Biztonságosan tesztelje a szilárdtest akkumulátorokat

A elektromos járművek piaca robbanásszerűen növekszik. Egyidejűleg egyre több lehetőséget keresnek a hatótáv növelésére, a töltési idők csökkentésére, a biztonság növelésére és a fenntarthatóság javítására. A szilárdtest akkumulátorok (Solid-State Batteries, SSB) jövőben kiválthatják a hagyományos, folyadék elektroliton alapuló Li-ion akkumulátorokat. Addig még számos kihívást kell leküzdeni, és sok vizsgálatot elvégezni. Mivel jelenleg még nincsenek egységes szabványok erre, a weisstechnik a hosszú évek tapasztalatára alapozva olyan megoldásokat fejleszt, amelyek kompakt tesztládákat és tesztlaborokat kínálnak, amelyek megbízhatóan megfelelnek minden jövőbeli követelménynek.

Fejlesztési verseny kezdődött

A szilárdtest akkumulátorok legjobb megoldásának keresése már rég elkezdődött. A gyártók szerint az első sorozatgyártású járművek 2025 és 2030 között kerülnek a gyártósorra. Eddig azonban csak a francia Blue Solutions mutatott be sorozatgyártásra kész megoldást, amely többek között a Mercedes eCitaro-ban is alkalmazásra kerül. Innovációs hajtóerőként jelenleg elsősorban japán, dél-koreai, kínai és amerikai vállalatok szerepelnek. A német vállalatok azonban a hosszú autóipari fejlesztési tapasztalatuk révén ideális feltételekkel rendelkeznek, hogy jelentős hozzájárulást nyújtsanak a szilárdtest akkumulátorok áttöréséhez. A weisstechnik vizsgálótechnikája ebben fontos szerepet játszhat.

Szilárdtest akkumulátorok innovációs területe

A hagyományos folyadék elektroliton alapuló Li-ion akkumulátorokkal ellentétben a szilárdtest akkumulátorok (Solid-State Batteries, SSB) szilárd elektrolittal működnek. Jelenleg különböző szilárd elektrolit osztályokat kutatnak azok teljesítmény-képessége szempontjából. Főként oxid-, sulfíd-, polimer- és halogénalapú szilárd elektrolitokat vizsgálnak, valamint ezekből származó hibrid megoldásokat. Minden fejlesztési irányban szükséges újra kifejleszteni az akkumulátor kémiai összetételét, és minden összetevőt tökéletesen összehangolni a kívánt tulajdonságok eléréséhez. Például új anódaktív anyagokat (anode active materials, AAM), mint lítiumfém vagy szilícium, is alkalmazhatnak. A katódaktív anyagok (cathode active materials, CAM) esetében is különböző lehetőségeket kutatnak.

Bizonyított előnyök elérhetők

Számos kutatási projekt munkahipotézise szerint a szilárdtest akkumulátorok optimális anyagkombinációja jelentős előnyöket kínál a folyadék elektroliton alapuló Li-ion akkumulátorokhoz képest, és fenntartható módon forradalmasíthatja az elektromobilitás világát. A szilárdtest akkumulátorok például lényegesen magasabb energiasűrűséget és akár 30%-kal hosszabb hatótávot ígérnek, miközben kompaktabb kialakítást tesznek lehetővé. Emellett, a cella kémiai összetételétől függően, a töltési idő jelentősen csökkenthető, és a töltési ciklusok száma 2000 fölé növelhető. Szintén a cella kémiai összetételétől függően, a szilárdtest akkumulátorok alacsonyabb tűzveszélyt jelentenek termikus túlmelegedés vagy baleset esetén, mivel nem szivárognak éghető folyékony alkotórészek. Továbbá, sokkal fenntarthatóbb módon gyárthatók, így összességében jelentős jövőbeli potenciállal rendelkeznek. Ugyanakkor meg kell oldani az összetevők gyártásának és a cellagyártásnak skálázhatóságát, és az eddig 7-8-szorosnál is magasabb gyártási költségeket szerializálható szintre kell csökkenteni.

Fejlesztési nyomás hatalmas

Jelenleg járműgyártók, beszállítók, fejlesztő laboratóriumok és egyetemek kutatnak a szilárdtest akkumulátor technológiában. Ehhez jelentős támogatási források állnak rendelkezésre – például a VW a következő években több mint 300 millió eurót fektet be a QuantumScape partnerén keresztül. Németországban többek között a Fraunhofer Intézetek, a KIT, a Jülich Kutatóközpont, a TU Braunschweig és a MEET Münsterben dolgoznak a témán. Egy innovációs hajtóerő a Justus-Liebig Egyetem Giessen Anyagtudományi Központja (ZfM), amely interdiszciplináris módon kutat. A körülbelül 40 fős csapatával a nemzetközileg elismert Prof. Dr. Dr. h. c. Jürgen Janek a szilárdtest akkumulátorok kémiai és fizikai alapjait, kihívásait kutatja. Emellett koordinálja a Szilárdtest Akkumulátorok Kompetencia Klaszter (FestBatt) tevékenységeit, amely a Szövetségi Oktatási és Kutatási Minisztérium (BMBF) „Kutatási Akkumulátor Gyár” (Forschungsfabrik Batterie) koncepciójába illeszkedik. „A piaci elvárások óriásiak, a nyomás gyors megoldások szállítására hatalmas. Ezért fontos, hogy megbízható, pontos eredményeket adó vizsgálótechnikát alkalmazzunk” – mondja Prof. Dr. Dr. h. c. Jürgen Janek, a ZfM ügyvezető igazgatója és a FestBatt klaszter koordinátora.

