Küszöbön az áttörés, de még sokáig velünk lesznek a veszélyes lítiumion-aksik

Kun Róbert az Indexnek többek között arról beszélt, hogy

• miért függünk az akkumulátoroktól;
• mennyire mérgező a lítiumion-akkuk gyártása;
• melyek azok a legveszélyesebb anyagok, amelyeknek semmi esetre sem szabadna kikerülniük a gyárakból; 
• miért éppen lítiumion-akkumulátorok lepték el a világot;
• melyek a legígéretesebb új technológiák;
• mit ne tegyünk a Li-ion-aksikkal;
• és mit ne a közönséges alkáli elemekkel.

Hatalmas hullámokat vet a debreceni akkumulátorgyár építése, és újabb óriási kapacitásokat terveznek építeni Magyarországon. Nekünk tényleg akkumulátorgyártó középhatalomnak kell lennünk?

Ne így kezdjük az értelmezést! Ha nem helyezzük kontextusba az egészet, akkor önmagában az akkumulátorgyártás valóban értelmezhetetlen. Viszont a szemünk előtt zajlik, és részesei vagyunk egy komplex energetikai átalakulásnak. Az EU-s karbonsemleges célok kitűzték, hogy 2035-től nem lehet majd új benzines és dízeles autókat forgalomba helyezni, helyüket pedig elektromos autók veszik át. Ráadásul gyorsan zajlik a (többnyire időjárásfüggő) megújuló energiákra átállás is, ezek mindegyikének pedig kulcseleme az akkumulátor. Emiatt hosszú távú, stratégiai jelentősége van, hogy Európában gyártsanak akkumulátorokat, és ne kelljen függeni a távol-keleti beszállítóktól. Összesen 170-200 GWh gyártási kapacitást terveznek Magyarországon, most körülbelül 70-80 GWh már üzemel, ezzel Németország után a másodikok vagyunk már most is, és maradunk is azok Európában.

Ambiciózus tervek, de azért komoly aggályok merülnek fel. Nem látszik például sok hazai hozzáadott érték, azaz lényegileg egy akku-összeszerelő ország vagyunk.

Jelenleg tényleg így van. Potenciálisan azonban az idetelepülő fejlett technológia tudást is hoz magával, több tízezer fő képzett munkaerőre lesz szükség, ami beindítja a szakember- és mérnökképzést. Továbbá komoly tervek vannak arra vonatkozólag, hogy a K+F és a hazai beszállítók erősítésével magasabb legyen a hazai hozzáadott érték. De annyira változó és gyors ez és az egész átalakuló, zöldülő gazdaság, hogy nehéz biztosat mondani, mi lesz évek múlva. Beszélni kell mindenképpen az árnyoldalakról is, de csakis tárgyilagosan, szakmai alapokon.

Rendben. Elvitathatatlan, hogy sokféle mérgező anyagot használnak az akkugyártás során. Lítiumvegyületeket és az NMP oldószert (N-metil-2-pirrolidon) ki is mutatták a gödi Samsung-gyár közelében. Mennyire veszélyes üzem ez, milyen toxikus anyagok kerülhetnek ki a környezetbe?

A Li-ion-akkumulátorok gyártásának három fő állomása van. Az első az elektródgyártás, amikor az elektrokémiailag aktív anyagokat fém áramgyűjtőkre viszik fel, mint egy bevonatot. Az anód esetében (ez az akku negatív pólusa) vékony rézfóliát használnak áramgyűjtőként, melyre vizes alapú anyag formájában viszik fel a grafitalapú anódmasszát. A katód esetében (ez az akku pozitív pólusa) a szükséges anyagokat NMP-vel (N-metil-2-pirrolidon) keverik össze, és ez a szervesoldószer-alapú „festék” kerül a vékony alumíniumfóliára. Látható, hogy a katódgyártási folyamathoz használják azt az NMP-t, amit megtaláltak a gödi Samsung-gyár mellett, és ez egyáltalán nem jó hír. Hogy miért és hogyan került ki, mindenképpen kérdéseket vet fel.

