A strukturális akkumulátorok ötlete először a kétezres évek közepén merült fel, pontosabban ekkor kezdtek el először megépíteni ilyen újszerű energiatárolókat. Az első kísérletek az Egyesült Államok hadseregéhez kötődtek, de a világ különböző egyetemein is elkezdődtek a fejlesztések. A vezető szerepet ezekben a fejlesztésekben a Chalmers Egyetem tölti be, ahol Leif Asp anyagtudós már 2007 óta dolgozik a technológia hatékonyabbá tételén.

A strukturális akkumulátor, ahogy a neve is mutatja, olyan akkumulátort jelent, amely nem egy különálló, járműbe épített egység, hanem maga a járművet felépítő szerkezeti elem.

Vagyis a használatával lényegében az akkumulátorból épülne fel a struktúra.

Ez azért lenne hatalmas előrelépés az elektromos járművek fejlesztésében, mert jelenleg az energiatároló eszközök teszik ki a teljes súly 20-30 %-át, vagyis egy jó része a felhasznált villamosenergiának arra megy el, hogy a súlyos akksit hordozza a gép. Ez pedig, főleg annak figyelembevételével, hogy alapból milyen drágák az elektromos közlekedési eszközök és a világ nagy részén milyen gyéren vannak elhelyezve a töltőállomások, hátráltatja a zöldebb közlekedési forma széleskörű elterjedését. A strukturális akkumulátort tömeg nélküli vagy súlytalan akkumulátornak is szokták nevezni, mivel ezzel az eszközzel az energiatárolás nem jelent többletsúlyt a szerkezetben.

A Tesla tavaly ősszel megtartott Battery Day eseményén Elon Musk sok más újdonság mellett az ilyen típusú energiatárolás bevezetéséről is szót ejtett, az ő elképzelése szerint a jövőben a különálló modulból felépülő cellás megoldás helyett egy tömbből alakítanák ki az egységet, az így kapott tömör szerkezet pedig terhelhető lehetne. Vagyis nem a padló alá kellene beépíteni, ahogy most szokták az elektromos autókban, hanem az akkumulátor lenne a padló. Musk a repülőgépek működésével vont párhuzamot, ahol a tervezőmérnökök egyszer csak rájöttek, hogy a gép szárnyait üzemanyagtartályként is lehet hasznosítani. A tömb méhsejtes szerkezetű lesz, a sejtekbe pedig az új 4860-as akkumulátort tervezik beszerelni. Ezt az új konfigurációt először a Model Y-ban és a Model S Plaid-ben használják majd előreláthatólag. (A videón 1 óra 20 perc körül láthatjuk az erről szóló részt)

A strukturális akkumulátor alapvetően két feltételnek kell, hogy megfeleljen:

• egyrészt mindenképpen nagy teherbírású anyagból kell, hogy álljon
• másrészt a módosított szerkezet nem mehet az energiatárolási kapacitás rovására

Egyelőre mindkét cél teljesítésével akad probléma. A hadsereg által fejlesztett első strukturális akkumulátorok szénszálas anyagból épültek fel, melyeket gyakran alkalmaznak autók szerkezetéhez is, könnyű és strapabíró jellege miatt. A karbonszálas anyagot és a fémhálós katódot üvegszálas belső választotta el egymástól. Ez a szerkezet ugyan kellően ellenálló volt, de valójában nem nagyon tudott energiát tárolni. Később más kompozitokkal is próbálkoztak, de a terhelhetőséget akadályozta, hogy ekkor még nem állt rendelkezésre hatékony szilárdtest-akkumulátor, vagyis szilárd elektrolit, ezért a "szendvics" közepét folyékony elektrolittal kellett feltölteni, ami az úgynevezett rugalmassági modulust nagyon lecsökkentette, mindössze 3GPa-ra (bizonyos szénszálak modulusa ennek több tízszerese, vagy százszorosa is lehet).

Ezért is jelent nagy áttörést a svéd kutatók legújabb tanulmánya, amely egy újfajta, az eddigieknél tízszer nagyobb teljesítményre képes súlytalan akkumulátort mutat be. A Chalmers Egyetem és a svéd KTH Királyi Műszaki Intézet közös projektje során az eddigiekhez hasonló módszerrel dolgoztak, vagyis két réteg közé üvegszálas anyagot helyzetek, melyet polimer elektrolittal kombináltak. Az anódot szénszálak, a katódot lítium-vas-foszfát bevonatú alumínium képviselik.

Az energiasűrűsége még mindig nem éri el hagyományos lítiumion akkumulátorokét, ugyanis az csak 24 Wh/kg, vagyis nagyjából 20%-a a legtöbb kereskedelemben kapható akkuénak, de a kutatók szerint ez nem jelent akkora problémát két okból. Egyrészt a kisebb energiasűrűség hozzájárulhat a biztonságosabb működéshez, másrészt nincs akkora szükség nagy teljesítményű akkumulátorra, ha a szerkezetbe van építve, mivel így sokkal könnyebb járműveket lehet építeni, a könnyebb jármű pedig kevesebb energiát fogyaszt. Az eszköz rugalmassága 25 GPa, de a jövőben ez könnyedén növelhető lehet akár 75 GPa-ra is, ha az alkotóelemek egy részét más típusúra cserélik, például az alumíniumfóliát is szénszálakkal helyettesítik. Az energiasűrűség is növelhető, az elképzelések szerint 75 Wh/kg-ra, például azzal, ha a szeparátorokat vékonyabbra tervezik.

Ezzel az immár valóban használható strukturális akkumulátorral nem csak az elektromos autókat lehetne felszerelni, hanem bármilyen más elektromos járművet vagy eszközt.

A kutatók szerint akár a mobiltelefonok váza is állhatna ebből, de az egyik legígéretesebb terület a repülőgépek piaca.

A villamosenergiával működő légi járművek egyik nagy hátránya, hogy a nehéz akkumulátorok, amelyeket a gépekre kell szerelni, nagyban megnehezítik a haladásukat és a lecsökkentik a távolságot, amit egy feltöltéssel el tudnak érni. A súlytalan energiatároló napelemekkel kombinálva megoldhatná ezt a problémát, a drónos és sokkal kevésbé szennyező légi közlekedés új korszakát elősegítve.

(Fotó: Chalmers, Wikimedia Commons, GettyImages)

További cikkek a témában:

Legyártották az első, öt perc alatt tölthető akkumulátorokat A technológiát kifejlesztő StoreDot szerint négy év múlva már csak öt percig kell tölteni az elektromos autókat ahhoz, hogy megtegyenek 160 kilométert, de hosszú távon az új akkumulátor ennél is többet tudhat.
2025-ben tényleg eljöhet a Nagy Áttörés az elektromos autók akkumulátor-technológiájában Toyota, Samsung, Volkswagen, Panasonic: csak néhány nagy név azok közül, akik ezen a technológián dolgoznak és már csak néhány év türelmet kérnek, amíg elkészül a cucc.
Az elektromos motoroknál nem a minél gyorsabb újratöltés, hanem az akkucsere lesz a jövő útja A cserélhető akkus megoldás az elektromos autóknál nem aratott sikert, de az elektromos motorkerékpároknál még lehet belőle valami.