Újabb nagy dobáson dolgozik a lítiumion-akkumulátor atyja

A cikk eredetileg az Ipon.hu-n jelent meg. Ez a cikk az eredeti cikkel megegyező másolat.

Az alábbi képen látható úr névről vagy arcról valószínűleg keveseknek tűnik ismerősnek, munkája azonban egyikünk számára sem lehet ismeretlen. John Bannister Goodenough ugyanis a lítiumion-akkumulátor atyja, ennek kifejlesztése pedig a tranzisztor 1947-es megalkotása óta a legjelentősebb eseménynek számít, ami az elektronika területén bekövetkezett. A tranzisztor átformálta az elektronikát, és lehetővé tette, hogy az a világgazdaság meghatározó tényezőjévé váljon, az 1991-ben a Sony által kereskedelmi forgalomba hozott lítiumion-akkumulátor pedig megoldotta a hordozhatóság problémáját is.

Bár az említett akkumulátor feltalálói, a tranzisztor fejlesztőivel ellentétben egyelőre nem kaptak Nobel-díjat – bár sokak szerint megérdemelnék −, a találmány jelentősége vitán felül óriási. Ennek hiányában nem lennének okostelefonok, táblagépek vagy laptopok, és valószínűleg nem létezne az Apple, a Samsung és a Tesla sem. Goodenough 1980-ban, 57 évesen hozta létre a későbbi lítiumion-akkumulátor egyik legfontosabb összetevőjét, azt a kobalt-oxid katódot, amely napjaink szinte minden hordozható elektronikus eszközében megtalálható.

Goodenough jelenleg 92 éves, minden nap ellátogat a Texasi Egyetemen található irodájába, és komoly tervei vannak a jövőre vonatkozóan. Még életében szeretne tenni valamit azért, hogy az elektromos autók és az alternatív energiaforrások valóban versenyképessé váljanak, ehhez pedig a mainál jobb energiatároló berendezésekre lenne szükség. A szakértő tehát egy újfajta szuperakku fejlesztésén dolgozik kollégáival, és mindenképp áttörést kíván elérni, amíg még megteheti, bár korával kapcsolatban rendkívül optimista. „Csak 92 éves vagyok. Van még időm.” – mondja nevetve.

Az akkumulátor egy olyan rendszer, amelyben töltéssel rendelkező atomok vándorolnak a készülék egyik részéről a másikra. A folyamat során az elektródák anyaga változik, vagyis töltéskor az akkuban az elektromos energia kémiai energiává alakul át, és ebben a formában tárolódik, majd kisütéskor visszaalakul elektromos energiává, és működteti a rákapcsolt eszközöket. A rendszer fő összetevői a negatív töltésű anód, a pozitív töltésű katód, illetve az ezeket összekötő anyag, az elektrolit, amelyben az ionok ide-oda utazhatnak. Az akkumulátorok hatékonysága elsődlegesen attól függ, hogy ez a három összetevő milyen anyagból van, hiszen ez határozza meg, hogy mennyi iont képes tárolni a rendszer, és milyen gyorsan tudja ezeket mozgósítani a kisütéskor.

A 20. század első éveiben az elektromos autókban ólomsavas akkumulátorokat használtak (ólom elektródákkal és kénsav elektrolittal), és ezek a kezdeti időszakban sokkal hatásosabbnak tűntek, mint az első belsőégésű motorok. Az ólomsavas akkumulátor nem számított új fejlesztésnek, először 1859-ben Gaston Planté hozott létre ilyet, és az ezzel üzemeltetett csendes, könnyen irányítható elektromos járművek sok szempontból jobbnak látszottak, mint a hangos, koszos belsőégésű motoros rendszerek. Aztán egy sor további fejlesztéssel, köztük az elektromos indítómotor beiktatásával egyre jobbá váltak a belsőégésű motorok, míg végül úgy tűnt, hogy ennél jobb rendszert nem is érdemes keresni.

