millió dollárral növelte a már így is tekintélyes mérlegét. Singh szerint a vállalatnak most már több mint 1 milliárd dollár van a hadipénztárában, ami bőven elég ahhoz, hogy a gyártásig eljusson. Lehetetlennek tűnik, hogy a vállalat kudarcot valljon, de ezt gondolták a befektetők az A123 Systems és az Envia Systems esetében is, két olyan vállalat esetében, amelyek hatalmas összegeket gyűjtöttek be az örökölt autógyártóktól azzal az ígérettel, hogy forradalmi EV-akkumulátorokat fognak gyártani, de aztán összeomlottak, amikor a cellák teljesítménye nem felelt meg a várakozásoknak. A QuantumScape lehet az első startup, amely kereskedelmi forgalomban kapható szilárdtest-akkumulátort szállít, de a vállalatnak még hosszú út áll előtte.
Még több nagyszerű WIRED-sztori
- 📩 Szeretné a legújabb technikai, tudományos és egyéb híreket? Iratkozzon fel hírlevelünkre!
- Egy férfi kutatása a DNS-adatok után, amelyek megmenthetik az életét
- A versenyfutás az akkumulátorok újrahasznosításának feltöréséért – mielőtt túl késő lenne
- Az AI mostantól vezetheti a munkahelyi megbeszéléseidet
- Varázsolja el a macskáját az ünnepek alatt kedvenc felszereléseinkkel
- Hacker Lexikon: Mi a Signal titkosítási protokoll?
- 🎮 WIRED Games: A legfrissebb tippek, vélemények és még sok más
- 🏃🏽♀️ Szeretnéd a legjobb eszközöket az egészséged megőrzéséhez? Nézd meg Gear csapatunk választásait a legjobb fitnesz trackerek, futófelszerelések (beleértve a cipőket és zoknikat) és a legjobb fejhallgatók között