A mobil számítástechnika és a teljesen elektromos autók iránti kereslet növekedésével a jelenlegi akkumulátor-technológia korlátai akadályokat jelentenek. Az 1790-es években Alessandro Volta olasz fizikus által feltalált elektromos akkumulátor számos kütyü, eszköz és gép munkagépe volt.
Mivel a fogyasztói eszközök egyre kisebbek lettek, és egyre fontosabbá vált a feltöltés előtti megszakítás nélküli használatuk, egyre fontosabbá vált az akkumulátorok miniatürizálása és energiahatékonyabbá tétele is. Ez azonban olyan technológiai akadálynak bizonyult, amelynek leküzdése a holnap csúcstechnológiás gazdaságának fontos és jövedelmező fejlesztése lesz.
Akkumulátor-technológia
Minden elektromos akkumulátor a redukció és oxidáció (redox) alapvető kémiai reakcióján alapul, amely két különböző anyag között játszódhat le. Ezek a reakciók egy zárt és lezárt tartályban zajlanak. A katód vagy pozitív pólus redukálódik az anóddal vagy negatív pólussal, ahol oxidáció történik. A katódot és az anódot fizikailag egy elektrolit választja el egymástól, amely lehetővé teszi az elektronok könnyű áramlását az egyik terminálról a másikra. Az elektronok áramlása elektromos potenciált hoz létre, amely elektromos áramot tesz lehetővé, amikor az áramkör bezárul.
A fogyasztói eldobható elemek (ún. primer elemek), például az AA és AAA méretű elemek, amelyeket olyan vállalatok gyártanak, mint az Energizer (ENR), olyan technológián alapulnak, amely nem alkalmas a modern alkalmazásokhoz. Egyrészt nem újratölthetőek. Ezek az úgynevezett lúgos elemek mangán-dioxid katódot és cink anódot használnak, amelyeket híg kálium-dioxid elektrolit választ el egymástól. Az elektrolit oxidálja az anódban lévő cinket, míg a katódban lévő mangán-dioxid reakcióba lép az oxidált cinkionokkal, és áramot termel. Fokozatosan reakció melléktermékek képződnek az elektrolitban, és az oxidálható cink mennyisége csökken. Végül az akkumulátor lemerül. Ezek az akkumulátorok jellemzően 1,5 voltos villamos energiát szolgáltatnak, és soros elrendezéssel növelhető ez az érték. Például két AA elem sorba kapcsolva három voltos áramot biztosít.
Az újratölthető elemek (másodlagos elemként ismertek) nagyjából ugyanígy működnek, két anyag közötti redukciós-oxidációs reakciót használnak, de lehetővé teszik a reakció fordított irányú lefolyását is. A piacon ma leggyakrabban használt újratölthető akkumulátorok a lítium-ion (LiOn), bár a működőképes újratölthető akkumulátorok keresése során számos más technológiát is kipróbáltak, köztük a nikkel-fémhidridet (NiMH) és a nikkel-kadmiumot (NiCd).
A NiCd volt az első kereskedelmi forgalomban kapható újratölthető akkumulátor a tömegpiaci felhasználásra, de szenvedett attól, hogy csak korlátozott számú újratöltésre volt képes. A NiMH felváltotta a NiCd-akkumulátorokat, és gyakrabban lehetett őket tölteni. Sajnos nagyon rövid volt az eltarthatósági idejük, így ha nem használták fel őket hamarosan a gyártás után, akkor hatástalanok lehettek. A LiOn akkumulátorok megoldották ezeket a problémákat azzal, hogy kis tartályban érkeztek, hosszú eltarthatósági idővel rendelkeztek, és sok töltést tettek lehetővé. A LiOn-akkumulátorokat azonban nem a fogyasztói elektronikában, például a mobileszközökben és a laptopokban használják a leggyakrabban. Ezek az elemek sokkal drágábbak, mint az eldobható alkáli elemek, és jellemzően nem a hagyományos AA, AAA, C, D stb. méretekben kaphatók.
