- 2015-ben a Stanford Egyetem bemutatott egy alumínium-ion prototípust, amely alumínium anóddal és grafit katóddal működött, körülbelül 1 perc alatt feltölthető volt, és több mint 7 500 töltési ciklust bírt 2 V körüli névleges feszültségen.
- 2014-ben a Phinergy bemutatott egy alumínium-levegő meghajtású autót, amely körülbelül 1 100 mérföldet tett meg.
- 2023 januárjában az Argonne National Laboratory Li–S cellát mutatott be egy redox-aktív köztes réteggel, amely szinte teljesen megszüntette a shuttle-effektust, és több mint 700 ciklust tett lehetővé.
- 2022 augusztusában az MIT Donald Sadoway vezette csapata bemutatott egy alumínium–kén akkumulátor dizájnt, olvadó klóraluminát elektrolittal, amely körülbelül 110 °C-en működik.
- 2024 októberében a Lyten bejelentette, hogy Nevádában megépíti a világ első Li–S akkumulátorgyárát, amely 2027-re évi 10 GWh kapacitást céloz meg, több mint egymilliárd dolláros beruházással.
- 2025 márciusában a Theion 15 millió eurót gyűjtött a kristályos kén Li–S celláinak felskálázására, állítva, hogy celláik háromszor akkora energiasűrűséget érnek el a Li-ionhoz képest, harmadával alacsonyabb költséggel és harmadával kevesebb CO₂-kibocsátással, miközben nagyobb tasakcellákra törekszenek.
- 2023-ban a Phinergy és az Indian Oil Corporation bemutatta India első alumínium-levegő meghajtású járművét.
- A NASA SABERS projektje 500 Wh/kg energiasűrűséget céloz meg Li–S vagy szilárdtest megoldásokkal repülési alkalmazásokhoz.
- 2024 januárjában a Nature Communications közölte, hogy egy 85 °C-en működő alumínium–kén akkumulátor 1C töltés mellett 1 400 ciklus után 85,4%-os kapacitásmegőrzést mutat.
- 2022 végén a Sydneyi Egyetem bejelentette egy szobahőmérsékletű nátrium-kén akkumulátort, amely négyszeres kapacitást ér el a Li-ionhoz képest porózus szén elektróda és pirolízis alkalmazásával.
Miért érdemes alumíniumot vagy ként vizsgálni? Mindkét elem rendkívül bőségesen előfordul és olcsóbb a lítiumhoz és a kobalt-hoz képest, amelyeket a Li-ion cellákban használnak. Az alumínium a Föld kérgének leggyakoribb fémje, és nagyon magas elméleti kapacitással rendelkezik a töltés tárolására (minden Al atom 3 elektront tud leadni, így a töltéskapacitása 2,98 Ah/gramm, ami óriási) nature.com. A kén az egyik legolcsóbb nemfém elem (gyakran a kőolaj-finomítás mellékterméke), és minden atomja két lítiumionhoz tud kötődni, ami nagyon magas energiatárolási potenciált tesz lehetővé nature.com, anl.gov. Elvileg az alumíniumot vagy ként használó akkumulátorok adott tömeg mellett több energiát tárolhatnak, és sokkal olcsóbbak lehetnek a mai lítium-ion akkumulátoroknál. Ahogy az Argonne National Laboratory kutatói magyarázzák: „A kén rendkívül bőséges, költséghatékony, és több energiát tud tárolni, mint a hagyományos ion-alapú akkumulátorok.” anl.gov Hasonlóképpen, az alumínium olcsó, széles körben elérhető, és tömegre és térfogatra vetítve is sűrűn tárolja a töltéstnature.com.
Egy másik fontos motiváció a biztonság és fenntarthatóság. A lítium-ion akkumulátorok gyúlékony szerves folyadékelektrolitokat használnak, és gyakran ritka fémeket igényelnek (mint a kobalt, nikkel, lítium), amelyek ellátási lánc és etikai problémákat vetnek fel. Ezzel szemben sok alumínium- és kénakkumulátor-terv nem gyúlékony elektrolitokat (például ionfolyadékokat vagy olvadt sókat) használhat, és elkerülheti a konfliktusos ásványokat. Például egy új lítium-kén akkumulátor-terv kizárólag „bőségesen elérhető helyi anyagokat használ, kiküszöbölve a bányászott ásványok, mint a nikkel, kobalt, mangán és grafit szükségességét” – állítja a Lyten akkumulátor startup lyten.com. Donald Sadoway, az MIT professzora – aki vezető akkumulátor-innovátor – kifejezetten „olcsó, Földön bőségesen előforduló” összetevőket keresett, hogy valami „sokkal jobbat, mint a lítium-ion” találjon fel, és legújabb akkumulátorkémiájában az anódhoz alumíniumot, a katódhoz ként választott news.mit.edu.
Röviden, az alumínium- és kénakkumulátorok célja egy olcsóbb, biztonságosabb és etikusabb akkumulátor létrehozása olyan elemek felhasználásával, amelyek bőségesek (nincs globális ellátási szűkösség), olcsók és eleve nagy kapacitásúak. Most nézzük meg, hogyan működnek ezek az akkumulátorok a gyakorlatban, és milyen típusok fejlesztése zajlik.
Hogyan működnek? (Az akkumulátorok alapjai közérthetően)
Az alumínium-alapú akkumulátorok jellemzően alumínium fémet használnak anódként. Amikor az akkumulátor kisül, az alumínium fém elektronokat ad le (ez hozza létre az elektromos áramot) és alumíniumionokat (Al³⁺), amelyek az elektroliton keresztül a katódhoz vándorolnak. Az akkumulátor típusától függően ezek az alumíniumionok vagy beépülnek (interkalálódnak) a katód anyagába, vagy reakcióba lépnek vele. Például egy alumínium-ion akkumulátorban az Al³⁺ ionok egy réteges katódba (például grafitba vagy fém-oxidba) vándorolnak be és ki töltés közben news.stanford.edu. Egy alumínium-kén akkumulátorban az alumíniumionok a katódnál lévő kénnel reagálnak, alumínium-kén vegyületeket képezve kisüléskor, majd töltéskor visszaalakulnak alumínium fémmé nature.com. És alumínium-levegő akkumulátorokban az alumínium fém a levegőből származó oxigénnel reagál egy speciális katódnál, alumínium-oxidot vagy -hidroxidot képezve – ez a reakció elektromosságot szabadít fel, amíg az alumínium anód el nem fogy.
A kén-alapú akkumulátorok általában kén katódot és fém anódot tartalmaznak (a lítium a leggyakoribb, de nátriumot, sőt magnéziumot vagy alumíniumot is lehet használni). Vegyük példaként a lítium-kén (Li-S) akkumulátort: kisüléskor a lítium fém atomjai az anódnál elektronokat adnak le, és lítiumionokká (Li⁺) válnak, amelyek az elektroliton keresztül a kén katódhoz vándorolnak. A kén (S₈ molekulák) ott lítium-szulfiddá (Li₂S) alakul, mivel beépíti a lítiumionokat – lényegében a kén magába szívja a lítiumionokat és az elektronokat, hogy új vegyületeket képezzen, az energiát a kémiai kötésekben tárolva. Töltéskor ez a folyamat megfordul: a lítiumionok elhagyják a ként és visszatérnek az anódhoz, a kén pedig visszaalakul. Mivel minden kénatom két lítiumatomot tud megkötni, és az S₈ gyűrűk különféle lítium-poliszulfid molekulákká bonthatók, az Li-S akkumulátorok elméletileg 3–5-ször több energiát tudnak tárolni tömegükhöz képest, mint a Li-ion akkumulátorok. A nátrium-kén (Na-S) akkumulátorok hasonlóan működnek nátriumionokkal, és jellemzően nátrium-poliszulfidokat vagy nátrium-szulfidot képeznek.
Ezekben az akkumulátorokban mindegyiknél az ionok oda-vissza vándorolnak az elektroliton keresztül, miközben az elektronok egy külső áramkörön át folynak – így töltődik és sül ki az akkumulátor. Az elektrolit lehet folyadék, gél vagy szilárd anyag, amely lehetővé teszi az ionok mozgását, de az elektronokat arra kényszeríti, hogy az áramkörön keresztül haladjanak (ez működteti a készüléket). Fontos, hogy ezekhez az új kémiai rendszerekhez néha speciális elektrolitokra van szükség. Az alumínium-ion akkumulátorok gyakran ionos folyadék vagy olvadt só elektrolitokat használnak, mert az Al³⁺ ionok erősen kölcsönhatnak a tipikus oldószerekkel. Valójában a korai újratölthető alumínium akkumulátorok csak akkor váltak életképessé, amikor a kutatók felfedeztek egy szobahőmérsékletű ionos folyadékot (klóraluminát sók alapján), amely lehetővé teszi, hogy az alumíniumionok hatékonyan be- és kivándoroljanak a grafit katódból news.stanford.edu. Hasonlóképpen, a lítium-kén akkumulátorok gyakran módosított folyékony vagy szilárd elektrolitokat használnak, hogy megelőzzék a később tárgyalandó problémákat (például a kén kiszivárgását az elektrolitba).
Egyszerűen összefoglalva: az alumínium akkumulátorok úgy termelnek energiát, hogy az alumínium fém atomonként több elektront ad le (hihetetlenül nagy töltés egy fématomra vetítve), és kötéseket alakít ki vagy egy befogadó katóddal, vagy oxigénnel/kénnel, míg a kén akkumulátorok úgy termelnek energiát, hogy egy könnyű, bőséges elem (kén) fémionokat és elektronokat köt meg energia-gazdag vegyületekbe. Mindkét kialakítás túllép az aktuális akkumulátorok egyetlen lítiumion-átvitelén, így potenciálisan nagyobb teljesítményt nyújthatnak töltésenként. Ezután nézzük meg, milyen konkrét változatai vannak ezeknek az akkumulátoroknak fejlesztés alatt.
Alapú alumínium akkumulátorok típusai
A kutatók többféle akkumulátort vizsgálnak, amelyek különböző módon használják az alumíniumot:
- Újratölthető alumínium-ion akkumulátorok (Al-Ion): Ezek az akkumulátorok alumínium fémet használnak anódként, és jellemzően egy grafitos katódot speciális ionos folyadékelektrolittal. Egy híres korai példát a Stanford Egyetem mutatott be 2015-ben, ahol a tudósok egy prototípus alumínium-ion akkumulátort demonstráltak alumínium anóddal és grafit katóddal ionos folyadékban. Ez rendkívül gyors töltést mutatott (egy kis cella körülbelül egy perc alatt feltölthető volt!), és rendkívül hosszú ciklusélettartamot (több mint 7 500 töltési ciklus kapacitásvesztés nélkül) news.stanford.edu. A Stanford-cella emellett nagyon biztonságos volt – a kutatók át tudtak fúrni a tasakcellán anélkül, hogy az meggyulladt volna, ellentétben a lítiumcellákkal news.stanford.edu. Ugyanakkor alacsonyabb feszültséggel rendelkezett (~2 volt, nagyjából a tipikus Li-ion cella feszültségének fele) news.stanford.edu, ami azt jelenti, hogy több cellára lenne szükség sorba kötve a hasznos feszültség eléréséhez. Fő vonzereje: Az Al-ion akkumulátorok gyors töltést, hosszú élettartamot és fokozott biztonságot ígérnek (nincsenek tűzveszélyes alkatrészek), olcsó anyagok (alumínium és szén) felhasználásával news.stanford.edu. A folyamatban lévő kutatások célja az energiasűrűség növelése jobb katódok és elektrolitok megtalálásával, hogy növeljék a feszültséget és a kapacitást news.stanford.edu. Világszerte több kutatócsoport (a Stanfordtól kínai egyetemekig news.mit.edu) fejleszti az alumínium-ion technológiát. Például a kutatók különféle katódanyagokat vizsgálnak (még fém-szulfidokat is beleértve nature.com), hogy hatékonyabban tárolják az alumíniumionokat nature.com.