1966-ban a Ford Motor volt az első cég, amely megpróbálta újra életre kelteni az elektromos gépjárműveket. Ehhez egy kén katóddal és nátrium anóddal rendelkező akkumulátort fejlesztettek ki, amely sokkal könnyebb volt és 15-ször annyi energia tárolására volt alkalmas, mint egy azonos méretű ólomsavas akku. Az újfajta rendszer ugyanakkor számos hátránnyal is rendelkezett. Ezek egyike volt, hogy 300 °C-on működött, szemben a belsőégésű motorok 90 °C-os üzemi hőmérsékletével. A nátrium ráadásul 98 °C-on olvad, és a levegővel érintkezve nagyon heves reakciót produkál. Mivel senki számára nem volt különösebben vonzó, hogy egy nagy adag forró, robbanásveszélyes, olvadt fémmel furikázzon ide-oda, a Ford új akkujának használatát legfeljebb álló rendszerekben lehetett elképzelni.

Ez azonban nem szegte kedvét a fejlesztőknek, akik a veszélyek ellenére gépjárművekben is tesztelni kezdték az akkut. A próbautak során egy órányi töltéssel elektromos autójuk több mint 300 kilométert volt képes megtenni az autópályán megszokott sebességgel. Ez valóban óriási előrelépést jelentett, hiszen egy ugyanekkora ólomsavas akkuval mindössze 64 kilométert lehetett hajtani legfeljebb 64 kilométer/órára gyorsulva.

Bár a Ford mérnökei által fejlesztett akku eredeti formájában nem volt alkalmas arra, hogy kereskedelmi forgalomba kerüljön, a teszteredmények igencsak felkavarták az akkuipart ekkoriban jellemző állóvizet. Goodenough, aki ebben az időszakban az MIT kutatójaként dolgozott, úgy fogalmaz, hogy egyik pillanatról a másikra minden megváltozott, és az akkumulátorok hirtelen újra érdekesek lettek. A következő évtized lázas fejlesztéssel telt, és ez csak tovább fokozódott az 1973-as olajválság hatására. Ezen kívül egyre általánosabbá vált az a nézet is, hogy az emberiség záros határidőn belül ki fog fogyni a kőolajból, így minél előbb alternatív megoldásokat kell keresni.

Goodenough érdekes pályát futott be, mielőtt bekapcsolódott volna az új lendületet kapó akkumulátor-fejlesztésbe. A connecticuti származású fiatalember a Yale-en szerzett matematikus diplomát. A második világháború alatt egy ideig az Azori-szigetek állomásozott, amikor hirtelen visszarendelték Washingtonba. Mint kiderült, az illetékesek úgy határoztak, hogy némi megmaradt költségvetési pénzből 21 tiszt további tanulmányait fogják finanszírozni a fizika és a matematika területén. Bár Goodenough előzőleg gyakorlatilag egyáltalán nem tanult fizikát, egyik volt professzora hozzáadta a nevét a listához, így rövidesen a Chicagói Egyetemen találta magát, ahol a kor vezető fizikusai, többek közt Teller Ede és Enrico Fermi oktatta az új generáció legnagyobb reményű tagjait.

Goodenough nagyon gyorsan behozta lemaradását, és kiderült, hogy kifejezetten jó érzéke van a fizikához. 1952-ben doktorált, majd az MIT Lincoln Laboratóriumában kezdett dolgozni. Ez a labor egy évvel korábban a légierő kezdeményezésére jött létre, és elsődleges céljuk a SAGE nevű légvédelmi rendszer kidolgozása volt. Goodenough a rendszer számítógépes részét fejlesztő csapathoz csatlakozott. Ebben az időszakban a számítógépek teremnyi méretűek, és roppant lassúak voltak. Nem sokkal Goodenough megérkezése után a kutatócsoport bemutatta az első mágnesmagos memóriát, amely sokkal gyorsabb, megbízhatóbb és kisebb volt elődeinél. A fejlesztés a legnagyobb áttörést jelentette a számítástechnikában a félvezetők húsz évvel későbbi megjelenéséig.

