1745–1746 – AZ ELEKTROMOSSÁG ELSŐ „TÁROLÁSA”

A 18. század közepén kutatók azt próbálták megérteni, hogyan lehet az elektromosságot összegyűjteni és később újra felhasználni. A kísérletek során megszületett a Leydeni palack, amely képes volt elektromos töltést felhalmozni, majd azt kisütéskor leadni.

A szerkezet tulajdonképpen az első kondenzátorok egyike volt. Bár a mai akkumulátoroktól nagyon különbözött, egy fontos gondolat már megjelent benne: az elektromosságot nemcsak előállítani, hanem valamilyen formában tárolni is lehet.

1780-AS ÉVEK – GALVANI ÉS AZ „ÁLLATI ELEKTROMOSSÁG”

Luigi Galvani olasz orvos és kutató békákon végzett kísérletei közben azt tapasztalta, hogy bizonyos körülmények között az állati izmok elektromos hatásra összehúzódnak. Ebből arra következtetett, hogy az élő szervezetekben is jelen van egyfajta elektromosság.

Galvani értelmezését később Alessandro Volta másként magyarázta. A különböző értelmezések azonban fontos új kutatásokat indítottak el az elektromosság természetéről és előállításáról.

1800 – VOLTA ÉS AZ ELSŐ FOLYAMATOS ÁRAMFORRÁS

Alessandro Volta a Galvani-kísérletek nyomán tovább vizsgálta, hogyan lehet elektromosságot előállítani. 1800-ban bemutatta a Volta-oszlopot, amely különböző fémlemezek és közöttük elhelyezett, elektrolittal átitatott rétegek egymásra helyezésével készült.

A Volta-oszlop már nem egyszerűen egy korábban összegyűjtött elektromos töltést adott le: folyamatosan képes volt elektromos áramot szolgáltatni.

1800-AS ÉVEK – MEGSZÜLETIK AZ ÚJRATÖLTHETŐ AKKUMULÁTOR GONDOLATA

Volta oszlopa megmutatta, hogy kémiai folyamatok segítségével folyamatosan lehet elektromos áramot előállítani. A következő nagy kérdés az lett: vissza lehet-e fordítani ezt a folyamatot, és újra „feltölteni” az áramforrást?

Az 1800-as évek első évtizedeiben több kutató is kísérletezett ezzel. Megfigyelték, hogy egyes elemekben az elektromos áram hatására olyan változások jönnek létre, amelyek később ismét elektromos áram előállítására használhatók.

Így lassan megszületett az újratölthető akkumulátor alapgondolata: az elektromos energiát nemcsak felhasználni lehet, hanem egy kémiai folyamat segítségével későbbi használatra el is lehet „raktározni”.

1859–1860 – PLANTÉ ÉS AZ ÓLOMAKKUMULÁTOR

A 19. század közepére már ismert volt az újratölthetőség alapelve, de szükség volt egy olyan megoldásra, amely ezt gyakorlatban is jól használhatóvá teszi.

A francia Gaston Planté 1859-ben olyan akkumulátort készített, amelyben ólomlemezek és kénsavoldat segítségével lehetett elektromos energiát tárolni. Az akkumulátor egyik különlegessége az volt, hogy többször is feltölthető és kisüthető volt.

Ez lett az első olyan újratölthető akkumulátor, amelynek elve hosszú időn keresztül meghatározó maradt, és az ólomakkumulátorok különböző változatai később széles körben elterjedtek.

1879–1881 – PLANTÉ ÉS FAURE: AZ AKKUMULÁTOR TOVÁBBFEJLESZTÉSE

Planté akkumulátora már működőképes volt, de az elektródák kialakítása még hosszadalmas eljárást igényelt. A gyakori töltés és kisütés során az ólomlemezeken fokozatosan alakult ki és vastagodott a működő réteg. Ezt az eljárást az akkumulátor alakításának, „formálásának” nevezték. Gaston Planté 1879-ben Párizsban tovább dolgozott ezen a megoldáson. Camille Faure 1881-ben újabb lépést tett: az elektródákra ólomvegyületet vitt fel, így az átalakulás gyorsabban mehetett végbe.