- Alumínium-levegő akkumulátorok: Az alumínium-levegő egy primer akkumulátor (elektromossággal nem újratölthető, de mechanikusan „utántölthető”), amelyben az alumínium fém a levegő oxigénjével reagálva termel áramot. Ezeknek a celláknak lenyűgözően magas az energiasűrűségük, mivel a katód maga a környezeti levegő – így az akkumulátor rendkívül könnyű. Valójában az alumínium-levegő csomagok rendszerszinten körülbelül háromszor annyi energiát tartalmaznak tömegre vetítve, mint a lítium-ion akkumulátorok evreporter.com. A hátránya, hogy amint az alumínium anód alumínium-hidroxiddá vagy -oxiddá oxidálódik, a cella „kimerül”, és friss alumíniumra van szükség a folytatáshoz. Ez az alumínium-levegő akkumulátort inkább egy üzemanyagcellához vagy egy hatótávnövelőhöz teszi hasonlóvá: új alumíniumlemezt cserélsz be (és a használtat újrahasznosítod), ahelyett, hogy bedugnád tölteni. Az olyan cégek, mint az izraeli Phinergy, évek óta úttörői az alumínium-levegő rendszereknek. Az Indian Oil Corporationnel együttműködve alumínium-levegő akkumulátorokat tesztelnek elektromos járművekben és állandó tartalék egységekben. 2023-ban bemutattak egy kis elektromos autót Indiában, amely több mint 500 km-t tett meg alumínium-levegő cellákkal, mielőtt „alumínium utántöltésre” lett volna szükségeevreporter.com. A Phinergy vezérigazgatója, David Mayer megjegyzi, hogy az alumínium-levegő technológia „biztonságos, nem gyúlékony”, nem igényel nehéz töltőinfrastruktúrát, és (alumínium cseréjével) „néhány perc alatt” újratölthető, nem órák alatt evreporter.com. A hátránya egy teljes ellátási lánc kiépítése az alumíniumlemezek tömeggyártásához és újrahasznosításához. Ennek ellenére ez a technológia már most is kereskedelmi forgalomban van bizonyos területeken: például a Phinergy alumínium-levegő egységeit tartalék áramforrásként használják távközlési tornyokhoz (dízelgenerátorok helyett) Izraelben és Európában evreporter.com. Az alumínium-levegő akkumulátorok valószínűleg nem fogják közvetlenül kiváltani a telefonod újratölthető akkumulátorát, de szolgálhatnak hatótávnövelőként elektromos járművekhez vagy hosszú távú energiatároláshoz – hatalmas energiatartalékot biztosítva, amelyet időnként kicserélsz.
- Alumínium-kén akkumulátorok: Érdekesség, hogy néhány kutató az alumíniumot és a ként egy akkumulátorban kombinálja – alumíniumot használva anódként, ként pedig katódként, olvadt só vagy ionfolyadék elektrolittal. Ez a hibrid megközelítés igyekszik mindkét elem legjobb tulajdonságait kihasználni: az alumínium nagy anódkapacitását és a kén nagy katódkapacitását, mindehhez hihetetlenül olcsó anyagokkal. 2022 augusztusában az MIT Donald Sadoway vezette csapata bemutatott egy új alumínium-kén akkumulátor dizájnt, amely azonnal felkeltette a figyelmet alacsony költsége és teljesítménye miatt. Olvadt klóraluminát sókat használ elektrolitként, amelyek mérsékelt hőmérsékleten (kb. 110 °C, hasonlóan egy forró csésze kávéhoz) működnek, hogy a só folyékony maradjon news.mit.edu. A fűtött elektrolit okos választás volt: nemcsak, hogy nem gyúlékony és olcsó, hanem megakadályozta a dendritek – azokat a bosszantó fémtüskéket, amelyek rövidzárlatot okozhatnak az akkumulátorokban. Ahogy Sadoway fogalmazott, a választott só „lényegében nyugdíjazta ezeket a kontrollálhatatlan dendriteket, miközben nagyon gyors töltést is lehetővé tett” news.mit.edu. Az alumínium-kén prototípus cellája kevesebb mint egy perc alatt feltölthető volt rövidzárlat nélkül, és több száz ciklust bírt, a becsült cellánkénti költség pedig a hasonló lítium-ion cellák egyhatoda volt news.mit.edu. Ez óriási költségcsökkenés, amit külső elemzők is megerősítettek; az ilyen akkumulátorok anyagköltsége akár 85%-kal alacsonyabb lehet, mint a lítium-ioné a Science magazin szerint news.mit.edu. A cél az, hogy ilyen cellákat használjanak állandó energiatárolásra (pl. napenergia tárolása éjszakai felhasználásra), és esetleg elektromos járművek gyorstöltésének támogatására. Sadoway terveit egy Avanti nevű startup cég viszi piacra, amely a közeljövőben a cellák felskálázását és terheléses tesztelését tervezi news.mit.edu. Közben más kutatócsoportok is továbbfejlesztik az alumínium-kén koncepciót: 2024 januárjában kínai kutatók egy újratölthető Al-S akkumulátort jelentettek be, amely 85 °C-on (éppen a víz forráspontja alatt, még könnyebben fenntartható) kiváló élettartammal működik – több mint 1 400 ciklus 15%-os kapacitásvesztéssel, és ezen a hőmérsékleten is gyorsan tölthető nature.com. Ha az üzemi hőmérséklet 100 °C alá csökken, akkor egyszerű forróvizes fűtéssel is fenntartható az akkumulátor, ami „nagyon leegyszerűsíti” a hőmenedzsmentet, és szélesebb körű alkalmazásokat tesz lehetővé nature.com. A lényeg: Az alumínium-kén akkumulátorok áttörést hozhatnak a hálózati energiatárolásban, és talán bizonyos…járművekben, azáltal, hogy ultra-alacsony költségű, tűzálló akkumulátorokat szállítanak, amelyek Földön bőségesen előforduló alumíniumot (a leggyakoribb fém) és ként (a legolcsóbb nemfém) használnak news.mit.edu.
Kénalapú akkumulátorok típusai
Számos akkumulátortechnológia használ kén katódokat, amelyeket különböző anódokkal párosítanak:
- Lítium-kén (Li-S) akkumulátorok: A lítium-kén az egyik legtöbbet kutatott „poszt-lítium” kémia, mivel rendkívül magas energiapotenciállal rendelkezik. Egy Li-S cella elméletileg akár 5-ször annyi energiát is tárolhat tömeg szerint, mint egy lítium-ion cella, mivel a kén nagyon könnyű, és minden kénatom több lítiumatomot is képes megkötni. A gyakorlatban a Li-S akkumulátorok már laboratóriumi körülmények között is 400–500 Wh/kg energiasűrűséget mutattak (nagyjából kétszeresét a lítium-ionénak) businessaviation.aero, apricum-group.com. Emellett vonzóak, mert nagyon olcsók és környezetbarátok – a kén szinte semmibe sem kerül és bőségesen elérhető, a Li-S cellák pedig nem tartalmaznak kobaltot vagy nikkelt. Azonban a Li-S Achilles-sarka az élettartam és a stabilitás volt. A hagyományos Li-S prototípusoknál jelentkezett az úgynevezett „poliszulfid shuttle” effektus: a köztes kénvegyületek (poliszulfidok) az elektrolitba oldódnak ciklus közben, majd a lítium anódhoz vándorolnak, önkisülést, korróziót és gyors kapacitáscsökkenést okozva anl.gov. Emellett jelentős „lélegzést” (térfogatváltozást) is mutatnak – a kén töltés/kisütés során jelentősen kitágul és összehúzódik, ami károsíthatja a cellaszerkezetet reuters.com. Ezek a problémák azt eredményezték, hogy a korai Li-S akkumulátorok néhány tucat ciklus után tönkrementek. A jó hír, hogy a legújabb áttörések megoldják ezeket a problémákat. A kutatók nanostrukturált szénkatódokat és elektrolit-adalékokat fejlesztettek ki a poliszulfidok csapdázására és az élettartam meghosszabbítására nature.com. 2023 januárjában az Argonne National Lab bemutatott egy Li-S cellát egy speciális, porózus „redox-aktív” köztes réteggel, amely szinte teljesen megszüntette a shuttle problémát, lehetővé téve, hogy az akkumulátor 700+ ciklust is kibírjon magas kapacitás megtartása mellett anl.gov. „A korábbi [kén] akkumulátorok csak elnyomták a shuttlingot, de feláldozták az energiát. A mi rétegünk tárolókapacitást és shuttle-gátlást is ad” – magyarázta Guiliang Xu, az Argonne vegyésze anl.gov. Ez arra utal, hogy a Li-S akkumulátorok egyszerre lehetnek nagy energiasűrűségűek és hosszú élettartamúak. Valójában a cégek most versenyeznek a kereskedelmi bevezetésért: Lyten, egy kaliforniai startup, saját fejlesztésű 3D grafén anyaggal megerősített lítium-kén cellát fejlesztett, és 2024–2025-ben drónok, repülőgépipar és védelem területén célozza meg a speciális piacokat lyten.com. A Lyten azt állítja, hogy Li-S akkumulátorai 40%-kal könnyebbek, mint a mai lítium-ionos (és 60%-kal könnyebbek, mint a vas-foszfátos akkumulátorok), miközben nagyüzemi gyártásban olcsóbbak a nikkel, kobalt és más drága anyagok elhagyása miatt lyten.com. Egy másik cég, a Theion (Németország) kristályos kén katódokon dolgozik, és nemrégiben olyan Li-S cellákról számolt be, amelyeknek háromszorosa az energiasűrűsége a Li-ionhoz képest, harmadannyi költséggel, és potenciálisan harmadannyi gyártási kibocsátással reuters.com. A Theion vezérigazgatója, Ulrich Ehmes elmondta, hogy akkumulátoraik – amelyek elkerülik a korróziós problémákat egy stabil kénforma és előre tágított kialakítás révén – akár “az évtized vége előtt” is megjelenhetnek elektromos járművekben, ha a fejlesztés a tervek szerint halad reuters.com. Röviden: a lítium-kén akkumulátorok a laboratóriumból a piacra lépés küszöbén állnak, és ultrakönnyű, nagy energiasűrűségű egységeket ígérnek olyan alkalmazásokhoz, ahol minden kilogramm számít (elektromos repülőgépek, nagy hatótávú EV-k, űripar).