Az utolsó újratölthető elemtípus, amelyet a legtöbb ember ismer, a folyékony ólom-sav akkumulátorok, amelyeket leggyakrabban autóakkumulátorokként használnak. Ezek az akkumulátorok nagy teljesítményt tudnak nyújtani (például egy autó hidegindításakor), de veszélyes anyagokat tartalmaznak, többek között ólmot és kénsavat, amelyet elektrolitként használnak. Az ilyen típusú akkumulátorokat óvatosan kell ártalmatlanítani, hogy ne szennyezzék a környezetet, és ne okozzanak fizikai sérülést a velük dolgozóknak.
A jelenlegi akkumulátortechnológia célja olyan akkumulátorok létrehozása, amelyek képesek a LiOn akkumulátorok teljesítményét elérni vagy javítani, de az előállításukkal járó magas költségek nélkül. A lítiumion-családon belül az erőfeszítések arra irányultak, hogy további összetevők hozzáadásával növeljék az akkumulátor hatékonyságát, miközben csökkentik az árcédulát. Például a lítium-kobalt (LiCoO2) elrendezések ma már számos mobiltelefonban, laptopban, digitális fényképezőgépben és hordható termékben megtalálhatók. A lítium-mangán (LiMn2O4) cellákat leggyakrabban elektromos szerszámokban, orvosi műszerekben és elektromos hajtásláncokban használják, például az elektromos járművekben.
A lítium-alapú akkumulátorok teljesítményének növelésére jelenleg kutató- és fejlesztőcsoportok dolgoznak. A lítium-levegő (Li-Air) akkumulátorok egy izgalmas új fejlesztés, amely sokkal nagyobb energiatárolási kapacitást tesz lehetővé – akár 10-szer nagyobb kapacitást, mint egy tipikus LiOn akkumulátor. Ezek az akkumulátorok szó szerint “levegőt lélegeznének” azáltal, hogy szabad oxigént használnának az anód oxidációjához. Bár ez a technológia ígéretesnek tűnik, számos technológiai probléma merül fel, többek között a teljesítményt csökkentő melléktermékek gyors felhalmozódása és a “hirtelen halál” problémája, amikor az akkumulátor figyelmeztetés nélkül megszűnik működni.
A lítium-fém akkumulátorok szintén lenyűgöző fejlesztés, amely közel négyszer nagyobb energiahatékonyságot ígér, mint a jelenlegi elektromos autó akkumulátor-technológia. Az ilyen típusú akkumulátorok előállítása is sokkal olcsóbb, ami csökkenti az őket használó termékek árát. A biztonsági kérdések azonban komoly aggodalomra adnak okot, mivel ezek az akkumulátorok túlmelegedhetnek, tüzet okozhatnak, vagy sérülés esetén felrobbanhatnak. További új technológiák, amelyeken dolgoznak, a lítium-kén és a szilícium-szén, de ezek a cellák még a kutatás korai fázisában vannak, és kereskedelmi szempontból még nem életképesek. Számos fejlesztés zajlik a napelemes akkumulátorok körül is.
Befektetés az akkumulátortechnológiába
Ha és amikor az akkumulátortechnológia ezekben az izgalmas új irányokban elindul, az csökkenteni fogja a fogyasztói elektronika és az olyan elektromos járművek előállítási költségeit, mint amilyeneket a Tesla Motors (TSLA) gyárt. A Tesla nemrég jelentette be egy “gigagyár” építését, hogy ne csak több járművet gyártson, hanem a japán Panasonic elektronikai óriáscéggel (ADR:PCRFY) közösen saját LiOn akkumulátorokat is gyártson. Azzal, hogy a Tesla saját kezébe vette az akkumulátorgyártás problémáját, nagyszerű módot találhatott arra, hogy befektetési kitettséget szerezzen mind az elektromos autók, mind az akkumulátortechnológia terén.
