Hogyan hozta vissza a lítium-ion akkumulátor az elektromos autót?

1900-ben az amerikai autók 28 százaléka elektromos volt; a lítium-ion akkumulátor végül megfordította a benzin évszázados diadalát.
1900-ben az amerikai autók 28 százaléka elektromos volt; a lítium-ion akkumulátor végül megfordította a benzin évszázados diadalát.

Az oldal megosztása

A lítium-ion akkumulátor a magas energiasűrűségének és a csökkenő költségeinek köszönhetően megoldotta az elektromos autó évszázados hatótáv- és súlyproblémáját, és technikailag lehetővé tette a modern elektromos járművet; ez az akkukémia, amely mindezt lehetővé tette. Ez a cikk az 1890-es évektől 1991-ig terjedő történetet meséli el, és bemutatja, hogyan formálta át ez a forradalom az autót.

Kiemeltek

  • 1900-ban az Egyesült Államokban az autók 28%-a elektromos volt; a versenyt a benzin nyerte meg.
  • Az első kereskedelmi lítium-ion akkumulátort 1991-ben a Sony dobta piacra.
  • A lítium-ion költsége kWh-ként kb. 9 200 dollárról 78 dollárra csökkent.
  • Tesla Roadster (2008): 393 km EPA hatótáv, 0-100 km/h 3,9 másodperc.

Az elektromos autó valójában a benzin előtt indult?

Sok olvasó sejtésével ellentétben: igen. Az elektromos autó története szinte ugyanabban a korban kezdődik, mint a belső égésű motoré, és az első fél évszázadban az elektromosság egyáltalán nem volt periférikus technológia. 1827-1828 között Ányos Jedlik magyar pap megépítette az első elektromos motort, és egy kis modellautót működtetett. 1832-1839 között Robert Anderson skót egy durva elektromos járművet fejlesztett ki; azonban a galvánelemek még nem voltak tölthetők, vagyis a jármű egyszer használatos energiatárolóval mozgott. 1837-ben Robert Davidson Aberdeenben megépítette az első elektromos mozdony prototípusát; az 1841-es nagyított Galvani 6 tonnás terhet 4 mérföld/órás sebességgel 1,5 mérföldön keresztül vontatott. A vasúti munkások a munkahelyük elvesztésétől tartva megsemmisítették a gépet - a technológia első ellenállása ilyen korai időpontban érkezett.

A fordulópont 1859-ben jött el: Gaston Planté ólom-sav akkumulátora először tette lehetővé a jármű számára az újratölthető energia tárolását. Ez a kémia annyira tartósnak bizonyult, hogy ma is használják a belső égésű motoros járművek akkumulátoraiban. Thomas Parker az 1880-as évek körül Angliában üzembe helyezte az elektromos villamosokat, és prototípus elektromos autókat gyártott.

Morrison-tól Jenatzy-ig: az első aranykor

Az Egyesült Államok oldalán a referenciapont William Morrison. 1890-ben Des Moines-ban, Iowában szabadalmi bejelentést tett elektromos autójára; a jármű elsőkerék-meghajtású volt, 4 lóerőt termelt, 20 mph sebességet ért el, és 24 akkumulátorelemmel 50 mérföld után töltést igényelt. Az 1893-as Chicago-i Világkiállításon szenzációt keltett. Philadelphia-ban Salom és Morris 1894-ben Electrobat szabadalmat kapott; 1896-ra két 1,1 kW-os motorral 25 mérföldes hatótávot kínált, és ugyanabban az évben megnyerte az ötmérföldes sprintversenyeket a benzinüzemű Duryea autók ellen.