Elméletileg ki sem juthatna, mert zárt rendszerben újra és újra felhasználják. A kész akkumulátorok nem is tartalmaznak NMP-t (legalábbis elméletben). A második állomás a cella összeszerelése, majd a harmadik állomásnál az úgynevezett elektrokémiai formázás („öregítés”) következik.

Kritikus kérdés a vízfelhasználás. Rengeteg víz kell a gyártáshoz. 

Igen. Nagyságrendileg 3000-4000 köbméter víz fogyhat naponta közepes termelési kapacitást és normál üzemet feltételezve, ami soknak tűnik, de a víz nagy részét hűtésre használják, 85 százaléka pedig párolgási veszteségként eltávozik. Katódaktív anyagok (nikkel-kobalt tartalmú vegyületek), például egyáltalán nem érintkez(het)nek vízzel, a kész akkumulátorcellában pedig természetszerűleg nem lehet jelen víz, sem nedvességtartalom. Jelentős mennyiségű vízre van ugyan szükség, de nem keletkezik mérgező szennyvíz.

És mi van az akkucellákat kitöltő szerves elektrolittal? Tudtommal ezek is erősen mérgező vegyületek.

Az elektrolitokkal csínján kell bánni, ezek szerves oldószerek (pl. szerves karbonátok (etilén-karbonát, dimetil- vagy dietil-karbonát stb.), amelyek tartalmazhatnak veszélyes adalékokat. És ami egyáltalán elektrolittá teszi ezt az oldatot, az a lítiumsó (ami leggyakrabban LiPF₆, azaz lítium-hexafluorofoszfát).

Nem véletlen, hogy rendkívül száraz közegben szerelik össze az akkucellákat. A már említett harmadik gyártási fázis az elektrokémiai formázás és öregítés, amikor egyenárammal feltöltik az akkumulátorokat. Ekkor szintén mérgező gázok szabadulnak fel, amiket égetéssel megsemmisítenek.

Mérgező lítiumvegyületek, oldószerek, toxikus elektrolitoldatok, gázok. Miért éppen lítiumion-akkumulátorokra álltunk rá? Miért nem valami barátságosabb technológiára? 

Azért, mert ebben a pillanatban nincs jobb a Li-ionos akkumulátoroknál. Ezért is tört előre, terjedt el villámgyorsan, és lett napjainkra szinte egyeduralkodó akkumulátortechnológia. Az az óriási előnye, hogy valamennyi újratölthető rendszer közül ez a technológia biztosítja a legmagasabb energiasűrűséget, amely napjainkra (szigorúan az akkumulátorcellák szintjén) eléri a 250 Wh/kg fajlagos értéket (egy kilogrammnyi akkucella által eltárolt energia, a szerk.). Ez különösen fontos paraméter például a mobiltelefonoknál, laptopoknál, na és persze a most elterjedő elektromos autóknál. Az alkáli elemek és a pár éve még széles körben elterjedt nikkel-fémhidrid-akkumulátorok (amelyek közül a legjobbak is csak 80-90 Wh/kg-ot tudtak) elérték a maximumot. A hagyományos ólomaksik (például az autókban) még a legjobb zselés kivitelben sem tudnak többet, mint 40-45 Wh/kg energiasűrűséget. Paradigmaváltásra volt tehát szükség, hogyan lehet fokozni az energiatároló képességet. Ehhez az kellett, hogy az addig ismert valamennyi akkumulátort és nem újratölthető galváncellát figyelembe véve kicseréljék a vízalapú elektrolitot egy szervesoldószer-alapú alternatívára.

Persze a nagy energiatárolásnak ára van: néha kigyulladhatnak, a Li-ion-akkukban használt szerves elektrolit ugyanis egy igen gyúlékony anyag.