- Nátrium-kén (Na-S) akkumulátorok: A nátrium és a kén talán furcsa párosnak tűnhet (a nátrium rendkívül reakcióképes, és a korai Na-S akkumulátorok forrón, 300°C-on működtek), de ez a kémia régóta bevált a hálózati energiatárolásban. A magas hőmérsékletű Na-S akkumulátorokat évtizedek óta használják közüzemi méretű energiatárolásra (különösen a japán NGK), – ezek olvadt nátriumot és ként alkalmaznak, amelyeket szilárd kerámia elektrolit választ el egymástól, így jó hatékonyságot és hosszú élettartamot biztosítanak helyhez kötött tárolásra. Azonban az a szükséglet, hogy ~300 °C-on kell őket tartani, korlátozta az elterjedésüket. Mostanában nagy az izgalom a szobahőmérsékletű nátrium-kén akkumulátorok körül, amelyek olcsó, biztonságos alternatívát kínálhatnak nagyméretű tárolásra. 2022 végén a Sydney-i Egyetem csapata bejelentett egy „olcsó akkumulátort, amely négyszeres kapacitású a lítium-ionhoz képest”, egy új szobahőmérsékletű Na-S kialakítással sydney.edu.au. Egy porózus szén elektróda és egy egyszerű hőkezelés (pirolízis) alkalmazásával reaktívabb kénformát hoztak létre, így szuper-nagy kapacitást és rendkívül hosszú élettartamot értek el szobahőmérsékleten, felülmúlva a Na-S korábbi „lassú” teljesítményét sydney.edu.au. A vezető kutató, Dr. Shenlong Zhao szerint ez a nátrium-kén akkumulátor „drasztikusan csökkentheti a költségeket, miközben négyszeres tárolókapacitást nyújt. Ez jelentős áttörés a megújuló energia fejlesztésében…” sydney.edu.au. Valóban, a nátrium és a kén még bőségesebb és olcsóbb, mint a lítium, így egy sikeres Na-S akkumulátor nagy előrelépést jelenthet a hálózati energiatárolásban – lehetővé téve nagy akkumulátorokat szél- és naperőművek számára minimális költséggel. Bár a Na-S cellák nem érik el a lítium-ion szintjét a kompakt elektromos járművek igényeihez (a nátrium nehezebb, és ezek a cellák jelenleg nagyobb méretűek), kulcsfontosságú részévé válhatnak a tiszta energia infrastruktúrájának, biztonságos és olcsó tárolást kínálva, amikor nem süt a nap vagy nem fúj a szél sydney.edu.au. Világszerte (Kína, Ausztrália, Európa) folynak kutatások a szobahőmérsékletű Na-S akkumulátorok finomítására és kereskedelmi forgalomba hozatalára.
- Egyéb kénalapú akkumulátorok: A Li-S és Na-S akkumulátorokon túl a kutatók más fémekkel, például magnéziummal vagy kalciummal is kísérleteztek kénkatódok kombinálásával, sőt, a ként alumíniummal is párosították (ahogy korábban említettük). Ezek a multivalens fém–kén akkumulátorok (ahol a fémion több töltést hordoz, pl. Al³⁺ vagy Mg²⁺) ugyanazért vonzóak, mint az alumínium vagy a kén önmagában – bőségük és nagy kapacitásuk miatt –, de még bonyolultabb kémiai kihívásokkal néznek szembe, és többnyire a kutatás korai szakaszában járnak advanced.onlinelibrary.wiley.com. Például a magnézium-kén cellák az elektrolit kompatibilitásával és lassú kinetikájával küzdenek. Szilárdtest kénakkumulátorok egy másik élvonalbeli változat: szilárd elektrolit (gyakran szulfid vagy polimer) használatával a tudósok biztonságosabb (nem gyúlékony folyadékot tartalmazó) Li-S cellákat szeretnének létrehozni, amelyek teljesen elnyomják a poliszulfid shuttle-t onlinelibrary.wiley.com, businessaviation.aero. A NASA aktívan fejleszt egy szilárdtest lítium-kén akkumulátort (SABERS projekt) kén-szelén katóddal és egy új szilárd elektrolittal, amely ~500 Wh/kg energiasűrűséget ér el, ami alkalmassá teszi elektromos repüléshez businessaviation.aero. A kén vonzereje – könnyű, bőséges, nagy teljesítményű – sok futurisztikus akkumulátorkoncepció középpontjába helyezte.
Miután áttekintettük az alumínium- és kénalapú akkumulátorok típusait, most összehasonlíthatjuk, hogyan viszonyulnak ezek a technológiák az uralkodó lítium-ionhoz, és milyen egyedi előnyöket kínálnak.
Fő előnyök és pozitívumok a lítium-ionhoz képest
Az alumínium- és kénalapú akkumulátorok jelentős előnyöket ígérnek költség, fenntarthatóság és teljesítmény terén, ha fejlesztésük sikeresen folytatódik. Íme a legfontosabb előnyök:
- 🌎 Bőséges, olcsó alapanyagok: Az alumínium és a kén olcsók és szinte mindenhol bőségesen elérhetők. Az alumínium a földkéreg leggyakoribb fémje, a kén pedig a finomítás gyakori mellékterméke. Ez azt jelenti, hogy az anyagköltségek drasztikusan alacsonyabbak lehetnek. A Science egyik jelentése szerint az alumínium-kén akkumulátor nyersanyagai akár 85%-kal olcsóbbak lehetnek, mint a lítium-ion akkumulátorokéi news.mit.edu. A Theion (egy kén akkumulátor startup) hasonlóan azt állítja, hogy celláik csak harmadannyiba kerülnek majd, mint a Li-ion cellák reuters.com. Sadoway szavaival élve ezek az akkumulátorok „etikusan beszerzettek, olcsók [és] hatékonyak” news.mit.edu – elkerülik a drága, gyakran problémás bányászathoz kötődő fémeket. A bőséges erőforrások használata kevesebb ellátási szűk keresztmetszetet is jelent; nem kell lítium- vagy kobalthiánytól tartanunk, ha az alumínium- és kénalapú akkumulátorok elterjednek.
- 🔥 Fokozott biztonság (nem gyúlékony): Számos új generációs alumínium/kén akkumulátor jóval biztonságosabbra van tervezve. A gyúlékony szerves elektrolitok helyett szervetlen olvadéksókat vagy szilárd elektrolitokat használhatnak, amelyek nem gyulladnak meg news.mit.edu. A Stanford és az MIT által bemutatott alumínium-ion és alumínium-kén cellák „nem kapnak lángra, még akkor sem, ha átfúrják őket”, vagy magas hőmérsékleten működnek news.stanford.edu, news.mit.edu. Hasonlóképpen, a szilárd vagy gél elektrolittal párosított kén katódok jobban ellenállnak a hőelmenekülésnek, mint a hagyományos Li-ion akkumulátorok. A Phinergy alumínium-levegő rendszere eleve nem éghető és „biztonságos, nem gyúlékony” működés közben evreporter.com. A fokozott biztonság nemcsak a felhasználókat védi, hanem egyszerűsíti a szállítást és a gyártást is (nincs szükség drága hűtésre vagy tűzoltó rendszerre az akkumulátorcsomagokban).
- ⚡ Nagy energiasűrűség és kis súly: Mindkét kémia lehetőséget kínál nagyobb energiatárolásra tömeg szerint, mint a mai akkumulátorok. A lítium-kén akkumulátorok például prototípusokban ~500 Wh/kg-ot értek el businessaviation.aero – ez körülbelül kétszerese a legjobb lítium-ionnak, így sokkal könnyebb akkumulátorcsomagokat tesz lehetővé. A Lyten jelentése szerint Li-S celláik akár 40%-kal könnyebbek lehetnek, mint a lítium-ion csomagok ugyanannyi energia mellett lyten.com. A Theion célja a lítium-ion energiasűrűségének háromszorosa reuters.com. Elektromos járművek és repülőgépek esetén ez hosszabb hatótávot vagy nagyobb hasznos terhet jelenthet ugyanakkora akkumulátorsúly mellett. Az alumínium-levegő energiasűrűsége kiemelkedő (néhány éve egy alumínium-levegő „tankkal” 1 100 mérföldes EV-rekordot állítottak fel), igaz, utántöltést igényel. Még az alumínium-ion akkumulátorok is, bár elméleti energiasűrűségük alacsonyabb, mint a Li-S-é, kiválóak lehetnek a teljesítménysűrűségben – a Stanford cellája egy perc alatt teljesen feltöltődött news.stanford.edu, ami olyan akkumulátorokat vetít előre, amelyek olyan gyorsan tölthetők, mint egy benzintank feltöltése. Röviden, ezek a technológiák vagy sokkal több energiát (hosszú távú használatra), vagy sokkal gyorsabb kisütési/töltési sebességet kínálhatnak, mint a lítium-ion, vagy mindkettőt.
- 🔋 Hosszú ciklusélettartam lehetősége: Megfelelő tervezéssel az alumínium- és kénalapú akkumulátorok élettartama elérheti vagy meghaladhatja a lítium-ionét. Az alumínium fém anódok nem képeznek olyan dendriteket, mint a lítium (különösen megfelelő elektrolitok mellett) news.mit.edu, így nagyon tartósak lehetnek. A Stanford Al-ion cella több mint 7 500 ciklust élt túl (egy nagyságrenddel többet, mint a lítium-ion) news.stanford.edu. A kéncellák történelmileg rossz ciklusélettartamúak voltak, de az új tervezések (interlayerek, szilárdtest, stb.) már több száz vagy ezer ciklust is elérnek minimális veszteséggel anl.gov, nature.com. Helyhez kötött energiatárolásnál kulcsfontosságú, hogy az akkumulátor megbízhatóan működjön napi ciklusban 10+ éven át, és ezeknek a kémiáknak a fejlesztői kiemelten foglalkoznak a stabilitással.
- ♻️ Környezeti és etikai előnyök: Mivel könnyen elérhető anyagokat használnak, ezek az akkumulátorok elkerülik az olyan ritka fémek, mint a kobalt, a nikkel és a lítium bányászatával és feldolgozásával járó környezeti károkat. Emellett csökken az akkumulátor beágyazott szénlábnyoma is. A Theion becslése szerint a kénalapú akkumulátorcellaik gyártása során csak harmadannyi CO₂ keletkezik, mint a lítium-ion cellák esetében reuters.com. A kén gyakran ipari hulladék (több millió tonna áll raktárakban), így az akkumulátorokban való felhasználása lényegében ipari hulladék újrahasznosítása. Az alumínium szintén rendkívül jól újrahasznosítható – a meglévő globális újrahasznosítási infrastruktúra lehetővé teszi a használt akkumulátorokból származó alumínium könnyű visszanyerését. Etikai szempontból a kén és az alumínium használata elkerüli a kobalt bányászatát övező gyermekmunka és emberi jogi problémákat. Mindezek a tényezők azt jelentik, hogy a következő generációs akkumulátorok fenntarthatóbbak és társadalmilag felelősebbek lehetnek teljes életciklusuk során.
- 💡 Gyors töltés és nagy teljesítmény: Egyes alumínium/kén alapú tervek ultragyors töltési képességet mutatnak. Már említettük a laboratóriumi tesztekben elért 60 másodperces töltést news.stanford.edu. Emellett az alumínium-kén cellák laboratóriumi körülmények között nagyon magas töltési sebességgel működtek (pl. 1C vagy annál nagyobb töltési arány emelt hőmérsékleten, kiváló megtartással) nature.com. Az alumínium-levegő akkumulátorok pedig az alumínium cseréjével azonnal „újratölthetők”. Ezek a tulajdonságok enyhíthetik az egyik legnagyobb fogyasztói panaszt az elektromos járművekkel és kütyükkel kapcsolatban – a hosszú töltési időt –, és szükség esetén nagy teljesítményt is biztosíthatnak (képzeljünk el például olyan elektromos szerszámokat vagy járműveket, amelyek alumínium akkumulátorral erőteljes teljesítményt nyújtanak feszültségesés nélkül).
Fontos megjegyezni, hogy ezek az előnyök nem mindegyik változatra érvényesek egyformán (például az alumínium-levegő nagy energiasűrűséget ad, de nem tölthető vissza elektromosan; az alumínium-ion gyorsan tölt, de alacsonyabb a feszültsége; a Li-S nagyon könnyű, de jelenleg mérsékelt az élettartama). Azonban az alapvető ígéret az alumínium- és kénalapú akkumulátoroknál az, hogy drasztikusan csökkenthetjük a költségeket és a ritka anyagoktól való függőséget, miközben kulcsfontosságú területeken – biztonság, energiasűrűség, teljesítmény – egyenértékű vagy jobb teljesítményt nyújtunk.