A számok világosan mutatják a kezdeti kor népszerűségét: 1900-ban az Egyesült Államokban az utakon közlekedő autók 28%-a elektromos volt; az első autókiállításon kiállított 160 autó egyharmada elektromos volt. Városi használatban az elektromosság valódi előnyökkel rendelkezett - csendes volt, tiszta, kulcsfordításra működött, és ritkán hibásodott meg. 1899-ben Camille Jenatzy, dupla 25 kW-os motorral és partinium alumíniumötvözet karosszériával rendelkező La Jamais Contente és az első személy lett, aki 100 km/h-s és 60 mph-s korlátot is áttört. New Yorkban az Electric Vehicle Company akkumulátorcsere-állomás használatával több mint 600 elektromos taxit üzemeltetett; 1897-ben Londonban alapult az első elektromos taxiszolgáltatás.

Miért a benzin nyert? Az elektromos-benzines verseny anatómiája

Az elektromos autó első veresége nem teljesítményvereség, hanem mérnöki gazdaságossági vereség volt. Négy nehezítő tényező volt, és mindegyik mérhető volt:

  • Költség: az elektromos autók majdnem kétszer annyiba kerültek, mint a benzinesek, és luxuscikknek számítottak. 1908-ban a Ford Model T 850 dollárba került, míg a legtöbb elektromos autót legalább kétszeres áron adták; 1923-ra, amikor a Model T 300 dollár alá csökkent, sok elektromos autó tízszer drágább volt.
  • Hatótávolság és energiatárolás: a tartalék benzinestartály jóval könnyebb volt, mint egy tartalék akkumulátor - a probléma lényege pontosan ez a tömegarány volt.
  • Infrastruktúra: az elektromos hálózattal nem rendelkező vidéki területeken nem volt töltési lehetőség; a benzin pedig mindenhol eladható, tárolható energia volt.
  • Indítás: 1912-ben Charles Kettering elektromos indítómotorja (az első Cadillacban) megszüntette a kézi kart, ezzel pedig eltörölte az elektromos autók alapvető használati előnyét.

Egy mondatban összefoglalva: az ólom-sav akkumulátor energiasűrűsége nem tudta kielégíteni az autó tömeg- és hatótávolsági igényeit. A Detroit Electric ennek ellenére 1907 és 1939 között több mint 35.000 járművet tudott gyártani; Henry Ford felesége, Clara Ford 1908 és 1914 között egy Detroit Electricet használt. Angliában az elektromos tejosztagó járművek, a "milk float"-ok egészen a 1980-as évekig üzemeltek, és az ország a 20. század nagy részében a világ legnagyobb elektromos közúti jármű-használója volt - de ezek szűk feladatprofilú járművek voltak, nem általános célú autók.

A huszadik század köztes kísérletei: meddig bírja az akkumulátor a súlyát

Az 1920-as évektől az elektromos autó perifériára szorult, de teljesen nem halt meg; minden kísérlet újra bebizonyította, hogy a probléma mindig az akkumulátorban van. Japánban az 1947-es Tama ólom-sav akkumulátorral, 20 mph sebességgel és 40 mérföld hatótávolsággal taxifeladatot látott el. Henney Kilowatt (1959-1960) a feszültséget 36 V-ról 72 V-ra emelve 60 mph sebességet és 60 mérföld hatótávolságot ért el; ennek ellenére mindössze körülbelül 100 alvázat gyártottak, 47 autót adtak el.

A GM Electrovair II kísérlete (1966) a helyzet súlyosságát mutató adatpont: ezüst-cink akkumulátorok, 532 V rendszerfeszültség, 115 LE és 40-80 mérföld hatótávolság - de az akkumulátorok mindössze 100 töltési ciklust bírtak, és a csomag akkori áron 160.000 dollárba került. 1971-72-ben a Holdfeldfelszínelő jármű (LRV) másik célt szolgált, a végérvényes megbízhatóságot: GM Delco motorokkal és nem tölthető ezüst-cink akkumulátorokkal, 38 millió dolláros költséggel. Az 1973-as OPEC-embargó után az érdeklődés újraéledt: az 1974-ben piacra került Citicar 2,5 LE-vel és körülbelül 25 mph-val szerény volt, de összesen 4444 darabos gyártása a 2013-ig a II. világháború utáni Ameriká legnagyobb elektromos járműgyártójává tette. Az 1977-es GM Electrovette prototípusai ólom-savas akkumulátorosak voltak, 30 mph-szal 50 mérfidöt tettek meg; amikor a benzinárak nem váltották be a várakozásokat, az projekt polcra került.