Merre tovább? Ön akkumulátorkutatással foglalkozik, meddig maradnak velünk a mérgező és sok tekintetben nem túlságosan meggyőző lítiumaksik? Mekkora jövője van a Li-ionnak?

Ahogy említettem, ma ez a technológia a legjobb, és még lehet kihozni belőle valamennyit, csiszolgatni rajta, valahogy úgy, mint a Forma–1-es autóknál, de már látszik, hogy a felső határ közelében vagyunk. Nem állt le a fejlesztés, most éppen más elektrokémiával kísérleteznek. Az Elon Musk által szorgalmazott, harmadik generációs lítiumakkukban például a grafitot szilíciummal helyettesítenék, amelynek tízszer nagyobb a fajlagos kapacitása, de még vannak megoldandó gondok. Mindenesetre 300-350 Wh/kg kapacitást ígérnek.

Akkor velünk marad még sokáig a lítiumion?

Úgy tűnik. És ha tovább csavarunk a dolgon, akkor jön képbe a szilárd vagy polimer elektrolit. Hatalmas előnye, hogy a környezetre nem káros, nem mérgező és nem gyúlékony, mint a jelenlegi akkuk. És 450-500 Wh/kg-ot tudnának, azaz dupláját a mostaniaknak. Laborban működnek már prototípusok, nekünk is van ilyen. A legnagyobb probléma azonban az, hogy eddig nem tudták megoldani a nagyüzemi gyártást.

Rendszeresen megjelennek világraszóló áttörésekről szóló hírek. Mennyire vehetjük ezeket komolyan?

Komolyan lehet őket venni. Itt van például a lítium-levegő akkumulátormegoldás, amely 900-1000 Wh/kg energiát ígér! Négyszeresét a mainak. Egyelőre azonban alapkutatási szinten van az elképzelés, és 50-100 töltési ciklus után leállnak a prototípusok. De soha ne mondd, hogy soha.

Kína már tervezi a gyártását. A Na-ion-akkumulátorok működése nagyon hasonlít a Li-ion-akkumulátorokéhoz, csak nem lítiumion, hanem nátriumion vándorol az elektródok között. Sőt, a Li-ion-gyártástechnológia kicsi változtatásokkal átállítható Na-ion-akkumulátorok gyártására. Nem elképzelhetetlen, hogy évek múlva a Li-ion-akkumulátorokat gyártó gépsorok Na-ion-akkumulátorokat (is) fognak gyártani Magyarországon. Vagy létezik a szilárdtest-lítium akkumulátor koncepciója, ami lényegi javulást ígér mind az energiasűrűségben, mind a cellabiztonságban. De a fenntarthatóbb anyagokon alapuló akkumulátorok fejlesztése is egyre nagyobb figyelmet kap,

A fejlődés és fejlesztések üteme erőteljes, és most ezekre a technológiákra fogadnék, hogy ezek lesznek a befutók. A nátrium-ion-akkumulátorok nagy előnye lehet, hogy a nátriumvegyületek manapság tizedannyiba kerülnek, mint a lítiumvegyületek. Ugyan szintén szervesoldószer-alapú az elektrolit, de nem kell tartani gyulladással végződő veszélyes rövidzárlatoktól, és nem kell réz sem az anódhoz, ami további költségcsökkentést eredményez. De ha elterjed, akkor sem váltja le egy az egyben a lítiumiont, inkább kiegészítő akkumulátortechnológiaként kell rá tekinteni.

Mi lesz a lítiumvegyületekkel? Hová kerülnek az elhasználódott akkumulátorok, hiszen veszélyes hulladéknak számítanak?

Tudomásom szerint Magyarországon itt-ott végeznek már valamilyen újrahasznosítást, de sajnálatosan a kisebb méretű elemek, telefon- vagy notebookaksik jó része a kommunális hulladékba kerül. Viszont egy elektromos jármű akkupakkja nagyságrendekkel nagyobb és szennyezőbb lehet, ezért mindenképpen gyűjteni és kezelni kell.