Kihívások és technikai akadályok
Ha az alumínium- és kénalapú akkumulátorok ilyen jók, miért nem terjedtek még el mindenhol? Az igazság az, hogy ezek a technológiák jelentős kihívásokkal néznek szembe, amelyeket a kutatók és mérnökök még mindig igyekeznek leküzdeni:
- Poliszulfid shuttle és katód degradáció (kénproblémák): A lítium-kén és más kénkatódos akkumulátorokban a hírhedt poliszulfid shuttle probléma komoly akadályt jelentett. Az akkumulátor ciklusai során a kén köztes állapotokon megy keresztül, amelyek oldódhatnak az elektrolitban, és elvándorolhatnak az anódhoz, önkisülést, az aktív anyag elvesztését és akár káros reakciókat is okozva az anóddal anl.gov. Ez gyors kapacitáscsökkenéshez vezet. Ráadásul a kénkatódok hajlamosak duzzadni és zsugorodni jelentősen (akár ~80%-os térfogatváltozás), miközben lítium-szulfiddá alakulnak, majd vissza reuters.com. Ez a „lélegzés” idővel szétzúzhatja a katódot, vagy leválaszthatja azt az áramgyűjtőkről. Bár új stratégiák (például védő rétegek hozzáadása anl.gov, nanostrukturált szénhordozók vagy szilárd elektrolitok használata) enyhítették ezeket a problémákat, annak biztosítása, hogy egy kénakkumulátor valós körülmények között több száz ciklust kibírjon, továbbra is kulcsfontosságú kihívás.
- Dendritek és lemezesedési problémák (fém anódok): Az alumínium fém anódok, akárcsak más fém anódok, képesek dendritek (vékony, vezető szálak) képződésére töltés közben, amelyek rövidzárlatot okozhatnak a cellában. Valójában az alumínium akkumulátorok hosszú ideig tartó sikertelenségének egyik fő oka az volt, hogy senkinek sem sikerült megbízhatóan ismételni az alumínium le- és felrakódását – gyakran „mohás” lerakódás keletkezett, vagy a felületi oxid miatt deaktiválódott. Az ionfolyadék és olvadt só elektrolitok sokat segítettek ezen probléma „megszelídítésében” (egy kutatócsoport szerint olvadt só alapú Al akkumulátoruk „soha nem vesztett cellát dendrites rövidzárlat miatt” gyors töltési tesztek során news.mit.edu). Azonban, ha hagyományosabb elektrolitot használnának, a dendritek vagy az alumínium oxidrétegével való mellékreakciók problémásak lehetnének. Hasonlóképpen, ha lítiumfém anódot használnak kénakkumulátorokban (ami gyakori a Li-S kialakításoknál), lítium dendritek és biztonsági problémák merülnek fel, különösen folyékony elektrolitok esetén. A kutatók gyakran párosítják a Li-S-t védőmembránokkal vagy szilárdtest-kialakításokkal, hogy megelőzzék a lítium dendritek kialakulását.
- Alacsony működési feszültség és energiahatékonyság (alumíniumion): Az alumíniumion-akkumulátorok, különösen azok, amelyek interkalációt használnak (pl. grafit katódok), jellemzően alacsonyabb cellafeszültséggel rendelkeznek, mint a lítiumionosak. A Stanford híres alumíniumion-cellája körülbelül 2,0 voltot produkált news.stanford.edu, míg egy lítiumion-cella névleges feszültsége ~3,7 V. Ez részben az Al³⁺ interkaláció kémiájának és az elektrolit korlátainak köszönhető. Az alacsonyabb feszültség azt jelenti, hogy több cellára van szükség sorba kötve (ami növeli a bonyolultságot és némi energiaveszteséget okoz), hogy elérjük a kívánt akkumulátorcsomag-feszültséget. Továbbá ott van a multivalens ionok problémája, mint az Al³⁺, amelyeknek lassú a kinetikája szilárd anyagokban – egy +3 töltésű ion mozgatása nehezebb, mint egy +1 töltésű, például a Li⁺ esetében, így nagy teljesítmény elérése nehéz lehet, hacsak nem emelik a hőmérsékletet vagy nem használnak speciális elektrolitokat nature.com. Néhány alumínium akkumulátor csak emelt hőmérsékleten (60–100 °C) működik jól, ami bonyolíthatja használatukat fogyasztói elektronikában (senki sem akar folyamatosan forró akkumulátort a telefonjában!). A jó hír: az elektrolitokkal kapcsolatos innovációk (például bizonyos sók hozzáadása vagy új keverékek használata) javítják az alumíniumion-vezetőképességet alacsonyabb hőmérsékleten nature.com.
- Hőmérsékleti követelmények: Mint említettük, több alumínium- és nátriumalapú kialakítás olvadéksó elektrolitokat használ, amelyeket melegen kell tartani. Például az MIT alumínium-kén akkumulátora optimálisan körülbelül 110 °C-on működik news.mit.edu, és még a továbbfejlesztett változat is 85 °C-on üzemel nature.com. Bár ezek ipari mércével nem számítanak extrém magasnak, azt jelentik, hogy az akkumulátorcsomagnak szigetelésre és talán egy kis fűtőegységre lenne szüksége, hogy a megfelelő tartományban maradjon. Ez rendben van helyhez kötött tárolásnál (ahol egy hűtőszekrény méretű akkumulátor rendelkezhet hőmenedzsmenttel), de kihívást jelent hordozható alkalmazásoknál és elektromos járműveknél, hacsak a hő nem önfenntartó (Sadoway cellája valójában önmelegítő a ciklusok során, hogy fenntartsa a hőmérsékletet news.mit.edu). A magas hőmérsékleten való működés robusztus tömítést és biztonsági megfontolásokat is igényel (bár előnye, hogy nincs tűzveszély). A kutatók azon dolgoznak, hogy csökkentsék a működési hőmérsékletet, sőt, szobahőmérsékletű kémiákat is vizsgálnak mind az alumínium-, mind a nátriumalapú rendszerekhez nature.com.
- Töltési infrastruktúra és „újratöltés” (Al-Air): Az alumínium-levegő (és hasonló fém-levegő rendszerek) esetében egyedi probléma, hogy ezeket nem lehet újratölteni egyszerűen töltőre csatlakoztatva. Szükség van az alumínium anód cseréjére vagy újrahasznosítására, miután elhasználódott. Ehhez ki kell építeni egy teljes infrastruktúrát az alumínium lemezek vagy patronok cseréjére, a használtak begyűjtésére és az alumínium újrahasznosítására (valószínűleg elektromos árammal működő kohós eljárással, ami lényegében „újratölti” az alumíniumot). Az Indian Oil és a Phinergy aktívan dolgozik ezen az ökoszisztémán evreporter.com, de ez teljesen más szemlélet, mint a benzinkutak vagy töltőállomások. Széles körű támogatás nélkül az alumínium-levegő technológia megmaradhat rétegszintű megoldásnak. Továbbá az alumínium-levegő melléktermékét (alumínium-hidroxid) is kezelni kell – bár ezt új alumíniummá vagy más termékké lehet újrahasznosítani.
- Gyártási felskálázás és integráció: A lítium-ion technológia 30 éves előnnyel rendelkezik, hatalmas gyártási kapacitással, optimalizált ellátási láncokkal és jól képzett munkaerővel. Bármely új akkumulátorkémia számára kihívás a laboratóriumi vagy kísérleti méretről gigagyári szintre lépni. Az alumínium- és kénalapú akkumulátorok új gyártási folyamatokat igényelhetnek (például nedvességérzékeny ionfolyadékok vagy szilárd elektrolitok kezelése, vagy új cellatervek, mint a Theion rétegezett elektródái). A felskálázás hibák nélkül és alacsony költséggel nem triviális feladat. Továbbá ott az integráció kérdése is – ezek az új akkumulátorok beilleszthetők a meglévő eszközökbe vagy járművekbe, vagy teljesen új tervezést igényelnek? Eltérő feszültségprofilok, formátumok vagy üzemeltetési feltételek miatt akár az akkumulátorkezelő rendszerektől az autóvázakig mindent újra kellhet tervezni. Ezek az átmeneti költségek és bizonytalanságok lassíthatják az elterjedést.
- Jelenlegi helyzet (technológiai érettség): Bár 2024-ben és 2025-ben jelentős áttörések történtek (ahogy a következőkben kiemeljük), sok alumínium- és kénalapú akkumulátortechnológia még mindig prototípus vagy korai kereskedelmi szakaszban van. Egyik sem érte még el azt a tömeges elterjedést, mint a lítium-ion. Például a lítium-kén cellák most kezdenek megjelenni korlátozott piacokon, mint a drónok és műholdak, ahol rövid élettartamuk elfogadható vagy kezelhető. Az alumínium-kén és alumínium-ion technológiák demonstrációs és felskálázási fázisban vannak; egyetlen elektromos autóban vagy hálózatban sincs még nagy méretű, teljes szolgálatban lévő ilyen akkumulátor. Ez azt jelenti, hogy továbbra is fennáll a kockázata annak, hogy a valós használat során előre nem látható problémák merülnek fel (gondoljunk csak a lítium-ion korai hőelszabadulási eseteire). Időre, befektetésre és valószínűleg több iterációra lesz szükség, mire ezek a technológiák olyan megbízhatóvá válnak, mint a jelenlegi megoldások. Egy szkeptikus megjegyzés: a lítium-ion technológia is évről évre fejlődik – új kémiai megoldásokkal, mint a lítium-vas-foszfát (LFP) és a lítium-fém szilárdtest akkumulátorok – tehát az alumínium- és kénalapú akkumulátoroknak nemcsak működniük kell, hanem versenyezniük is kell a folyamatosan fejlődő jelenlegi technológiával.
Kik vezetik a feltöltést? Főbb szereplők a fejlesztésben
Ez az izgalmas terület akadémiai laborokat, startupokat és ipari óriásokat egyaránt felvonultat, akik feszegetik a határokat. Íme néhány kiemelkedő szereplő és tevékenységük:
- Massachusetts Institute of Technology (MIT) & Avanti: Az MIT az innovatív akkumulátorkutatás egyik központja. Donald Sadoway professzor csoportja vezette az alumínium-kén akkumulátor koncepcióját. Miután áttörő eredményeiket publikálták a Nature folyóiratban 2022-ben, Sadoway társalapította az Avanti céget a technológia kereskedelmi hasznosítására news.mit.edu. Az Avanti célja az alumínium-kén cellák gyártásának felskálázása helyhez kötött energiatárolásra és azon túl. Sadoway arról is ismert, hogy társalapítója volt az Ambri nevű cégnek, amely folyékonyfém-akkumulátorokat (más kémiai összetétellel, például kalciummal és antimonnal) fejleszt. Az Ambri a hálózati szintű energiatárolást célozza, és 2024-ben már rendszerek telepítéséről számoltak be youtube.com. Az Ambri és az Avanti révén Sadoway innovációi a nagy közüzemi akkumulátoroktól egészen az épületek vagy elektromos autó töltőállomások kisebb akkumulátoraiig terjedhetnek news.mit.edu. Az MIT hatása itt nem ér véget – kutatói lítium-kén projekteken is dolgoznak, és az intézet gyakran működik együtt nemzeti laboratóriumokkal és vállalatokkal a legmodernebb akkumulátortechnológiák fejlesztésében.
- Stanford Egyetem & SLAC: A Stanford korán felhívta magára a figyelmet az alumínium-ion akkumulátorok terén (a 2015-ös, gyorsan tölthető Al-ion prototípus news.stanford.edu). Ezt a munkát Hongjie Dai professzor vezette, és azt mutatta meg, hogy egy egyszerű grafit katód lehetővé teheti a tölthető alumínium akkumulátort. A Stanford továbbra is folytat akkumulátorkutatásokat; például a SLAC (a Stanford Lineáris Gyorsító Laboratórium) újfajta katódokat vizsgált alumínium akkumulátorokhoz, mint például a fém-szulfidokat nature.com, és az interfészkémiát tanulmányozta a ciklikus élettartam javítása érdekében. Bár a Stanford 2015-ös felfedezése még nem vált kereskedelmi termékké, bizonyította a megvalósíthatóságot, és sok későbbi tanulmány hivatkozott rá. Emellett kiemelte a Stanford nyílt kutatási szemléletét, amely az ipari átvételhez vezet (néhány Stanford akkumulátor-kutató később startupokhoz csatlakozott vagy saját vállalkozást alapított a Bay Area akkumulátor startup szcénájában).