Sikeresség kulcsa a vizsgálótechnika

Ez a fejlesztési nyomás növeli a vizsgálótechnikát szolgáltató cégek követeléseit is. Hiszen a szilárdtest akkumulátorokat is számos tesztnek kell alávetni, mielőtt sorozatgyártásba kerülnének. Bár egyrészt feltételezhető, hogy anyaguk miatt általában kevésbé problémásak, mint a hagyományos Li-ion akkumulátorok, másrészt magasabb energiasűrűségük és eltérő veszélyességi potenciáljuk miatt a biztonsági berendezések vizsgálatánál alkalmazkodni kell a vizsgálótechnikának. Csak így lehet teljes körűen tesztelni a teljesítményt és a biztonságot. Mivel azonban még nem létezik alkalmazás-specifikus vizsgálati norma vagy gyártói előírás, felmerül a kérdés, hogy mely vizsgálatokat milyen követelmények mellett kell elvégezni, és mely vizsgálóberendezések képesek ezeket megbízhatóan és biztonságosan elvégezni. Hiszen, bár valószínűleg kisebb veszélyt jelentenek, például sulfidos szilárdtest akkumulátorok vizsgálatakor mérgező és robbanékony gázképződés, például kénhidrogén (H₂S) szabadulhat fel. Ezért a vizsgálóberendezéseknek úgy kell kialakítani, hogy sem az emberek, sem a vizsgálóberendezések, sem a környezet ne szenvedjen kárt.

Vizsgálóberendezések követelményei

A H₂S gázképződés esetleges veszélye mellett a vizsgálóberendezéseknek figyelembe kell venniük a szilárdtest akkumulátorok részben magasabb működési hőmérsékletét is. A fent említett különlegességek függetlenül várhatóan ugyanazokat vagy hasonló követelményeket támasztják a vizsgálóberendezésekkel szemben, mint a hagyományos Li-ion akkumulátorok esetében. És a fejlesztések előrehaladtával a normák tartalma fokozatosan tisztázódik majd. Ez fontos annak érdekében, hogy mindenki, aki ebben a dinamikus környezetben dolgozik, biztonságos és egységes alapokra támaszkodva végezze munkáját, és összehasonlítható eredményeket kapjon.

Fejlesztések meglévő berendezéseken

Sok vállalat és intézmény rendelkezik már hagyományos Li-ion akkumulátorokra szánt vizsgálóberendezésekkel. Amennyiben ezek a weisstechnik által gyártottak, általában problémamentesen átalakíthatók vagy bővíthetők szilárdtest akkumulátorok vizsgálatára. Például egy vizsgakamrában elegendő lehet egy H₂S érzékelő és riasztólámpa, valamint szükség szerint egy további szellőztető rendszer beépítése. Emellett a ClimeEvent laboratóriumi alkalmazásokra szánt vizsgálóládái is gyorsan és egyszerűen utólag felszerelhetők a legtöbb követelménynek megfelelően. A meglévő vizsgálóberendezések fejlesztése fenntarthatóbb és gyorsabb lehetőséget kínál a vállalatok számára. Ez versenyelőnyt jelent a gyorsan változó fejlesztési környezetben, ahol a gyors, megbízható eredmények elérése és a biztonságos megoldások bemutatása a cél.

Új vizsgálóládák és kamrák

Számos jól ismert vállalat és intézmény mellett sok fiatal cég és startup is kutat a szilárdtest akkumulátorok területén. Ezek gyakran még nem vagy csak korlátozottan rendelkeznek saját vizsgálóberendezésekkel, így rövid távon elérhető, biztonságos vizsgálóládákra és kamrákra van szükségük. Itt is segítséget nyújthat a weisstechnik egyszerűen alkalmazható megoldása. A meglévő Hazard Level moduláris rendszerrel könnyen meghatározhatók a vizsgálóberendezések követelményei, és a kockázatértékelés alapján standard vagy egyedi megoldásokban valósíthatók meg. A weisstechnik moduláris vizsgáló rendszerének alapelve gyors fejlesztést és szállítást tesz lehetővé.

A vizsgálótechnika bizalom kérdése marad

A kompetencia, tapasztalat és szolgáltatás kulcsfontosságú szempontok a vizsgálóberendezéseket szállító partnerek kiválasztásánál az autóiparban. A weisstechnik egy tapasztalt szakértő a kihívást jelentő vizsgálómegoldások terén, és több mint 20 éve aktív a Li-ion akkumulátorok fejlesztésében. Tudásával a vállalat jövőbiztos vizsgálómegoldásokat kínál, amelyek rövid idő alatt készen állnak a használatra és hosszú távon is megtérülnek. Az iparág innovációs vezetőjeként a weisstechnik proaktív és rugalmas szolgáltatási hálózatot nyújt, országos szinten, valamint igény szerint testreszabott szerviz szerződésekkel. Ez növeli a működési biztonságot és lehetővé teszi a vállalatok számára, hogy a fejlesztési munkára összpontosítsanak.