Goodenough a következő évek során további fontos projektekben vett részt, és többek közt részletesen tanulmányozta a mágnesség atomi szintű működését különböző anyagokban, amivel szintén sokat tett hozzá a számítástechnika későbbi fejlődéséhez. A hetvenes években aztán, mint szinte minden kutatót, őt is érdekelni kezdte, hogyan lehet megoldást találni a kibontakozó energiaválságra. Mivel a légierő által finanszírozott laborban ennek kutatására nem sok esélye adódott, 1976-ban áttette székhelyét az Atlanti-óceán túlpartjára, és az Oxfordi Egyetem szervetlen kémia laborjában kezdett dolgozni. Ez ismét egy érdekes, és kissé hihetetlen váltás volt, hiszen Goodenough addigi tanulmányai során mindössze két kurzust végzett el kémiából, ezeket is az alapképzésben, vagyis újra olyan pozícióba került, amelyre papíron teljesen alkalmatlannak tűnt.

Ez azonban egyáltalán nem zavarta abban, hogy minden idők egyik legkeményebb professzoraként vonuljon be a neves egyetem történetébe. Egyik volt tanítványának emlékei szerint volt olyan kurzusa, amelynek második alkalmán mindössze 8 hallgató jelent meg az eredeti 165-ből, annyira elrettentette őket az első előadás anyaga. A tanítás mellett a laborban is fáradhatatlan munkát végzett, és folyamatosan azt kutatta, hogyan lehet a legújabb kémiai áttörések révén megreformálni az energiaipart.

Nem sokkal azt követően, hogy Goodenough megérkezett Oxfordba, a Stanford egyik brit vegyésze, Stan Whittingham jelentős lépést hajtott végre az akkufejlesztés területén. Amerikai kollégáival rájött, hogyan lehet rétegzett anyagú elektródákat létrehozni. A kutatócsoport által kifejlesztett rendszerben a lítium-ionok titánszulfid-rétegeken tárolódtak a katódban. Az elrendezés egy olyan kisméretű, újratölthető akkumulátort eredményezett, amely szobahőmérsékleten üzemelt.

 

A Ford mérnökeinek akkuja

A fejlesztés híre nagy feltűnést keltett, és Whittingham-et rövidesen felkeresték az Exxon nevű olajipari cég vezetői, akik azt szerették volna, hogy a kutató támogatásukkal piacra dobható terméket hozzon létre a prototípusból. A munka óriási titkolózás mellett folyt tovább, míg végül 1976-ban az Exxon szabadalmaztatta az első kész lítiumbázisú akkumulátort. Az előző hat évtizedben az elektronikus eszközök többsége nem újratölthető szén-cink elemekkel működött, hiszen az autókban használt ólomsavas akkumulátorok túlságosan nagyok és nehezek voltak ahhoz, hogy a kisebb készülékekben használni lehessen ezeket. Whittingham fejlesztése ehhez képest óriási előrelépést jelentett, hiszen relatíve sok energia tárolására volt alkalmas, ráadásul pici, könnyű és újratölthető is volt, vagyis utat nyitott a létezőnél sokkal kisebb hordozható eszközök felé.

Az új akkuval ugyanakkor rengeteg volt a probléma. A működést lehetővé tevő elektrokémiai reakciókat nehezen lehetett kontrollálni, így a rendszer túltöltés esetén egyszerűen kigyulladt, rosszabb esetben pedig felrobbant. A szakértők az összetevők lecserélésével igyekeztek megoldani a gondokat, jól működő alternatívát azonban nem sikerült találniuk. További problémát jelentett, hogy bár az akku újratölthető volt, viszonylag hamar elhasználódott: elektródái bizonyos számú töltési ciklust követően egyszerűen elkezdtek szétesni.

Goodenough úgy vélte, hogy képes egy jobb és biztonságosabb akkumulátor megalkotására. Az MIT-n töltött évei során a szakértő egyebek mellett különböző fémoxidok viselkedését is kutatta, és úgy vélte, hogy ezek magasabb feszültségen képesek kisülni, és így több energiát tudnak stabilan tárolni, mint Whittingham akkuja. Goodenough egyúttal azonosította az akkugyártás egyik legnagyobb problémáját is. Rájött ugyanis, hogy minél több lítium-ion mozog az elektródák közt, az akku annál több energiát tud tárolni. Ugyanakkor azt is felismerte, hogy ha a lítium adja a katód anyagának nagy részét, ennek anód felé való távozásával a katód komoly szerkezeti károkat szenvedhet, és akár össze is roppanhat. Meg kell tehát találni azt a fémoxidot, amelyik a legjobban bírja ezt a fajta terhelést, és meg kell találni azt a lítium-arányt, amelyet a katód tartós károsítása nélkül ki el lehet távolítani annak anyagából.