- Graphene Manufacturing Group (GMG) & Queenslandi Egyetem: Ausztráliában a GMG (a Queenslandi Egyetemmel együttműködve) egy grafén-alumínium-ion akkumulátort fejleszt. Érme-cella prototípusokban lenyűgöző teljesítményről számoltak be – rendkívül gyors töltés és hosszú ciklusélettartam – grafént (a szén egy formája) használva katódanyagként alumínium-ion konfigurációban batteriesnews.com. A GMG célja, hogy technológiáját olyan tasakcellákig fejlessze, amelyek alkalmasak fogyasztói elektronikához vagy elektromos járművekhez, és 2022 végén már fejlesztési programjuk és kísérleti gyártósoruk is volt folyamatban graphenemg.com. Megközelítésük kiemeli a nanoméretű anyagok (grafén) és az új kémiai rendszerek, mint az alumínium-ion szinergiáját a jobb eredmények elérése érdekében.
- Phinergy és az Indian Oil (IOC): A Phinergy egy izraeli startup, amely több mint egy évtizede úttörő szerepet játszik az alumínium-levegő akkumulátorok fejlesztésében. 2014-ben híressé váltak azzal, hogy egy bemutató autót 1 100 mérföldön át hajtottak alumínium-levegő technológiával, és azóta a tartalék áramellátásra és az elektromos járművek hatótáv-növelésére fókuszálnak valódi termékekkel. A Phinergy partnerségre lépett az Indian Oil Corporation-nel, hogy közös vállalatot (IOC Phinergy) hozzanak létre, amely az alumínium-levegő technológiát Indiába viszi – ez hatalmas lehetőség egy olyan ország számára, amely olajalternatívákat keres és ki akarja használni alumíniumiparát. 2023 elejére az IOC Phinergy bemutatta India első alumínium-levegővel működő járművét, és elkezdte kiépíteni a lemezgyártási és újrahasznosítási infrastruktúrát alcircle.com. Az indiai kormány is érdeklődést mutatott, mivel az alumínium-levegő csökkentheti a behozott lítiumtól való függőséget. A Phinergy technológiáját már kereskedelmi forgalomban is használják távközlési tornyok tartalék áramellátására (a dízelgenerátorokat kibocsátásmentes alumínium-levegő rendszerekkel váltva ki) evreporter.com, és autógyártókkal, például a Mahindrával dolgoznak együtt járműintegráción (például elektromos riksák és buszok tesztflottái, amelyek alumínium-levegővel növelik a hatótávot) evreporter.com . A Phinergy előrelépése kulcsfontosságú, mivel az elsők között van, akik laboratóriumon kívül, gyakorlati alkalmazásban is bevetik az alumínium-alapú akkumulátort.
- Lyten: A Lyten egy Silicon Valley-i startup (székhelye: San Jose, Kalifornia), amely több éve „stealth mode”-ban dolgozik egy saját fejlesztésű 3D grafén anyaggal továbbfejlesztett lítium-kén akkumulátor kifejlesztésén. Nemrég nagy bejelentéssel léptek elő: 2024 októberében a Lyten bejelentette, hogy több mint 1 milliárd dolláros beruházással lítium-kén akkumulátor gigagyárat épít Nevadában lyten.coml. A létesítmény várhatóan 2027-re évente 10 GWh Li-S akkumulátort fog gyártani lyten.com. Ez a merész lépés azt jelzi, hogy bíznak abban, hogy technológiájuk közel áll a tömeggyártásra való alkalmassághoz. A Lyten kezdeti célpiacai nem a személygépkocsi EV-k, hanem a mikromobilitás, repülőgépipar, drónok és védelem 2024–2025-ben lyten.com – olyan területek, ahol a Li-S magas energiasűrűsége döntő előnyt jelent, és ahol az enyhén alacsonyabb ciklusszám is elfogadható lehet. A vállalat hangsúlyozza akkumulátorai kis súlyát és konfliktusmentes ásványi anyagok hiányát, és valóban, celláik lítiumfém anódot és kén-szén kompozit katódot használnak, elkerülve a nikkelt, kobaltot stb. lyten.com. A Lyten vezérigazgatója, Dan Cook azt mondta: „A lítium-kén ugrás az akkumulátortechnológiában, nagy energiasűrűségű, könnyű akkumulátort eredményez, amely bőségesen elérhető helyi anyagokból készül” lyten.com. 2023 óta házon belül is gyártanak kísérleti akkumulátorcellákat a gyártási folyamat tesztelésére és finomítására lyten.com. Ha a Lyten gigagyára sikeres lesz, az játékmeg-változtató lehet – az első kereskedelmi Li-S akkumulátorok nagyüzemi gyártásban, potenciálisan a következő generációs elektromos repülőgépekben vagy nagy hatótávolságú elektromos kamionokban, ahol minden font számít.
- Theion: A Theion egy Berlinben, Németországban működő startup, amely lítium-kén akkumulátorokra specializálódott egy csavarral – kristályos ként és speciális elektródákat használnak a stabilitás javítása érdekében. 2025 márciusában a Theion 15 millió eurót gyűjtött egy Series A finanszírozási körben, hogy felskálázzák akkumulátorcella-gyártásukat reuters.com. A Theion állítása szerint celláik háromszoros energiasűrűséget tudnak elérni a lítium-ionhoz képest, miközben a költségeket harmadára csökkentik, ahogy azt korábban említettük reuters.com. Állítólag kulcsfontosságú problémákat oldottak meg azáltal, hogy előzetesen kitágítják a katódot a kén tágulásának befogadására, illetve a ként kristályos formában tartják, amely kevésbé reaktív az elektrolitokkal reuters.com. Ulrich Ehmes vezérigazgató szerint technológiájuk felhasználható lehet elektromos járművekben, „repülő taxikban” vagy energiatárolásban, és akár már a 2020-as évek végére autókban is megjelenhet reuters.com. A Theion megközelítése azért is keltett figyelmet, mert nem támaszkodik egzotikus anyagokra – azt hangsúlyozzák, hogy akkumulátoraik „kevesebbet lélegeznek” és nem korrodálódnak úgy, mint a korábbi Li-S cellák. A finanszírozás segíti őket abban, hogy nagyobb tasakcellákat fejlesszenek, és túllépjenek az érme-cella prototípusokon reuters.com. Németország érdeklődése a kénalapú akkumulátorok iránt összhangban van Európa törekvésével, hogy saját, fenntartható akkumulátortechnológiákat fejlesszen ki.
- Argonne National Laboratory & U.S. DOE: A közfinanszírozású kutatások területén az Argonne (valamint más amerikai Energiaügyi Minisztérium laboratóriumok, mint az Oak Ridge és a Pacific Northwest) aktívan kutatja a kénalapú akkumulátorokat. Már szó volt az Argonne áttöréséről a Li-S cellák köztes rétegének tervezésében anl.gov. Emellett szilárdtest kénalapú akkumulátorokat is vizsgálnak a NASA-val együttműködésben, repülési célokra. Az Energiaügyi Minisztérium Járműtechnológiai Hivatala több projektet is finanszírozott Li-S, Mg-S, sőt Li-Air és Al-Air témában is, felismerve a következő generációs kémiák stratégiai jelentőségét. A nemzeti laboratóriumok gyakran működnek együtt egyetemekkel (például az Argonne az Illinois-i Egyetemmel dolgozott együtt a kén köztes rétegeken), és megosztják eredményeiket, amelyekre startupok is építhetnek. Például a poliszulfidok viselkedésének megértése és a fejlett karakterizáció (olyan eszközökkel, mint az Argonne Advanced Photon Source, amely röntgenanalízist tesz lehetővé akkumulátorokon anl.gov) nagyrészt ezekből a laboratóriumokból származik.
- Egyéb kiemelkedő szereplők: Egyetemek, mint például a Monash Egyetem (Ausztrália), 2020-ban azzal került a hírekbe, hogy egy olyan Li-S akkumulátort fejlesztett, amely állítólag öt napig képes működtetni egy okostelefont, és kiváló stabilitást mutatott egy új kötőanyag és elektróda kialakítás révén advancedsciencenews.com. A Monash azóta a gyorsan tölthető Li-S akkumulátorokon is dolgozik, elektromos repülés céljaira monash.edu. Az Egyesült Királyságban a mára megszűnt Oxis Energy úttörő volt a Li-S területén; 2021-es bezárása előtt az Oxis közel 400 Wh/kg energiasűrűségű Li-S cellákat fejlesztett, és repülőgépgyártókkal dolgozott együtt. Szellemi tulajdonát más szervezetek szerezték meg, amelyek valószínűleg új projekteket indítottak ezek alapján. A kínai akadémiai és ipari szféra rendkívül aktív – olyan intézmények, mint a Kínai Tudományos Akadémia, a Wuhan Műszaki Egyetem (amely Sadoway Al-S cikkének társszerzője volt news.mit.edu), valamint olyan cégek, mint a CATL, vizsgálják a kén- és alumínium-kémiákat, bár a részleteket néha titokban tartják. Még a Tesla Battery Day rendezvényén is utaltak 2020-ban a kén iránti érdeklődésre (Elon Musk tréfásan megjegyezte, hogy a Tesla „lítiuméskén” kutatásokat folytat, részletek nélkül, valószínűleg hosszú távú projektekhez). Végül a NASA és a Boeing is vizsgálja a Li-S akkumulátorokat repülőgépekhez: a NASA SABERS projektje egy többrétegű kén akkumulátort fejlesztett, amely elérte az 500 Wh/kg energiasűrűséget, ami lehetővé teheti elektromos repülőgépek vagy fejlett drónok működését businessaviation.aero.
Egyértelmű, hogy egy globális ökoszisztéma innovátorai viszik előre az alumínium- és kénakkumulátorokat – a lelkes startupoktól a nagy múltú nemzeti laboratóriumokig. A következő néhány év (2025–2030) valószínűleg azt hozza majd, hogy ezek az erőfeszítések valódi termékekben és kísérleti bevezetésekben öltenek testet.
Áttörések és legújabb innovációk (2024–2025)
A 2024-től 2025-ig tartó időszak különösen izgalmas volt az alumínium- és kénakkumulátor-fejlesztések szempontjából, több figyelemre méltó áttöréssel:
- 2024. január – Alumínium-kén 85 °C-on (Nature Communications): Kutatók bemutattak egy új alumínium–kén akkumulátort, amely 85 °C-on működik egy kvaterner olvadt só elektrolittal, amelyet a Nature Communications nature.com folyóiratban publikáltak. Ez az akkumulátor gyors töltési képességet és meglepő élettartamot mutatott: kapacitásának 85,4%-át megtartotta 1 400 ciklus után 1C töltési sebességnél nature.com. Fontos, hogy a 85 °C nagy előrelépés a korábbi olvadt só alapú akkumulátorokhoz képest, amelyeknek 110–180 °C-ra volt szükségük nature.com. A csapat ezt úgy érte el, hogy speciális sókeveréket (alkáli-klóraluminátokat) állított elő alacsony olvadásponttal, ami elősegítette a gyors alumíniumion-mozgást is nature.com. Emellett nitrogénnel dúsított, porózus szén katódot használtak, amely segítette a kénreakciók gyors lefolyását nature.com. Ez az eredmény jelentős, mert rámutat a gyakorlatias, alacsony költségű hálózati akkumulátorok lehetőségére, amelyek egyszerű fűtéssel működhetnek (akár csak meleg vízzel, ahogy a szerzők megjegyzik nature.com), és gyors töltést tesznek lehetővé degradáció nélkül. Ez egy lépés afelé, hogy az MIT Al-S akkumulátor koncepciója felhasználóbarátabbá és mobilabbá váljon.