Gaston Planté 1879-ben Párizsban tovább dolgozott ezen a megoldáson. Camille Faure 1881-ben újabb lépést tett: az elektródákra ólomvegyületet vitt fel, így az átalakulás gyorsabban mehetett végbe.

A 20. SZÁZAD ELEJE – ÚJ ANYAGOK, ÚJ AKKUMULÁTOROK

A 20. század elejére az ólomakkumulátor mellett többféle, más anyagokra épülő megoldással is kísérleteztek. A korabeli leírásokban szerepeltek például szén–horgany, réz–horgany, ólom–réz, illetve palládium–ólom kombinációk is. Ezekhez nem minden esetben ugyanaz az elektrolit illett: a kénsav helyett az adott rendszerhez megfelelő elektrolitot kellett alkalmazni. A Pallas megjegyzése szerint ezek a változatok akkor még nem bírtak jelentős gyakorlati szereppel.

Ezzel párhuzamosan újratölthető akkumulátorok fejlesztése is folyt. Thomas Edison az 1890-es években kezdett dolgozni a nikkel–vas akkumulátoron, amely más anyagokra épült, mint az ólomakkumulátor. Tartóssága és sok töltési-kisütési ciklus elviselése miatt vált érdekessé.

AZ AKKUMULÁTOR BEKERÜL A MINDENNAPI TECHNIKÁBA

Az akkumulátorok fejlődésével egyre több olyan terület jelent meg, ahol szükség volt megbízható, újratölthető áramforrásra.

Az ólomakkumulátor különösen fontos szerepet kapott. Megjelent a gépjárművekben, az iparban, a távközlésben és különböző elektromos rendszerekben. Közben folyamatosan javították a szerkezetét, a megbízhatóságát és a használhatóságát.

A XX. SZÁZAD KÖZEPE – ÚJ ANYAGOKKAL KÍSÉRLETEZNEK

Az ólomakkumulátor sok területen bevált, de nem volt minden feladatra ideális. A kutatók ezért újabb anyagokkal és felépítésekkel kezdtek kísérletezni.

Megjelentek olyan akkumulátorok, amelyekben például nikkelt, kadmiumot vagy később hidrogént tároló ötvözeteket alkalmaztak. Ezek más tulajdonságokat kínáltak: egyesek tartósabbak voltak, mások kisebb méretben vagy más körülmények között bizonyultak használhatónak.

A LÍTIUM ELŐTT – SOKFÉLE ÚT, SOKFÉLE FELADAT

A 20. század folyamán az akkumulátorok fejlesztése sokféle irányba indult. Az ólomakkumulátor széles körben elterjedt, de mellette újabb és újabb anyagokkal és felépítésekkel is kísérleteztek.

A nikkel–kadmium akkumulátorok például számos területen megjelentek, míg a különleges igények újabb megoldásokat hívtak életre. Az űrkutatásban például nikkel–hidrogén akkumulátorokat fejlesztettek és alkalmaztak, ahol a hosszú élettartam és a megbízhatóság különösen fontos volt.

Nem minden fejlesztési irány terjedt el széles körben. Egyes megoldások egy-egy speciális feladatra bizonyultak alkalmasnak, mások idővel háttérbe szorultak.

1970-ES ÉVEK – WHITTINGHAM ÉS A LÍTIUM ÚJ ÚTJA

A lítium különleges tulajdonságai miatt egyre érdekesebbé vált az akkumulátorok fejlesztői számára. Stanley Whittingham az 1970-es években olyan újratölthető akkumulátoron dolgozott, amelyben lítiumot használt.