GM EV1: a jármű, amely korán szembesült az akkumulátor problémájával

Az 1990-es években Kalifornia null emissziós járművekre vonatkozó kötelezettsége szülte meg a modern kor első komoly autógyártói EV-jét. A GM az Impact koncepcióból gyártásba vitte az autót, és EV1 1996-97-ben kezdte el bérbe adni; 1997-ben jutottak el a bérlőkhöz, összesen nagyjából 1000 darabot adtak bérbe. Az első modell ólom-savas akkumulátorral rendelkezett; a később megjelenő nikkel-fémhidrid (NiMH) opció 70-160 mérföld közötti hatótávolságot kínált - a kor kémiáján belül érzékelhető ugrás volt, de nem volt elég.

Az utolsó autók 1999-ben készültek; a GM 2003-ban magas gyártási költségre és kis piacra hivatkozva leállította a programot, megszüntette a bérleti szerződéseket, visszavette az autókat, és a legtöbbet megsemmisítette. Polgári tiltakozások történtek; Francis Ford Coppola azon kevesek egyike volt, akik megtarthatták az autójukat. Az EV1 végének pontos körülményei ma is vitatottak: a hivatalos elbeszélés a költségeket és a piac méretét hangsúlyozza, míg egy alternatív olvasat a GM 1992-es pénzügyi válságát és a vezetésváltást (Jack Smith vezérigazgatóvá válása) helyezi a középpontba. A közös pont ez: az ólom-savas és a NiMH kémia nem érte el azt az energiasűrűséget, amely egy autót nyereségessé és praktikussá tehetett volna. A hiányzó darab a lítium-ion volt.

Hogyan indult a lítium-ion forradalom?

A lítium-ion akkumulátor alapvető kutatását az 1970-es években publikálták; John B. Goodenough, M. Stanley Whittingham és Akira Yoshino ezért a munkáért megosztva kapta a 2019-as kémiai Nobel-díjat. Az áttörés 1991-ben jött el: a Sony a Yoshino-féle terv felhasználásával megkezdte a világ első újratölthető lítium-ion akkumulátorainak gyártását és értékesítését - a "lítium-ion" nevet is ez a termék kapta. Az akkumulátor először a kamerákba, majd más fogyasztói elektronikába került; az elektromos autó még nem szerepelt a térképen, de az azt lehetővé tevő energiatároló már sorozatgyártásban volt.

A kezdeti számok számszerűen magyarázzák el, miért lett a technológia fölényben. Az első kereskedelmi cellák körülbelül 200 Wh/L térfogati energiasűrűséget kínáltak - majdnem kétszeresét a kortárs rendszereknek. A gravimetrikus sűrűség a 100-120 Wh/kg sávból 300 Wh/kg fölé emelkedett; a piacra kerüléstől számított három évtized alatt a térfogati sűrűség megháromszorozódott. A leglátványosabb görbe viszont a költségeknél van: a lítium-ion akkumulátorok ára kWh-nként körülbelül 9200 dollárról 78 dollárra csökkent - több mint 99%-os esés. A technológiai átállások többsége vagy teljesítményt nyújt, vagy költségcsökkenést; a lítium-ion mindkettőt egyszerre tette meg, és ez elég volt egy autó átalakításához.

Mérőszám1991 (első kereskedelmi cellák)Évtizedekkel később
Költség (kWh-nként)~9200 $78 $
Térfogati energiasűrűség~200 Wh/LMegháromszorozódott
Gravimetrikus sűrűség100-120 Wh/kg300 Wh/kg felett
Az első autópálya-legális EV felhasználóNissan Altra EV (1998)

Laboratóriumból automobilba: a tzero-tól a Tesla Roadsterig húzódó vonal

Amikor a lítiumion cellák elérhetővé váltak a fogyasztói elektronikában, az autómérnökök közé tartoztak az elsők között, akik ezt felismerték. 1997-ben Alan Cocconi AC Propulsion nevű cége bemutatta a tzero-t: 150 kW (201 LE) teljesítménnyel és savas ólom akkumulátorral. Martin Eberhard lítiumionos tzero-t rendelt; az eredmény 3,7 másodperc volt 0-60 mph-ra - a becsült költség pedig 220.000 dollár. Ez a prototípus bizonyíték volt arra, hogy egy alacsony darabszámú, de magas áras lítiumionos sportautó piacképes lehet.