- 2024. október – A Lyten bejelenti a Li-S gigagyárat: A Lyten bejelentése egy lítium-kén akkumulátor gigagyárról Nevadában jelentős iparági hír volt 2024 végén lyten.com. Ez lesz a világ első gigagyára, amely kizárólag Li-S cellákra specializálódik, és 2027-re évi 10 GWh termelést céloz meg lyten.com. Még ennél is figyelemreméltóbb, hogy a Lyten közölte: Li-S akkumulátorai már 2024-ben és 2025-ben belépnek bizonyos piacokra – konkrétan már vannak ügyfeleik a mikromobilitás (e-kerékpárok, rollerek), a repülőgépipar (talán műholdak vagy nagy magasságban repülő drónok), drónok és védelmi alkalmazások területén, akik használják az akkumulátoraikat lyten.com. Ez arra utal, hogy a Lyten már túljutott a laboratóriumi prototípusokon, és eljutott a kísérleti gyártásig, valamint a tényleges terepi használatig ezekben a szegmensekben. Egy nagy gyár építésének terve azt mutatja, hogy bíznak a technológia felskálázhatóságában és a kereslet megjelenésében. Ez egyben nagy jelzés az akkumulátoripar és a befektetők számára, hogy a lítium-kén technológia közel áll a széles körű bevezetéshez. Hamarosan láthatunk olyan termékeket, amelyek „Li-S akkumulátorral” büszkélkednek, legalábbis a csúcskategóriás vagy speciális alkalmazásokban, ennek eredményeként. 2025. március – Theion tőkét von be, 3× energiát állít: 2025 márciusában a Reuters arról számolt be, hogy a Theion 15 millió eurót gyűjtött össze kénalapú akkumulátorának felskálázására, amely „több energiát tárol, de sokkal kevesebbe kerül, mint a hagyományos lítium-ion akkumulátorok.” reuters.com A Theion nyilvánosan is ismertette néhány technikai stratégiáját, elmondva, hogy celláik háromszor akkora energiasűrűséggel rendelkeznek, mint a Li-ion, harmadannyi költséggel és harmadannyi CO₂-kibocsátással, ahogy azt korábban is említettük reuters.com. A fő aggályokra is kitértek: a gyors korróziót kristályos kén használatával kerülik el, a tágulást pedig azáltal kezelik, hogy előre kitágítják a katóda szerkezetét reuters.com. A finanszírozás segíteni fog abban, hogy az érmecellákról nagyobb tasakcellákra (amelyek alkalmasak EV-khez vagy repülőgépekhez) váltsanak reuters.com. Ez a fejlemény emlékeztet arra, hogy nem csak egy, hanem több startup (Lyten, Theion, mások) is mérföldköveket ér el és tőkét vonz, növelve annak esélyét, hogy legalább egyikük kereskedelmileg is sikeres lesz. Ez kissé emlékeztet a lítium-ion korai napjaira, amikor több vállalat és ország is versenyben volt – most amerikai és európai szereplők is egyszerre fejlesztik a kénalapú akkumulátorokat.
- 2023 – 2024 – A kénciklus-élettartam rejtvényének megoldása: 2023 folyamán és 2024 elején több kutatócsoport is előrelépésekről számolt be a kénalapú akkumulátorok ciklusélettartamának meghosszabbításában. Az egyik kiemelkedő eredmény az Argonne által vezetett tanulmány volt (2022 augusztusában jelent meg a Nature Communications-ben), amely bemutatta, hogy egy redox-aktív réteg drámaian javíthatja a Li-S akkumulátorok stabilitását anl.gov. 2023 elejére arról számoltak be, hogy ez a megközelítés olyan cellákat eredményez, amelyek több száz cikluson keresztül is megőrzik nagy kapacitásukat anl.gov, ezzel a Li-S akkumulátorokat közelebb hozva a mindennapi használat lehetőségéhez. 2024 közepén egy másik csapat egy hajlítható, rugalmas Li-S akkumulátorról számolt be, amely speciális vas-szulfid katódot használ, és még vágás után is működőképes marad acs.org – ez újszerű megoldás lehet hordható vagy rugalmas elektronikai eszközökhöz, amelyek Li-S technológiát használnak. Ezek a lépésről lépésre történő fejlesztések fontosak: egyenként oldják meg az apróbb problémákat (mint például a poliszulfid-kezelés, mechanikai igénybevételek stb.). Minden egyes fejlesztés közelebb viszi a Li-S cellákat ahhoz, hogy megfeleljenek a kereskedelmi elektronika és járművek szigorú követelményeinek.
- 2024 – Az alumínium akkumulátor K+F fellendülése: Az alumínium területén is érdekes kutatások zajlottak 2024 végén. Tudósok új katódanyagokat alumínium-ion akkumulátorokhoz – például kobalt-szulfidot – vizsgáltak, hogy nagyobb kapacitást és jobb töltéstárolási mechanizmusokat érjenek el nature.com. Egyre bővül a „multivalens” akkumulátorok (beleértve az Al, Mg, Zn rendszereket) kutatása is, amelyek gyakran hasonló kihívásokkal és áttörésekkel szembesülnek – például egy adott rendszerhez fejlesztett jobb elektrolitok néha más rendszerekben is alkalmazhatók advanced.onlinelibrary.wiley.com. Indiához hasonló országok is befektetnek az alumínium akkumulátor technológiába, nemcsak a Phinergy alumínium-levegő akkumulátorán keresztül, hanem akadémiai kutatások révén is, hogy az indiai viszonyokhoz alkalmas, újratölthető alumínium akkumulátort hozzanak létre (az állam támogatja ezeket a projekteket a nemzeti energiatárolási programja keretében). Bár ezek még nem kerültek be a világsajtóba, hozzájárulnak ahhoz a lendülethez, amely világszerte az alumínium akkumulátorok körül alakul ki.
- Politikai és piaci jelzések: Az áttörést jelentő történetek nem csak technikai jellegűek. 2024–2025-ben erős piaci jelzéseket látunk, amelyek támogatják ezeket az új akkumulátorokat. Az amerikai kormány Inflációcsökkentő Törvénye (IRA) és más politikák ösztönzik a hazai akkumulátor-ellátási láncokat – ez pedig kedvez azoknak a kémiai megoldásoknak, amelyek helyben beszerezhető anyagokból, például kénből (az USA sok ként állít elő olajfinomításból) és alumíniumból készülhetnek. A Lyten nevadai gigagyára és az amerikai védelmi minisztérium érdeklődése a könnyű Li-S akkumulátorok iránt katonák vagy műholdak számára mind ezen ösztönzők eredményei lyten.com. Európában a fenntarthatóság iránti törekvés nagyon vonzóvá teszi a kobalt- és nikkelmentes akkumulátorokat, ezért kapnak EU-s támogatást olyan projektek, mint a Theion és mások. Még Kínában is, ahol a lítium-ion gyártás dominál, államilag támogatott programok indultak a „következő generációs” akkumulátorok fejlesztésére (például a hírek szerint a CATL egy nátrium-ion + kén hibrid akkumulátoron dolgozik, amelyet 2023/24 körül terveznek bevezetni állandó energiatárolásra). Mindezek a trendek azt mutatják, hogy eljött az alumínium- és kénalapú akkumulátorok ideje – a világ megoldásokat keres, és a technológia utoléri ezeket az igényeket.
Lényegében az elmúlt két év során az alumínium- és kénalapú akkumulátorok egy szűk laboratóriumi érdekességből komoly versenytársakká váltak az energiatárolás jövőjében. Ahogy egy tudós találóan megfogalmazta: „Egy lépéssel közelebb kerültünk ahhoz, hogy ezt a technológiát a mindennapi életünkben lássuk.” anl.gov Ez a lépésről lépésre történő fejlődés zajlik most, és a következő lépés ezen innovációk szélesebb körű kereskedelmi bevezetése és felskálázása lesz.
Lehetséges alkalmazások és hatás a tiszta energiára és elektromos járművekre
Az alumínium- és kénalapú akkumulátorok térnyerése számos ágazatra hatással lehet. Íme néhány a legígéretesebb alkalmazások és azok következményei közül:
- 🏠 Megújuló energia tárolása (hálózati és otthoni): Talán a legnagyobb rövid távú hatás a tiszta energia álló energiatárolásában lesz. A megújuló energia (nap, szél) egyik legnagyobb kihívása a szakaszosság – a nap és a szél nem áll rendelkezésre a nap 24 órájában, ezért hatalmas, gazdaságos akkumulátorokra van szükségünk az energia tárolásához, amikor ezek nem termelnek. A lítium-ion akkumulátorokat már elkezdték használni hálózati tárolásra, de ezek még mindig viszonylag drágák és importált anyagoktól függenek. Az alumínium-kén és nátrium-kén akkumulátorok, rendkívül olcsó összetevőikkel, drasztikusan csökkenthetik egy kilowattóra tárolásának költségét. Az MIT Sadoway kifejezetten a otthoni és környéki méretet célozta meg Al-S akkumulátorával – „az a méret, amely elegendő egyetlen otthon vagy kis- és középvállalkozás ellátásához” (több tíz kWh nagyságrendben) news.mit.edu. Az ilyen akkumulátorok lehetővé tennék a tetőre szerelt napelemekkel rendelkező háztulajdonosok számára, hogy a nappali energiát olcsón tárolják éjszakai felhasználásra, vagy a kisvállalkozásoknak, hogy dízelgenerátor nélkül legyen tartalék áramuk. Nagyobb léptékben a közműcégek hatalmas alumínium- vagy nátrium-kén akkumulátorparkokat telepíthetnének a megújuló energia termelésének kiegyenlítésére. A Sydney-i Egyetem csapata megjegyezte, hogy alacsony költségű Na-S akkumulátoruk „jelentősen csökkentheti a dekarbonizált gazdaságra való átállás költségeit” azáltal, hogy megfizethető tárolást biztosít sydney.edu.au. Azokon a helyeken, ahol nincs lehetőség szivattyús víztározós tárolásra, ezek az elektrokémiai megoldások kulcsfontosságúak. Ráadásul, mivel ezek az új akkumulátorok nem gyúlékonyak (ami fontos a közösség biztonsága szempontjából) és bőségesen rendelkezésre álló anyagokat használnak, sok régióban helyben is gyárthatók és telepíthetők – növelve az energiabiztonságot. Összességében a széles körben elterjedt alumínium/kén álló akkumulátorok lehetővé tennék a magasabb megújuló energia arányt, csökkentenék a korlátozást (a tárolás hiánya miatt elpazarolt nap- és szélenergiát), és segítenének stabilizálni a hálózatot tiszta, szabályozható energiával.🚗 Elektromos járművek (EV-k): Könnyebb és nagyobb energiasűrűségű akkumulátorok jelentik a szent grált az EV-k és még az elektromos repülés számára is. A lítium-kén akkumulátorok különösen vonzóak ezen a területen. Egy Li-S akkumulátorcsomag drasztikusan megnövelheti egy EV hatótávolságát anélkül, hogy súlyt adna hozzá – vagy éppen ellenkezőleg, ugyanazt a hatótávot sokkal könnyebb akkumulátorral lehetne elérni, javítva a hatékonyságot. Például, ha egy EV-nek ma 600 kg-os Li-ion akkumulátorra van szüksége 300 mérföldes hatótávhoz, egy kétszeres energiasűrűségű Li-S akkumulátor ezt ~300 kg-mal is elérhetné, jelentősen csökkentve a jármű súlyát. Ez javítja a gyorsulást, a kezelhetőséget, és csökkenti a fogyasztott energia mennyiségét mérföldenként. Ez az elektromos teherautókat és buszokat is életképesebbé teheti azáltal, hogy felszabadítja a hasznos teher súlyát. Olyan cégek, mint az Oxis Energy (mielőtt bezárt) és a Sion Power dolgoztak együtt repülőgép- és autóipari partnerekkel Li-S prototípus akkucsomagokon hosszú hatótávú repülőgépekhez és EV-khez. Valójában a Sion Power korábbi Li-S cellái egy nagy magasságban repülő pszeudo-műholdat (egy pilóta nélküli napelemes repülőgépet) hajtottak, amely repülési időtartam rekordokat döntött a 2010-es években. Újabban a NASA és az Airbus is vizsgálta a Li-S-t, mint az egyik egyetlen módját annak, hogy elérjék a szükséges 500 Wh/kg-ot a gyakorlati elektromos utasszállító repülőgépekhez businessaviation.aero – SABERS projektjük sikere arra utal, hogy a közeljövőben regionális elektromos repülőgépek jelenhetnek meg kénalapú akkumulátorokkal. Az elektromos repülő taxik és drónok szintén profitálnának ebből; a Theion kifejezetten megemlítette a repülő járműveket, mint célterületet reuters.com. A Li-S-en túl még az alumínium-levegő akkumulátoroknak is lehet szerepük az EV-kben: ezek hatótáv-növelő modul szerepét tölthetik be, amelyet hosszú utakra aktiválhatunk. Képzeljünk el egy EV-t, amelynek van egy kis Li-ion akkumulátora a napi ingázáshoz, és egy alumínium-levegő „segédakkumulátora”, amelyet csak akkor töltünk fel (alumínium cserével), amikor 1 000 km-es autóútra indulunk. Ilyen hibrid akkumulátor-architektúrákat indiai olaj/Phinergy és más projektekben is vizsgálnak. Meg kell jegyezni, hogy a mainstream EV-k nem fognak egyik napról a másikra teljesen új kémiára váltani – a biztonságot, élettartamot és a gyors töltést bizonyítani kell – de a 2020-as évek végén elképzelhető, hogy a csúcskategóriás modellek vagy speciális járművek már új generációs akkumulátorokkal érkeznek. Ha ez megtörténik, az EV-k teljesítményét új magasságokba emelheti (500+ mérföldes hatótáv, nagyon gyors töltés, könnyebb autók), és csökkentheti a kritikus ásványi anyagoktól való függőséget, így lehetővé téve az EV-k nagyobb léptékű elterjedését erőforrás-szűk keresztmetszetek nélkül.