Újra lehet egyáltalán hasznosítani a Li-ion-akkumulátorokat?

Nem kell eldobni, amelyikben van még potenciál, diagnosztizálás után elkezdheti második életét. Nem akkora kapacitással, mint új korában, de még jó lehet más eszközökben vagy más célokra, pl. helyhez kötött (stacioner) energiatárolásban. Amelyik már végleg használhatatlan, azt kell anyagában újrahasznosítani. Kinyitják a cellákat, bedarálják, szétválasztják az egyes részeket, anyagokat.

a különféle mérgező, organofoszfor-jellegű szerves vegyületek semmiféleképpen ne szennyezzék a környezetet. Még nem teljesen ismert, és kutatják is jelenleg, hogy milyen kémiai változásokon mennek keresztül az idők folyamán az elöregedett elektrolitvegyületek, és mennyire maradnak vagy lesznek mérgezőek.

Hát ez nem hangzik jól.

A hulladékra nyersanyagként kell tekinteni. Az emberiség energiaéhes, mindenképpen szüksége van energiára és annak tárolására. Az akkumulátor tényleg veszélyes hulladék, de gondoljunk csak bele, hogy Magyarországon foszgént (műanyagiparban fontos gáz, de erős idegméreg) és salétromsavat is gyártanak, és vannak gyógyszergyárak, és nincs velük baj. Magyarországon erős a vegyipari háttér és tudásbázis. Hasonlóan lehet kezelni az akkumulátorgyárakat is. Ha a szigorú gyártási és kezelési szabályokat betartják, nem lehet probléma.

Azért mégiscsak aggodalomra adnak okot.

Ha úgy vesszük, minden anyag mérgező, a tiszta víz is lehet méreg, de a konyhasó is. Dózis kérdése is, mi a mérgező. Jelen esetben viszont a legalapvetőbb tétel és megoldandó feladat, hogy az akkumulátorgyártás során felhasznált vegyszerek, alapanyagok, segédanyagok ne jussanak ki a környezetünkbe, sem szilárd, sem folyadék, sem légnemű halmazállapotban.

De ahogyan látjuk, a Li-ion-akkumulátorok a kommunális szeméttelepeken vagy körülöttünk szanaszét, szétszórva fejezik be pályafutásukat.

Mindenképpen kezdeni kell velük valamit, ahogyan a minden háztartásban használt alkáli elemekkel is. De ahogyan a cinket és mangán-dioxidot tartalmazó közönséges alkáli elemet sem érdemes, úgy a Li-ion-aksikat sem kell szétbontogatni. Az alkáli elemekből ugyanis mangán és cink juthat a szervezetbe, és persze kálium-hidroxid, ami az elektrolit volt az elemben. 

Ha a szervezetbe kerül, és a gyomorsavak szétkorrodálják a burkolatot, akkor akár egy tabletta méretű lítiumgombelem is (benne mangánnal és szerves elektrolittal) visszafordíthatatlan károkat, gyors halált okozhat.

Jó, nem esszük meg őket. De az akkumulátorok kulcseszközök a megújuló energiaforradalomhoz. Akkor ezek szerint majd tárolni tudjuk télire a nyári napsütésben begyűjtött elektromos energiát nagy-nagy akkumulátorokban?

Sajnos nem. Az időjárásfüggő energiák, a nap és a szél rengeteget hoznak, de akkumulátorokkal nem lehet tartósan tárolni a megtermelt energiát. Átmenetileg igen, rövid távú szabályozásra alkalmasak, de nincs az a pénz, hogy akkora akkumulátort érdemes legyen működtetni, hogy egy kisebb várost pár napig ellássunk0 energiával. Teljesen más koncepciók kellenek ehhez.

(Borítókép: Kun Róbert. Fotó: Kaszás Tamás / Index)