Megoldásának fontos újdonsága az volt, hogy az akkumulátor működése közben a lítium oda-vissza tudott mozogni az elektródák között. Ez már egy olyan alapelv volt, amely később a lítium-ion akkumulátorok fejlődésében is meghatározóvá vált.

Az első változat azonban még nem volt elég biztonságos és tartós ahhoz, hogy széles körben használható legyen. A jó ötlet tehát már megvolt, de még sokat kellett rajta fejleszteni.

1980 – GOODENOUGH ÉS A NAGYOBB FESZÜLTSÉG

Whittingham munkája megmutatta, hogy a lítium új utat nyithat az akkumulátorok fejlesztésében. A következő kérdés az volt: hogyan lehetne ebből még több energiát kihozni?

John Goodenough és kutatócsoportja olyan új elektródaanyagokat keresett, amelyekkel nagyobb feszültségen működhet az akkumulátor. 1980-ban egy lítiumot tartalmazó új anyag, a lítium-kobalt-oxid (LiCoO₂) jelentett fontos áttörést.

A változás számokban is látványos volt: míg Whittingham korábbi megoldása körülbelül 2,2–2,4 voltos cellafeszültséget adott, a Goodenough-féle új katód alkalmazásával közel 4 volt vált elérhetővé.

Ez azért számított sokat, mert a nagyobb feszültség az akkumulátorban nagyobb energiatárolási lehetőséget jelentett.

1980-AS ÉVEK – YOSHINO ÉS A LÍTIUM „MEGSZELÍDÍTÉSE”

Whittingham megmutatta, hogy a lítium használható újratölthető akkumulátorban, Goodenough pedig olyan elektródaanyagot talált, amellyel nagyobb feszültséget és több energiát lehetett elérni. Egy fontos probléma azonban még megmaradt: a fémes lítium használata nem bizonyult elég biztonságosnak és tartósnak.

Akira Yoshino az 1980-as évek elején más irányból közelítette meg a problémát. Nem magát a lítiumfémet akarta használni, hanem egy olyan szénalapú anyagot keresett, amelybe a lítium be tud kerülni, majd onnan ki is tud lépni.

Yoshino munkájával egy új fejlesztési irány vált meghatározóvá: a lítiumot már nem magában akarták használni, hanem egy másik anyagban „vendégként”. A lítium így az akkumulátor működése közben egyik elektródától a másikig tudott mozogni.

1991 – SONY ÉS A LÍTIUM-ION AKKUMULÁTOR

Yoshino munkája után már megvolt az új akkumulátor működő alapelve. Most az volt a kérdés: lehet-e ebből olyan terméket készíteni, amelyet megbízhatóan, nagy mennyiségben lehet gyártani és valódi készülékekben használni?

A japán Sony felismerte az új technológiában rejlő lehetőséget, és továbbfejlesztette a cella gyártását, biztonságát és gyakorlati használhatóságát. 1991-ben a Sony piacra hozta az első kereskedelmi lítium-ion akkumulátort.

Az új akkumulátor kisebb és könnyebb lehetett, miközben nagy energiatároló képességet kínált. Ez különösen fontos volt az akkor gyorsan fejlődő hordozható elektronikai eszközök számára.

1. ÁLLOMÁS – ELŐSZÖR NEM IS A TELEFON

AZ ELSŐ NAGY FELADAT: KISEBB VIDEOKAMERÁK

Amikor a lítium-ion akkumulátor megjelent, egyik korai fontos felhasználási területe a kisebb és könnyebb videokamerák világa volt. A korábbi akkumulátorok sok helyet és súlyt jelentettek; a lítium-ion technológia ugyanakkora térfogatban több energiát tudott tárolni, így hozzájárult a kamerák méretének és tömegének csökkentéséhez.

A Sony 1991-ben hozta forgalomba az első kereskedelmi lítium-ion akkumulátort, és a technológia az 1990-es évek elején már videokamerákban is megjelent.

