A Nobel-bizottság működése sűrűn gerjeszt kritikát, mert fontos felfedezésekért nemritkán csak több évtizedes késéssel ítélik oda a plakettel és pénzzel is járó elismerést. Így esett ez idén is, amikor a kémiai Nobel-díjat minden idők legidősebb díjazottjaként megosztva kapta az immár 97 éves amerikai John B. Goodenough (University of Texas, Austin), a brit–amerikai M. Stanley Whittingham (Binghamton University) és a japán Josino Akira (Meidzso Egyetem), a lítiumion-akkumulátor kifejlesztéséért.
Nyugodtan mondhatjuk: ez volt az utóbbi évtizedek egyik olyan felfedezése, amely valósággal átformálta egész életünket! Manapság sem az okostelefonjaink, sem a laptopjaink nem működhetnének e hasznos áramtároló nélkül. Ugyanez a helyzet a tölthető aksikkal működő elektromos járművekkel is, amelyek azonban lassan ki is nőhetik ezeket a forradalmi jelentőségű, de erős korlátokkal bíró energiacellákat.
Három az igazság
A lítiumion-akkumulátorok kifejlesztését a hagyományos, általában komoly sűrűségű anyagokból, gyakorta mérgező fémekből (ólom, kadmium), illetve fémvegyületekből és nehezen kezelhető elektrolitokból (lásd: akkumulátorsav) készült akkumulátorok gyengéi indokolták: sokáig tart a feltöltésük, viszont komolyabb igénybevételnél hamar lemerülnek, és a tartósságuk is hagy maga után kívánnivalót. És nagyok is! Sok helyet foglalnak el, nehezek (pláne az autók gyújtásához, világításához máig használt ólomaksik), így energiasűrűségük is csekély, azaz fajlagosan számítva egy tömegegység viszonylag kevés áramot szolgáltat. A lítium, amely a szobahőmérsékleten szilárd elemek közül a legkönnyebb, jóval ideálisabb választásnak tűnt, pláne, hogy elektrokémiai sajátosságai is kedvezőek. Csak éppen meg kellett találni a megfelelő anyagszerkezeti megoldásokat!
A fejlesztés sokszor egymással is versengő, de leginkább együttműködő és egymás eredményeire is támaszkodó kutatócsoportok több évtizedes munkásságának volt a gyümölcse. Ebben nem csupán a három díjazott vett részt, de ők kétségtelenül oroszlánszerepet játszottak a felfedező kutatásokban. (Ilyen esetekben mindig akadnak, akik kimaradnak a díjazásból, mások pedig nem érhették meg, hogy a Nobel-bizottság is kitüntethesse őket.) Annyi biztos, hogy már a hetvenes évek elején sikerült egy működő lítium-fémelektródos akkumulátort konstruálni – ezt a kolozsvári születésű Adam Heller izraeli–amerikai kutatónak köszönhetjük (aki 1944-ben gyerekként a Kasztner-vonattal jutott ki a deportálás elől Svájcba, majd később Izraelbe). Ilyen típusú lítiumtelepet azóta is használnak gyógyászati célokra, illetve hosszú időn át üzemelő berendezésekben.
A ma működő akkumulátorok megalkotásához rá kellett jönni, hogyan készíthetnek réteges szerkezetű elektródot (az „egy sor grafit, egy sor lítium” recept szerint), amiben kulcsszerepet játszott a most Nobellel elismert Whittingham. Azt is ki kellett találni, hogy milyen anyagokból készítsék el az akkumulátor pozitív töltésű elektródját (az anódot) és a negatív töltésű katódot. Kulcsfontosságú volt a két elektród közötti töltésáramot biztosító elektrolit kialakítása is – kritikus pontnak számított, hogy e szerves vegyületet is tartalmazó folyadékfázis ne legyen túlságosan tűzveszélyes. Mint tudjuk, ilyen balesetek azért napjainkban is történnek, az efféle kockázatok miatt néha teljes mobiltelefon-típusokat vonnak ki a forgalomból, és előfordultak veszélyes meghibásodások a repülőgépek elektromos hálózatában is.
Felturbózva
A friss díjazottak közül Goodenough (kutatótársaival együtt, ám némi rivalizálás kíséretében) egy manapság is haszonnal szolgáló, lítiumot és kobaltot is tartalmazó vegyületet használt anódként, és így már 1979-ben (!) sikerült egy újratölthető lítiumion-aksit produkálni. Ezt Josino Akira japán vegyész 1985-ben fejlesztette tovább: katódként lítium-betoldásos grafitelektródot használt, majd 1989-ben Goodenough és kutatótársai újfajta anyagokra (polianionokra) cserélték ki az anódot is, és így egy elektrokémiailag felturbózott, magasabb feszültség elérésére alkalmas akkumulátort kaptak.
A kilencvenes évek eleje óta tömegesen gyártott lítiumion-elektródok anyagukat tekintve igen változatosak, elvégre más és más célokra más és más anyagi összetétel felel meg (a közös elem a lítium). Fontos előnyük, hogy nem jelentkezik a más akkumulátorokra jellemző memóriahatás, azaz teljesítményvesztés nélkül tölthetők akkor is, ha nem merültek le teljesen (sőt, a teljes lemerítésük nem is tesz jót). Az idők folyamán elvégzett fejlesztések a tartósabb, nagyobb kapacitású és energiasűrűségű, jobban tölthető, hosszabb ideig szolgáló és nem utolsósorban biztonságosabb akkumulátorok létrehozását célozzák. Ezt szolgálná, ha teljesen kiiktatnák a robbanásveszélyes szerves folyadékot és lecserélnék valamilyen polimer gélre (ilyen akkumulátorok már most is használatban vannak), esetleg szilárd műanyagra, fémsóra vagy üvegszerű anyagra.