- 📱 Hordozható elektronika és viselhető eszközök: A jövőbeli okostelefonod vagy laptopod is profitálhat a kén- vagy alumínium-akkumulátorokból, bár ezeknél az alkalmazásoknál hosszú ciklusélettartamra és alacsony önkisülésre van szükség (ezekben jelenleg a lítium-ion kiváló). Egy lítium-kén akkumulátorral a telefonod napokig működhetne egyetlen töltéssel – emlékezz a Monash Egyetem koncepciójára, ahol egy telefon 5 napig bírta Li-S akkumulátorral advancedsciencenews.com. A súlymegtakarítás kevésbé kritikus egy telefonnál, de az energiasűrűség annál inkább. Az egyik kihívás, hogy a fogyasztói kütyük több száz ciklust és évekig tartó naptári élettartamot várnak el; a Li-S-nek még finomításra lesz szüksége ehhez. Ennek ellenére elképzelhető, hogy réspiaci kütyük vagy viselhető eszközök alkalmazzák majd őket, ha előnyt jelent a formájuk. Az alumínium akkumulátorok, különösen a Stanford-féle rugalmas kialakítások, lehetővé tehetik a hajlítható vagy feltekerhető kütyüket. Például egy rugalmas alumínium-ion akkumulátor beépíthető lehetne egy okosóra szíjába vagy okosruházatba. Ráadásul, mivel az Al-ion nagyon biztonságossá tehető (nincs tűzveszély), beépíthetők lennének eszközökbe terjedelmes védőburkolat nélkül is, akár kreatívabb ipari formatervezést is lehetővé téve. Ezek egyelőre spekulatívak, de ahogy a gyártás fejlődik, a fogyasztói elektronika fontos piac lehet (hiszen a lítium-ion is itt indult el a ’90-es években).
- ⚡ Gyors-töltési infrastruktúra: Egy kevésbé nyilvánvaló, de fontos alkalmazás ezeknek az új akkumulátoroknak a használata az EV-k gyors-töltésének elősegítésére és a hálózat stabilizálására. Ahogy Sadoway professzor rámutatott, ha sok EV próbál egyszerre tölteni (például több autó egy autópálya pihenőnél), az áramigény hirtelen megugrik, amit a villamos hálózat nehezen tud kiszolgálni news.mit.edu. Ahelyett, hogy a távvezetékeket fejlesztenék, okosabb egy akkumulátoros puffer telepítése a töltőállomásokra – az akkumulátor lassan tölt a hálózatról, majd gyorsan adja le az energiát az autóknak, amikor szükséges. Ezeknél a puffer akkumulátoroknál a költség és a biztonság a legfontosabb, a súly kevésbé számít. Ezért az alumínium-kén vagy nátrium-kén ideális jelöltek. Ezek helyben vannak, olcsón tárolnak energiát, nem gyulladnak ki, és gyorsan leadják a töltést. Sadoway külön kiemelte, hogy az Al-S rendszerek „kiküszöbölhetik a drága új távvezetékek telepítésének szükségességét” a gyors-töltő klaszterekhez news.mit.edu. Lényegében ezek az akkumulátorok ütéscsillapítóként működhetnek a villamos hálózatban, elnyelve a felesleges energiát és igény szerint leadva azt, akár EV-töltési hullámokhoz, akár a megújulók ingadozásainak kiegyenlítéséhez.
- 🏭 Ipari és kereskedelmi tartalék: Ahogy a távközlési tornyok is alumínium-levegő akkumulátorokat használnak tartalék áramforrásként, más iparágak és kereskedelmi létesítmények is alkalmazhatnák az alumínium- vagy kénalapú akkumulátorokat a megbízhatóság érdekében, és hogy csökkentsék a dízelgenerátoroktól való függőséget. Például az adatközpontok olyan akkumulátorokat igényelnek, amelyek biztonságosak, hosszú készenléti élettartamúak, és nagy léptékben költséghatékonyak – el lehet képzelni, hogy a nátrium-kén akkumulátor szobák felváltják a jelenleg szünetmentes tápegységekhez (UPS) használt lítium-ion vagy ólom-savas akkumulátorokat. Távoli vagy hálózaton kívüli helyszíneken rendkívül értékesek az olcsó akkumulátorok, amelyeket nem kell gyakran cserélni (kevesebb karbantartási út). Az alumínium-kén akkumulátorok, amelyek előrejelzések szerint nagyon alacsony költségűek kWh-nként, lehetővé tehetik a mikrohálózatok létrehozását vidéki vagy szigeti közösségekben, nap- vagy szélenergiával párosítva, hogy 0-24 áramot biztosítsanak anélkül, hogy tönkretennék a költségvetést.
- 🚀 Űrkutatás és védelem: Ezeknek az akkumulátoroknak a nagy teljesítménye természetesen vonzó az űrkutatási és védelmi alkalmazások számára. Mint említettük, a műholdak és a nagy magasságban repülő drónok (pszeudo-műholdak) sikeresen használták a Li-S akkumulátorokat, mivel könnyűek és jól teljesítenek alacsony hőmérsékleten (az űrbeli akkumulátorok gyakran hidegben működnek). Az amerikai hadsereg könnyebb akkumulátorokat keres a katonák számára (hogy csökkentsék a sok kilónyi lítium-ion csomag cipelésének terhét) – egy kénalapú akkumulátor drámaian csökkenthetné ezt a terhet. Ráadásul, mivel a kénalapú akkumulátorok nem tartalmaznak oxigént felszabadító vegyületeket (ellentétben a lítium-ionnal, amely hőfutam esetén O₂-t bocsáthat ki), biztonságosabbak lehetnek zárt terekben, például tengeralattjárókban vagy űrhajókban. Az alumínium-levegő akkumulátorok víz alatti áramforrásként szolgálhatnak hosszú üzemidejű, pilóta nélküli tengeralattjárók számára, ahol az alumíniummal való utántöltés megoldható. A védelmi szektor gyakran úttörő szerepet tölt be a legújabb technológiák bevezetésében, amelyek később szélesebb körben is elterjednek, így az alumínium- és kénalapú akkumulátorokba fektetett védelmi beruházások felgyorsíthatják a fejlesztést. Valójában a Lyten 2024–25-ös kezdeti együttműködései a űrkutatási, drón- és védelmi piacokon arra utalnak, hogy a védelmi szerződések segítenek bizonyítani a technológiát a lyten.com számára, mielőtt szélesebb körben elterjedne a fogyasztók körében.
Mindezen alkalmazásokban az átfogó hatás az, hogy lehetővé teszik a tiszta energiaátmenet gyorsabb és szélesebb körű megvalósulását. Az akkumulátorok költségének drasztikus csökkentésével és a lítium-ion ellátási lánc korlátaitól való megszabadulással az alumínium- és kénalapú akkumulátorok elérhetőbbé tehetik az elektromos járműveket (ami kulcsfontosságú a közlekedés dekarbonizációjához), megbízhatóbbá és elterjedtebbé tehetik a megújuló energiát (ami kulcsfontosságú az áramtermelés dekarbonizációjához), sőt, új lehetőségeket is teremthetnek, például az elektromos repülést. Használatuk során környezeti előnyökkel is járnak: például a dízel tartalék generátorok alumínium-levegő vagy nátrium-kén akkumulátorokkal való kiváltása csökkenti a helyi légszennyezést és a CO₂-kibocsátást. Ha a technológia beváltja a hozzá fűzött reményeket, a világ olcsóbb elektromos autókat, ellenállóbb tiszta hálózatokat és a ritka fémek bányászatának csökkenését tapasztalhatja – ami pozitív visszacsatolási hurkot jelent mind a gazdaság, mind a környezet számára.
Gazdasági és környezeti következmények
Gazdasági szempontból az alumínium- és kénalapú akkumulátorok a lehető legjobb módon lehetnek felforgatók: az energiatárolás költségének csökkentésével és az ellátási lánc diverzifikálásával. Egy akkumulátor jelentős részét teszi ki egy elektromos jármű vagy egy megújulóenergia-rendszer költségének, így az olcsóbb akkumulátorok olcsóbb termékeket és gyorsabb elterjedést jelentenek. Elemzők megjegyezték, hogy az olyan anyagok, mint az alumínium és a kén, töredékébe kerülnek a lítium, nikkel vagy kobalt árának. Például egy becslés szerint az alumínium-kén cellák anyagköltsége csak ~15%-a egy azonos lítium-ion celláénak news.mit.edu. Ha ezek a megtakarítások a gyártásban is megjelennek, az akkumulátorok ára (kWh-onként) jóval a jelenlegi lítium-ion tanulási görbe alá eshet. Az olcsó tárolás gazdasági növekedést is hajthatna az új üzleti modellek (például több naperőmű, közösségi tárolási projektek stb.) lehetővé tételével, valamint az energiafogyasztók költségeinek csökkentésével (képzelje el, hogy minden délután napelemmel tölti otthoni akkumulátorát, és soha nem fizet csúcsidős hálózati díjat).