Az akkumulátortechnológiai piac kissé rövidlátó, az új technológiák, fejlesztések és partnerségek katapultálják az iparágat. A Visiongain “Top 20 Lithium-Ion Battery Manufacturing Companies Report 2018” című jelentése nagyszerű betekintést nyújt az akkumulátortechnológiai piacról és annak vezető gyártóiról. A jelentésben szereplő vállalatok a következők:
- A123 Systems Inc.
- Automotive Energy Supply Corporation (AESC)
- Aviation Industry Corporation of China (AVIC)
- BYD Company Ltd.
- CBAK Energy Technology Inc.
- Comtemporary Amperex Technology Ltd (CATL)
- GS Yuasa Corporation
- Hefei Guoxuan High-tech Power Energy Co., Ltd
- Hitachi Chemical Co., Ltd.
- Johnson Controls International Plc.
- LG Chem
- Microvast Inc.
- Panasonic Corporation
- Saft Batteries
- Samsung SDI Co. Ltd.
- TDK Corporation/Amperes Technology Ltd (ATL)
- Tesla Inc.
- Tianjin Lishen Battery Joint-Stock Co.., Ltd.
- Tianneng Power International Ltd
- Toshiba Corporation
Az akkumulátoripar további neves szereplői a következők:
- Arotech Corp (ARTX) lítium és cink-levegő akkumulátorokat fejleszt és forgalmaz, és az amerikai hadsereget is ügyfelei között tartja számon.
- PolyPore Inc. (PPO) magasan specializált lítium-polimer akkumulátorokat gyárt főként ipari és orvosi felhasználásra.
- Az Ener1 (OTCMKTS:HEVVQ) egy alternatív energiával foglalkozó vállalat, amely a Delphi Automotive-val (DLPH) többségi tulajdonban lévő közös vállalatban akkumulátoros megoldásokat hoz létre elektromos járművekhez.
- A Haydale Graphene Industries PLC (LON:HAYD) egy brit vállalat, amely a nanotechnológiát és a grafén anyagot használja ki többek között grafén alapú akkumulátorok előállítására.
- AzApplied Graphene Materials (OTCMKTS:APGMF) szintén grafénalapú alkalmazásokkal kapcsolatos kutatásokat folytat.
- Az ENERSys egy tiszta akkumulátorokkal foglalkozó vállalat. Jelenleg a világ legnagyobb ipari akkumulátorgyártója.
Létezik a Global X Lithium & Battery Tech ETF (LIT) is. ez az ETF a Solactive Global Lithium Indexet igyekszik követni, és olyan tőzsdén jegyzett vállalatok diverzifikált portfóliójának nyújt kitettséget, amelyek elsősorban a lítiummal foglalkoznak, beleértve a lítium bányászatot, a lítium finomítását és a lítium felhasználását az akkumulátorgyártásban. A LIT ETF 2018. októberi állapot szerint az alábbiakat tartotta a legjobban:
- FMC CORP 18,06%
- ALBEMARLE CORP 17.64%
- SAMSUNG SDI CO LTD 7.40%
- ENERSYS 6.91%
- QUIMICA Y MINERA CHIL-SP 6.62%
- LG CHEM LTD 5.41%
- GS YUASA CORP 4.95%
- PANASONIC CORP 4.60%
- TESLA INC 4.37%
- SIMPLO TECHNOLOGY CO LTD 4.24%
A lényeg
A modern korban mindig is fontosak voltak az akkumulátorok az energiaellátáshoz. A mobil számítástechnika és az elektromos autók megjelenésével azonban jelentőségük csak tovább fog nőni. Jelenleg például egy Tesla autó árának több mint a felét az akkumulátorok teszik ki.
A növekvő jelentőségük miatt egyre nagyobb lendületet vesz az újabb és jobb újratölthető akkumulátorok kutatása. A lítium-levegő és lítium-fém akkumulátorok jelenthetik azt a fejlődést, ami számít. Ha ezek a technológiák végül kifizetődnek, az akkumulátorgyártásban részt vevő nagyvállalatokba, tiszta lítiumion-gyártókba való befektetés vagy a lítium-fémgyártókon keresztül történő közvetett kitettség segíthet a portfólió jövőbeli teljesítményének megerősítésében.