2003-ban Eberhard és Marc Tarpenning megalapította a Tesla Motors-t; Elon Musk először megpróbálta rávenni az AC Propulsion-t a gyártásra, majd a Tesla-ba fektetett be. 2008-ban megkezdődött a Tesla Roadster gyártása: a világ első sorozatgyártású, lítiumion akkumulátort használó elektromos sportautója. Az első generáció AC Propulsion licencelt erőátviteli rendszert használt, és a Lotus Elise alkatrészeire épült. A műszaki adatok a következők voltak:

  • EPA hatótávolság: 244 mérföld (393 km) - az első sorozatgyártású járművek egyike, amely 200 mérföldes hatótávolságot mutatott.
  • 0-100 km/h: 3,9 másodperc; 288 LE.
  • Csomag: 53 kWh lítiumion.
  • Gyártás: 2008 és 2012 között több mint 2.400 darab; 2010-es ár 109.000 $.
  • Tartósság: azt várták, hogy az átlagos csomag 100.000 mérföld után megőrzi kezdeti kapacitásának 80-85%-át.

A Roadster valódi hozzájárulása nem a technológia, hanem a bizonyíték volt: egy lítiumion csomaggal valódi hatótávolság, valódi teljesítmény és elfogadható akkumulátor-élettartam együtt élhetett ugyanabban a járműben. 2011-ben a Nissan Leaf, az első nagy gyártó által készített, külön platformra épülő elektromos autóként 24,0 kWh-s lítiumion csomaggal indult útjára, és 2018 januárjában 300.000 eladást meghaladva a történelem legkeltebb teljesen elektromos járműve lett; ezt a rekordot később a Tesla Model 3 vette át. Az EV1-ből megmaradt mérnöki tapasztalat pedig a Chevrolet Volt és Bolt modellsorokban élt tovább.

Hol tart az átalakulás ma?

Bugünün 10 milyon elektrikli aracı, 1991'de bir kamera bataryasıyla başlayan zincirin uzantısıdır.

A lítium-ion az autóipar átalakulását méretekkel lehet mérni: 2020 végére a könnyű kategóriás, konnektoros elektromos járművek kumulatív eladása meghaladta a 10 millió darabot. A költséggörbe továbbra is csökken - az akku-csomagok árának 2026-ra 80 $/kWh környékére esését várják; 2025-ben az LFP kémiájú csomagok átlagosan több mint 40%-kal olcsóbbak kilowattóránként, mint az alternatív kémiák. A forradalom első fejezetét a lítium-ion írta; a következő fejezetet szilárdtest (solid-state) akkukkal írják-e meg, az nyitott mérnöki kérdésként áll előttünk.

Eredmény: a hardverforradalom hogyan tette lehetővé a piaci forradalmat?

Az elektromos autónak 1900-ban volt piaci részesedése, de az akkumulátora nem tudta megőrizni ezt a részesedést; a GM EV1 terméket gyártott, de az akkumulátora nem tudta elviselni a jövedelmezőséget. A lítium-ion mindkét küszöböt átlépte: az energiasűrűség megoldotta a hatótávolságot, a költséggörbe az árat. A Tesla Roadster volt az első autó, ahol ez a két görbe metszette egymást; a mai 10 milliós flotta annak a láncnak a folytatása, amely 1991-ben egy fényképezőgép-akkumulátorral kezdődött. A hardver elkészült, a piac követte - a sorrend ez irányú volt, és soha nem fordítva.

Források