Van egy geopolitikai szempont is: A lítium-ion gyártás ma erősen koncentrált (Kína uralja a cellagyártást, és olyan országok, mint a Kongói Demokratikus Köztársaság, szállítják a kulcsfontosságú ásványokat). Az alumíniumot azonban világszerte kohózzák (és az újrahasznosítás is helyi forrást jelent), a kén pedig mindenütt jelen van. Sok olyan ország, amelynek nincs lítiumforrása, igenis rendelkezik erős alumíniumiparral (például India, ahogy az IOC Phinergy esetében láttuk). Így az alumíniumalapú akkumulátorok lehetővé tehetik, hogy több nemzet belföldi akkumulátorgyártást építsen ki anélkül, hogy importált lítiumra vagy kobaltra támaszkodna. Ez a diverzifikáció csökkentheti a globális ellátási lánc kockázatait, és ellenállóbbá teheti az elektromos mobilitásra és a megújuló energiára való átállást a hiányokkal vagy politikai instabilitással szemben. Nevadában a tervezett Lyten gyár egy példa erre – amerikai forrásból származó ként használ, és belföldön szereli össze az akkumulátorokat, ami lyten.com összhangban van az akkumulátor-ellátás hazatelepítését és helyi munkahelyek teremtését célzó politikákkal (teljes kapacitás mellett 1 000 munkahelyet prognosztizálnak ebben az egy gyárban lyten.com).
A környezeti oldalon ezek az akkumulátorok több előnyt is kínálnak:
- Alacsonyabb szénlábnyom: Az akkumulátorgyártás energiaigényes, de a kén- és alumíniumakkumulátorok kevésbé egzotikus feldolgozással is előállíthatók. A kobalt- és nikkelfinomítás különösen szén-dioxid-intenzív. Ezek elhagyásával a gyártók csökkenthetik az akkumulátor kWh-onkénti CO₂-kibocsátását. A Theion 2/3-os szénlábnyom-csökkenést állított a kénalapú akkumulátoraira a lítium-ionhoz képest reuters.com. Ráadásul a kén hulladéktermékként is beszerezhető (gyakorlatilag nulla további szénköltséggel), és az alumínium újrahasznosítása csak ~5%-át igényli az elsődleges alumíniumgyártás energiájának – így az újrahasznosított alumínium használata az akkumulátorokban jelentősen csökkentené azok beépített energiatartalmát.
- Újrahasznosítás és életciklus vége: Az alumínium már most is az egyik leggyakrabban újrahasznosított anyag (gondoljunk csak az alumínium dobozokra). Már létezik infrastruktúra a hulladék alumínium beolvasztására és újrafelhasználására. Ha az alumínium-fém akkumulátorok elterjednek, elképzelhető, hogy a használt alumínium anódokat rutinszerűen gyűjtik és nagy hatékonysággal újrahasznosítják – egy körforgásos gazdaság az akkumulátor fémje számára. A kén újrahasznosítása akkumulátorok esetében közvetlenül bonyolultabb lehet (különösen, ha vegyületekbe van kötve), de mivel olcsó és nem mérgező, még ha hulladéklerakóba is kerül, nem jelent akkora környezeti veszélyt, mint például az ólom vagy a kadmium a régebbi akkumulátorokban. A kutatók találhatnak módot a kén visszanyerésére vagy arra, hogy az akkumulátorokból származó hulladék ként hasznos vegyületekké alakítsák (például a ként műtrágyákban is használják). Az ilyen akkumulátorokban található nehézfémek hiánya azt jelenti, hogy kevesebb mérgező e-hulladék keletkezik, ha nem megfelelően ártalmatlanítják őket, és ideális esetben könnyebb kezelést tesz lehetővé az újrahasznosító üzemekben.
- Csökkentett bányászati hatás: A lítium, a kobalt és a nikkel bányászata jelentős környezeti és társadalmi hatásokkal jár – a lítium sós oldatból történő kinyeréséhez szükséges vízhasználattól kezdve, a nikkelbányák körüli élőhelypusztításon és szennyezésen át, egészen a kobaltbányászatban előforduló gyermekmunka problémákig. Ezeknek az anyagoknak a felhasználásának csökkentésével vagy megszüntetésével az alumínium- és kénakkumulátorok enyhíthetik ezeket a terheket. Az alumínium sem teljesen problémamentes (a bauxitbányászatnak és az alumíniumkohászatnak is vannak saját problémái, mint például a vörösiszap-hulladék és a magas energiafelhasználás), de ezek a folyamatok sok országban jól szabályozottak, és a technológia is fejlődik (például az alumíniumkohászatban alkalmazott inert anódok a kibocsátás csökkentésére). És ismét, az alumínium újrahasznosítása nagymértékben csökkenti az új bányászat szükségességét. A kén felhasználása főként egy meglévő melléktermék újrahasznosításáról szól – ez valójában megoldhat egy problémát (óriási kénkészletek), ahelyett, hogy újat teremtene.
- Biztonság és egészség: Az akkumulátortüzek aggodalomra adnak okot a lítium-ion esetében, mivel az égő Li-ion mérgező gázokat bocsát ki, és nehezen eloltható tüzeket okozhat (ahogy azt néhány elektromos autó tűzeset is mutatta). A nem gyúlékony akkumulátorok kevesebb tűzesetet jelentenek, ami társadalmi szinten is biztonsági előny. Ez azt is jelenti, hogy az akkumulátorok szállítása és bontása is biztonságosabb. Például a leselejtezett elektromos autók lítium-ion akkumulátorcsomagjai tűzveszélyt jelentenek, ha megsérülnek; egy alumínium-kén akkumulátorral szerelt elektromos autó szétszerelése sokkal biztonságosabb lehet. Ugyanez igaz a fogyasztói eszközökre is – kevesebb robbanó vagy kigyulladó eszköz (gondoljunk a hírhedt telefonakkumulátor-tüzekre) jót tesz a közegészségnek és növeli a bizalmat az akkumulátortechnológiában.
- Tiszta tartalék energia: Azokon a helyeken, ahol jelenleg dízelgenerátorokra támaszkodnak tartalék vagy távoli áramellátás céljából (szigetek, vészmenedékek, távközlési tornyok), ezek alumínium-levegő vagy nátrium-kén akkumulátorokra való cseréje megszünteti a dízel üzemanyag égetését, ami azt jelenti, hogy nincs üvegházhatású gázkibocsátás, nincs részecskeszennyezés és nincs zaj. Ez közvetlen környezeti és életminőségbeli javulást jelent. Például Indiában az alumínium-levegővel működő távközlési tornyok helyi kibocsátása nulla lesz, míg a dízelgenerátorok hozzájárulnak a légszennyezéshez és a szén-dioxid-kibocsátáshoz.
Összességében az alumínium- és kénakkumulátoroknak megvan a lehetősége arra, hogy demokratizálják az energiatárolást – vagyis elérhetővé és környezetbaráttá tegyék azt annyira, hogy bárhol alkalmazhassuk, ahol szükség van rájuk a tiszta energia jövőjének megvalósításához. Nem lesznek mindenre megoldást jelentő csodaszerek (valószínűleg többféle akkumulátortechnológia lesz használatban), de piacra lépésük csökkentheti a költségeket, és minden akkumulátorgyártót fenntarthatóbbá válásra ösztönözhet.
Természetesen ezeknek az akkumulátoroknak az gazdasági sikere nem garantált; bizonyítaniuk kell, hogy olcsón gyárthatók és megbízhatóan működnek nagy léptékben is. Azonban a közelmúltbeli befektetések és prototípus sikerek nagyon biztatóak. Ha sikerrel járnak, a haszon nem csupán az olcsóbb elektromos autókban vagy jobb kütyükben mérhető – hanem az akkumulátorhasználatunk környezeti terheinek érdemi csökkentésében és a globális dekarbonizációs erőfeszítések előmozdításában is.
Következtetés: Fényes jövő hétköznapi elemekkel töltve
Az alumínium- és kénalapú akkumulátorok, amelyeket korábban esélytelen technológiáknak tartottak, gyorsan közelednek a kereskedelmi megvalósuláshoz. Ezek az akkumulátorok egy meggyőző elképzelést testesítenek meg: egyszerű, bőségesen elérhető összetevőket használni összetett energia-problémák megoldására. Az elmúlt néhány évben a kémia és anyagtudomány terén elért előrelépések ezt az elképzelést sokkal közelebb hozták a megvalósuláshoz. Ma már vannak alumínium-kén prototípus celláink, amelyek percek alatt gyorsan feltölthetők és több ezer ciklust kibírnak nature.com, lítium-kén akkumulátorok, amelyek olyan energiasűrűséget érnek el, amiről egy évtizede még csak álmodtunk reuters.com, sőt, már alumínium-levegő rendszerek is valós környezetben szolgáltatnak tiszta energiát evreporter.com.
Ha elmozdulunk a ritka fémektől és drága importoktól, és olyan „filléres” elemekből készítünk akkumulátorokat, mint az alumínium és a kén, az akkumulátoripar átalakulhat, ahogy a szilícium tette az elektronikai iparral – lehetővé téve a hatalmas méretnövelést és költségcsökkentést. Ahogy Sadoway tréfásan megjegyezte, ezek az új akkumulátorok „mindent tudnak, amiről egy akkumulátor esetében álmodhatnánk: olcsó elektródák, jó biztonság, gyors töltés, rugalmasság és hosszú élettartam” news.stanford.edu. Még vannak megoldandó problémák, de az irány egyértelmű.
A következő években várhatóan hallani fogunk kísérleti telepítésekről (talán egy kaliforniai napelemparkban MIT alumínium-kén cellákat használnak, vagy egy Lyten Li-S csomaggal működő drón dönt kitartási rekordot). Ahogy a gyártás felfut, a költségek tovább csökkennek, és a fennmaradó technikai kihívásokat – legyen az élettartam vagy üzemi hőmérséklet – valószínűleg megoldja a világszerte zajló intenzív kutatás.
A nagyközönség számára a hatás talán finom, de fontos módokon lesz érezhető: egy olcsóbb, nagyobb hatótávú elektromos autó, egy okostelefon, amely egy hosszú hétvégén át is bírja töltés nélkül, egy környék, ahol vihar esetén is világítanak a fények az akkumulátornak köszönhetően – mindezt olyan hétköznapi anyagokból, mint az alufólia és a kerti műtrágya (kén). A világ akkumulátoréhsége csak nő, és az alumínium- és kéntechnológiák biztosítják, hogy ezt az igényt fenntartható módon elégíthessük ki.
Ahogy az egyik, az akkumulátorok fejlesztésében részt vevő tudós optimistán fogalmazott: „Ezek az eredmények … óriási hatással vannak az [akkumulátor] fejlesztésére. Egy lépéssel közelebb kerültünk ahhoz, hogy ezt a technológiát a mindennapi életünkben láthassuk.” anl.gov Valóban, az a jövő, ahol életünket alumínium és kén – a Föld két legjelentéktelenebbnek tűnő eleme – hajtja, most már láthatóan a láthatáron van. Az energiatárolás forradalma zajlik, és a közönséges kémia, az innovatív mérnöki munka, valamint a tisztább, olcsóbb energia jövője iránti sürgető igény alapjaira épül.
Források: A jelentésben szereplő információk és idézetek megbízható, friss forrásokból származnak, beleértve lektorált tanulmányokat, egyetemi sajtóközleményeket, iparági híreket és a Reuters jelentéseit. Főbb hivatkozások: MIT News az alumínium-kén akkumulátorról news.mit.edu, az Argonne National Lab lítium-kén áttörései anl.gov, a Theion és Lyten fejlesztéseiről szóló Reuters beszámolók reuters.com, lyten.com, valamint iparági vezetőkkel készült interjúk (pl. a Phinergy vezérigazgatója az alumínium-levegő előnyeiről evreporter.com). Ezek és a szövegben található további hivatkozások részletes bizonyítékot szolgáltatnak a megfogalmazott állítások alátámasztására.