2. ÁLLOMÁS – A TELEFON ELINDUL VELÜNK

Az első kézi mobiltelefonok nagyok és nehezek voltak, akkumulátoraik pedig korlátozott ideig bírták a használatot. A lítium-ion technológia kisebb tömeg mellett nagyobb energiatárolási lehetőséget kínált, így hozzájárult ahhoz, hogy a telefonok fokozatosan kisebbé és könnyebbé váljanak.

Az átállás nem egyik napról a másikra történt: a mobiltelefonok fejlődésének korai szakaszában többféle akkumulátort használtak. A lítium-ion akkumulátorok elterjedésével és a készülékek fejlődésével a telefon lassan valóban zsebben hordható, mindennapi társsá vált.

3. ÁLLOMÁS – NEM CSAK TELEFONÁLNI LEHETETT

Hogyan költözött be a lítium-ion akkumulátor más hordozható eszközökbe?

A mobiltelefonok után a lítium-ion akkumulátorok egyre több hordozható eszközben jelentek meg: zenelejátszókban, fényképezőgépekben, laptopokban.

Elektromos eszközeink – a magnók, lemezjátszók, számítógépek – korábban jellemzően a hálózathoz kötöttek voltak. A technika fejlődésével és a lítium-ion akkumulátorok megjelenésével egyre több készülék vált kisebbé, könnyebbé, és már hálózati csatlakozás nélkül is praktikusan használhatóvá.

Így zenét hallgathatunk séta közben, fényképezhetünk kiránduláson, vagy dolgozhatunk és tanulhatunk a vonaton, egy parkban – anélkül, hogy konnektort keresnénk.

Az akkumulátor lassan nemcsak energiát adott az eszközeinknek, hanem szabadságot is: lehetőséget arra, hogy ott és akkor használjuk őket, ahol és amikor szükségünk van rájuk.

4. ÁLLOMÁS – A SZERSZÁMOK IS SZABADDÁ VÁLNAK

A hordozható elektronikai eszközök után egy másik területen is nagy változás kezdődött: a munkát segítő gépek és kéziszerszámok világában.

Az akkumulátoros fúrógépek, csavarozók és más kéziszerszámok egyre használhatóbbá váltak. Nem kellett minden alkalommal konnektort keresni, hosszabbítóval bajlódni, vagy a vezeték hosszához igazítani a munkát.

A lítium-ion akkumulátorok kisebb tömeg mellett is jelentős energiát tudtak tárolni, ezért a vezeték nélküli szerszámok egyre több feladat elvégzésére váltak alkalmassá.

A szabadság itt már nemcsak azt jelentette, hogy magunkkal vihetünk egy készüléket, hanem azt is, hogy szabadabban dolgozhatunk vele.

5. ÁLLOMÁS – KÉT KERÉKEN, VEZETÉK NÉLKÜL

A hordozható eszközök és szerszámok után az akkumulátor a közlekedésben is új lehetőségeket nyitott. Az elektromos kerékpárok rásegítése könnyebbé teszi az emelkedők leküzdését és a hosszabb utak megtételét, miközben a kerékpározás élménye megmarad.

Így több ember számára nyílik meg a kerékpározás szabadsága: könnyebben indulhatnak útnak, és messzebbre juthatnak.

Az elektromos rollerek pedig rövidebb városi utakra kínálnak akkumulátoros közlekedési lehetőséget.

Az akkumulátor itt már nem egy készüléket működtetett – hanem mozgásba hozott bennünket.

6. ÁLLOMÁS – AZ ELEKTROMOS HAJTÁS NAGYOBB FELADATOT KAP

A kerékpárok és rollerek után egyre nagyobb járművekben is megjelent az elektromos hajtás. Egy autónak jóval több energiára van szüksége, mint egy telefonnak vagy kéziszerszámnak, ezért az akkumulátorokkal szemben is új követelmények jelentek meg.