A kutató és kollégái szisztematikusan megvizsgálták az összes szóba jöhető fémoxidot, és megállapították, hogy melyik anyagról milyen feszültség mellett választható le a lítium, illetve hogy mennyi lítiumot lehet kivenni a szerkezetből, mielőtt az visszavonhatatlanul károsodna. Ez utóbbi kérdésre 4 volt feszültség mellett a katód teljes lítiumtartalmának a fele volt a válasz, a lehetséges oxidok közül pedig a kobalt vizsgázott a legjobban. Négy év munka után tehát elkészült Goodenough lítium-kobalt-oxid katódja, amely még nagyobb áttörést jelentett az akkuiparban, mint a Ford mérnökeinek kén-nátrium összeállítása.

Az új katód révén olyan akkumulátorok készülhettek, amelyek kis és nagy készülékekben egyaránt használhatóak voltak, ami példátlan előnyt jelentett a korábbi próbálkozásokkal szemben. Az újfajta rendszer ráadásul 2−3-szor annyi energiát tudott tárolni, mint elődei, és mindezt szobahőmérsékleten, biztonságos keretek közt tette. 1991-ben a Sony egy szén anóddal kombinálva Goodenough katódját a világon elsőként kereskedelmi forgalomba hozta a lítiumion-akkumulátort. A fejlesztés első körben a kameraipart alakította át, hiszen míg a korábbi akkuk túlságosan nagyok és nehezek voltak ahhoz, hogy egy kézikamerában használhatók legyenek, az új lítium-ionos változat révén a Sony minden más cégnél kisebb és könnyebb készülékeket tudott gyártani. A fejlesztést rövidesen mások is átvették, majd az akkuk megtalálták útjukat a laptopokba és a mobilkészülékekbe is.

Goodenough a fejlesztésben való kulcsszerepe dacára nagyon kevés elismerést kapott. Az Oxford nem volt hajlandó szabadalmaztatni a katódot, így Goodenough végül egy brit labornak, az Atomic Energy Research Establishmentnek adta el annak terveit, annak reményében, hogy találmánya így talán eljuthat a piacra. Azt azonban álmában nem gondolta, hogy ez a piac, pontosan az ő katódjának köszönhetően mekkorára duzzad majd.

1992-ben Goodenough visszatért Amerikába, és a Texasi Egyetemen kezdett dolgozni. Egy évvel később egy japán anyagtudós csatlakozott kutatócsoportjához. Okada Sigeto a Nippon Telegraph and Telephone (NTT) nevű telekommunikációs cég munkatársa volt, és főnökei engedélyt kértek és kaptak Goodenough-tól, hogy a kutató saját költségükön részt vehessen a fejlesztő munkában. A szokásos titoktartási szerződések aláírása után Okada egy indiai kutatóval, Akshaya Padhival kezdett együtt dolgozni.

Padhi és Okada olyan új anyagokat igyekeztek találni, amelyek egy még jobb akkumulátor kifejlesztését tehetnék lehetővé. Úgy gondolták, hogy ezt egy háromdimenziós kristályszerkezet révén lehetne megvalósítani. A kobalt-oxid katódban az anyag réteges szerkezetű, így a lítium-ionok csak a rétegek mentén mozogva képesek mozogni. Ha viszont meg lehetne valósítani, hogy az ionok három dimenzióban mozogjanak, több lehetséges útvonalon is elhagyhatnák az elektródát, ami gyorsabb töltést és kisütést tenne lehetővé.