A mostani technológia is lehetővé tesz látványos ipari alkalmazásokat. A kisebb, telefonra méretezett akkumulátorok mellett nemrég üzembe helyeztek egy igazi áramforrásmonstrumot is: 2017. december 1-jén Dél-Ausztráliában lépett működésbe a világ eddigi legnagyobb, 100 megawattos (!) lítiumion-akkumulátora, amely egy óriási szélerőműparkra csatlakozva járul hozzá a megújuló (habár hektikusan termelhető) energia tárolásához. Az eszköz üzembe helyezése és működése is úttörő jelentőségű – mondani sem kell, hogy az Elon Musk-féle Tesla készítette. Egy ilyen óriásakku beiktatása az áramtermelő egységek és a fogyasztók közé zökkenőmentes energiaellátást biztosíthat megannyi háztartás számára.
Az ünnepelt lítiumion-akkumulátoros technológiának azért akadnak árnyoldalai is. Számos, gyakorta objektív akadály miatt ezek az akkumulátorok nem lehetnek annyira optimálisak, mint amennyit a korábbi fejlesztések és ipari alkalmazások ígértek. Az első kemény korlátot maga a lítium nyersanyag adja: bár nem kevés áll rendelkezésre ebből a könnyűfémből (az USA-ban például a geológiai hivatal tavalyi becslése szerint 16 millió tonna), viszont nem egyszerű kitermelni. Az óceánok vizében temérdek van belőle (230 milliárd tonna!), csak éppen arra nem jöttek még rá a kutatók, hogyan nyerjék ki gazdaságosan. A Föld fontosabb lítiumlelőhelyei zömmel sólerakódások (ahol nátrium- és káliumsókkal együtt található), kisebb részben üledékes vagy magmás eredetűek (pegmatitok) – jellemző, hogy bolygónk három legnagyobb lítiumkitermelője Ausztrália, Chile és Argentína.
A közelmúltig abban azért megegyeztek a szakértők, hogy bőven van annyi kitermelhető lítium, amennyi a folyamatosan növekvő ipari, fogyasztói szükséglet kielégítéséhez kell, csak éppen idővel a nagyobb kereslet (az olajkitermeléshez hasonlóan) olyan, korábban drágábbnak tűnő technológiák alkalmazását is kikényszeríti, amelyek az új körülmények között immár rentábilisak lesznek, ám ezzel drágulhat is a könnyűfém nyersanyag. A modern lítiumion-aksikhoz a névadó elem mellett (ahogy fent már utaltunk rá) más, szintén egzotikus fémek is szükségesek, például kobalt. Ezt viszont nem kis részben az instabil belső helyzetű Kongói Demokratikus Köztársaságban bányásszák, ami önmagában is kockázati faktor az elektromosautó-ipar fejlődése szempontjából.
Nem meglepő, hogy az elvileg a zöld energetikai fordulat és a kibocsátáscsökkentés kulcsának kikiáltott lítiumion-akkumulátorok előállítása is tetemes környezeti terheléssel és üvegházhatású gázok kibocsátásával jár. A kitermelés és gyártás során alkalmazott energiaforrások természetétől függ, hogy mekkora karbonterheléssel kell számolni, azaz mennyi szén-dioxidot eregetnek a levegőbe, míg a tiszta technológia szívét legyártják. A régi akkuk reciklálása azért javíthat a mérlegen, és az új típusú áramforrások javára kell írni azt is, hogy hulladékként nem mérgezik környezetüket (annyira biztosan nem, mint az ólomakkumulátorok).
Halkan jegyeznénk meg, hogy a lítiumion-akkumulátorok kibocsátáscsökkentés szempontjából csak akkor lehetnek hatékonyak, ha a feltöltésükhöz olyan áramot használnak, amelyet tényleg megújuló forrásokból (tehát nem biomassza, pláne nem lignit vagy földgáz elégetésével) termeltek meg. A járműpark elektromosra cserélése persze még ez utóbbi esetben is jótékony lehet – a városok levegőminősége, élhetősége szempontjából mindenképpen. Ha az összes CO2-kibocsátás nem is csökken, de legalább a városon kívüli áramtermelő egységekben a füst tisztítására és akár a gáznemű égéstermékek egy részének elnyeletésére is lehetőség van vagy legalábbis lesz.
A lítiumion-akkumulátor (illetve az elektromos járműveknél alkalmazott nikkel/fém-hidrid akkumulátor) minden hibájával és a korlátjaival együtt még jó ideig velünk marad – az innovációk is zömmel a régi lítiumos technológia továbbfejlesztését célozzák. Bár ígéretes kutatások zajlanak a jövő áramtárolóinak felkutatására (például a nanotechnológia felhasználásával vagy a már most is létező ultrakondenzátorok továbbfejlesztésével), tömeges alkalmazásukra várnunk kell türelmesen. És csak ezt követően jöhet majd a Nobel-bizottság újabb elismerése a még ezt is megélő tudósoknak.