Egyszerre kellett növelni a tárolható energiát, figyelni a tömegre és a méretre, valamint biztosítani a megfelelő teljesítményt és használati időt.

Az akkumulátoroknak most már nemcsak egy eszközt kellett kiszolgálniuk: egy egész járművet kellett útra indítaniuk. A vezeték nélküli szabadság így a városi utak után a nagyobb távolságok felé is elindult.

7. ÁLLOMÁS – MEGÉRKEZÜNK AZ ELEKTROMOS AUTÓKHOZ

Az elektromos autó gondolata nem új: már a 19. században is készültek elektromos járművek. A korabeli akkumulátorok korlátozott teljesítménye és hatótávolsága miatt azonban a belső égésű motorral működő autók kerültek előtérbe.

A lítium-ion akkumulátorok nagyobb energiatároló képessége és kisebb tömege új lehetőséget teremtett az elektromos autók fejlődésében. Ehhez az elektromos motorok, az elektronika, a vezérlés és a töltési lehetőségek fejlődése is hozzájárult.

Az elektromos autó így már nem pusztán műszaki különlegesség. Mindennapjainkban is találkozunk vele, egyre többen használják a környezetünkben is. Ami egykor különleges kísérlet volt, mára a közlekedés mindennapi lehetőségévé vált.

8. ÁLLOMÁS – AZ AKKUMULÁTOR MÁR NEM CSAK VELÜNK UTAZIK

A telefon, a hordozható eszközök, a szerszámok és a járművek után újabb kérdés került előtérbe: mi lenne, ha az akkumulátor nemcsak energiát vinne magával, hanem otthon vagy egy nagyobb rendszerben várná meg, amíg szükség lesz rá?

A napközben megtermelt energia egy részét el lehet tárolni, hogy később – például este – is felhasználható legyen.

Ezzel új fejezet kezdődött az akkumulátorok történetében. Már nemcsak az volt a cél, hogy egy készülék vagy jármű működjön, hanem az is, hogy az energiát a megfelelő időben tudjuk felhasználni.

1. ÁLLOMÁS – AZ ENERGIA MEGVÁRJA, AMÍG SZÜKSÉGÜNK LESZ RÁ

Sokáig az volt a természetes, hogy az energiát akkor használtuk fel, amikor megtermeltük, vagy amikor a hálózatból vételeztük. A napelemek elterjedésével azonban új lehetőség nyílt: a napközben megtermelt energia egy részét eltehetjük későbbre.

Ehhez az akkumulátor már nem egy készüléket vagy járművet működtet, hanem az energia tárolásában kap szerepet. Megvárja, amíg szükségünk lesz rá – például este, amikor már nem termel a napelem, vagy felhős napokon, amikor kevesebb áramot termel.

Ezzel az akkumulátorok fejlődésének új iránya nyílt meg: nemcsak az számít, mennyi energiát tudunk tárolni, hanem az is, mikor és hogyan tudjuk felhasználni.

2. ÁLLOMÁS – A NAP ENERGIÁJA ESTE IS VELÜNK LEHET

Mit változtat egy akkumulátor a napelemes háztartás mindennapjaiban?

A napelemes ház napközben termeli az áramot, amikor süt a nap. Ilyenkor a háztartás fogyasztása gyakran kisebb, mint a napelemek aktuális termelése: a család éppen annyi energiát használ fel, amennyire szüksége van, miközben a rendszer ennél többet is megtermelhet.

Egy otthoni akkumulátor lehetőséget ad arra, hogy az általunk megtermelt energia egy részét eltároljuk. Amikor este vagy más későbbi időpontban szükség van elektromos áramra, a ház felhasználhatja a korábban eltett energiát. Így kevesebb áramot kell a hálózatból vételeznie, és mérsékelhető a hálózat terhelése is.

Így az otthoni energiatárolás nem feltétlenül azt jelenti, hogy a ház teljesen függetlenné válik a hálózattól. Inkább azt, hogy a napközben megtermelt energia nagyobb részét akkor használhatjuk fel, amikor valóban szükségünk van rá.