A kutatópáros módszeresen megvizsgálta az összes lehetséges fémet, míg végül a vas és a foszfor kombinációjánál kötöttek ki. Goodenough erősen szkeptikus volt azzal kapcsolatban, hogy az anyagból létre lehet hozni a kívánt, úgynevezett spinell szerkezetet. Mint kiderült, igaza volt, ez a kristályszerkezet valóban nem alkotható meg belől az összetevőkből, egy másik, az olivin viszont igen. Ez a fajta struktúra pedig még jobbnak is bizonyult, mint a spinell: a vas-foszfát katód messze felülmúlta ugyanezen laborban fejlesztett elődeit.

 

A lítiumion-akkumulátor működése

A felfedezés szépségét némileg megkeserítette, hogy utólag kiderült, Okada ipari kém volt, és Padhi eredményeit egy az egyben továbbította munkáltatójának. 1995 novemberében az NTT csendben szabadalmaztatta az új katód terveit. Amikor a dolog kiderült a Texasi Egyetem Goodenough laborjának nevében 500 millió dolláros keresetet nyújtott be a japán cég ellen.

Hogy a dolog még bonyolultabb legyen, ezzel egy időben az MIT egyik professzora, Jet-Ming Csiang szintén szabadalmaztatta egy lítium-vas-foszfát akkumulátor terveit, amelyet Goodenough ötletéből kiindulva ugyan, de állítása szerint önállóan fejlesztett ki. Az eredményeken felbuzdulva rögtön céget is alapított kollégáival, és szerszámgépekben, illetve később gépjárművekben használható akkukat akartak gyártani. Az egyetlen, aki vesztesen került ki az ezt követő jogi csatározásokból Goodenough volt, mivel 2008-ban egy bírósági döntés alapján összes európai szabadalma szabad prédává vált. Csak mellékesen jegyeznénk meg, hogy közben egy kínai cég, a BYD bejelentette, hogy legújabb elektromos autóit lítium-vas-foszfát akkumulátorokkal árulja majd, arról ugyanakkor senki sem beszélt, hogy ezek tervei honnan származnak.

Csiang cége, az A123 2009-ben részvénykibocsátásba kezdett, és az év legnagyobb üzletét produkálta. A Texasi Egyetem és az NTT végül kiegyezett egymással, és a japán cég 30 millió dollárt fizetett az amerikai intézménynek, illetve részesedést ígértek a japán szabadalmakból származó profitból. Goodenough mindezen pénzekből semmit sem látott viszont. Ami a folytatást illeti, némi elégedettségérzetet kelt az emberben, hogy az említett cégek végül nem igazán tudtak mit kezdeni a (lopott) fejlesztésekkel. Az A123 2012-ben csődöt jelentett, a BYD pedig még mindig nem készült el a beígért autókkal.

Goodenough majdnem minden évben ott szerepel a Nobel-díjra jelöltek listáján azzal a japán tudóssal, Josino Akirával együtt, aki az amerikai kutató katódját elsőként kombinálta össze egy szén anóddal, létrehozva az első működő lítiumion-akkumulátort. Az idős kutatót azonban még most sem a jelképes vagy az anyagi elismerés hajtja, hanem a feltalálás öröme. Ahogy a cikk elején említésre került, jelenleg egy olyan újfajta akkumulátoron dolgozik, amely versenyképessé teheti az elektromos autókat a belsőégésű motoros járművekkel szemben, és gazdaságosabbá változtathatja a nap- és a szélenergia tárolását.

Ennek megvalósításához az akkugyártás egyik legkeményebb kihívását kellene megoldania: egy olyan anódot kellene létrehozni, amely tisztán fém lítiumból vagy nátriumból áll. Ha ez megvalósulna, a kész akkumulátor 60 százalékkal több energiát tudna raktározni, mint a jelenlegi lítiumion-cellák. Goodenough úgy gondolja, hogy jó nyomon jár, bár részleteket egyelőre nem hajlandó elárulni a projekttel kapcsolatban. Kollégái szerint a kutató elméje változatlanul bámulatosan működik, és ha valakinek, neki ténylegesen lehet esélye a probléma megoldására.

 

Vélemény, hozzászólás?

Az email címet nem tesszük közzé. A kötelező mezőket * karakterrel jelöljük.