3. ÁLLOMÁS – NEM CSAK EGY HÁZAT KELL KISZOLGÁLNI

A háztartási akkumulátor egy család energiafelhasználását segíti. De az energiatermelés és -fogyasztás összehangolása nemcsak egy-egy házban fontos.

A napelemek és más megújuló energiaforrások egyre több áramot termelnek. A termelés azonban nem mindig akkor és olyan mennyiségben történik, amikor a fogyasztóknak szükségük van rá. Ezért nagyobb energiatárolókra is szükség lehet, amelyek sokkal több energiát képesek befogadni és később visszaadni.

Ezek a rendszerek már nem egyetlen háztartást szolgálnak ki. Segíthetnek abban, hogy a megtermelt energia később, más időpontban is rendelkezésre álljon, és a villamosenergia-hálózat terhelése is kiegyensúlyozottabb legyen.

4. ÁLLOMÁS – NINCS EGYETLEN, MINDENRE JÓ AKKUMULÁTOR

Ahogy az energiatárolás egyre több területen jelenik meg, egyre világosabbá válik: nem minden feladatra ugyanaz az akkumulátor a megfelelő.

Másra van szükség egy mobiltelefonban, egy elektromos autóban, egy családi ház energiatárolójában vagy egy nagyobb hálózati rendszerben.

Van, ahol a kis méret és a kis tömeg számít. Máshol a hosszú élettartam, a biztonság, a költség vagy az, hogy az akkumulátor sokszor feltölthető és lemeríthető legyen.

Ezért az akkumulátorok fejlődése nem egyetlen irányba halad. Különböző megoldások születnek, amelyek más-más igényekre adnak választ.

5. ÁLLOMÁS – ÚJ ANYAGOK, ÚJ LEHETŐSÉGEK

A lítium-ion akkumulátorok elterjedése nem jelentette a kutatás végét. A fejlesztők tovább keresik azokat az anyagokat és megoldásokat, amelyek biztonságosabbá, tartósabbá, olcsóbbá vagy éppen nagyobb teljesítményűvé tehetik az energiatárolást.

A lítium-ion akkumulátorok családján belül is többféle változat létezik. Ilyen például a lítium-vasfoszfát, röviden LiFePO₄, amelyet egyre több energiatárolási alkalmazásban használnak.

Más kutatási irányok már új alapanyagokat és megoldásokat próbálnak ki. Ilyen például a vas-levegő-akkumulátor, vagy a nátriumion-akkumulátor, amely a lítium helyett nátriumot használ. A szilárdtest-akkumulátorok pedig a hagyományos folyékony elektrolit helyett szilárd anyagot alkalmaznak.

Ezek a technológiák különböző előnyöket és kihívásokat kínálnak. Nem ugyanarra a feladatra készülnek, és nem mindegyik tart ugyanott a fejlesztésben.

6. ÁLLOMÁS – AZ AKKUMULÁTOR ÉLETE NEM ÉR VÉGET A HASZNÁLAT UTÁN

Egy akkumulátor története nem ér véget akkor, amikor már nem képes az eredeti feladatát megfelelően ellátni.

Előfordulhat, hogy egy járműből kiszerelt akkumulátor még alkalmas lehet kevésbé igényes feladatokra, például helyhez kötött energiatárolásra. Ezt nevezik második életnek.

Amikor pedig az akkumulátor már erre sem használható, fontos kérdéssé válik az anyagainak visszanyerése és újrahasznosítása. A cél, hogy minél kevesebb értékes alapanyag vesszen kárba, és csökkenjen a hulladék mennyisége.

Az akkumulátorok fejlődésének ezért nemcsak a teljesítményről és a tárolható energiáról kell szólnia. A biztonságos használat, a hosszú élettartam és az újrahasznosítás is egyre fontosabb.