Elektromos meghajtású repülőgép, új generációs akkumulátorokkal - Go4IT
Noha a tiszta, elektromos meghajtású repülőgépek eddig nem tudták pótolni a hagyományos gépeket, a lítium-alapú akkumulátor-rendszer túl nagy súlyt adott a leadott energiának.
Az elektromos autók esetében nem feltétlenül jelent problémát az a tény, hogy a városi kompakt lítium-ion akkumulátorok hozzáadása után elérheti a limuzin súlyát, a külön súlyt kompenzáló villamos motorok lényegesen nagyobb hatásfokkal, mint a belső égésűek. De ugyanez a stratégia nem működhet olyan repülőgépek esetében, amelyek egyszerűen nem tudtak túl nagy súllyal felszállni.
Annak érdekében, hogy egy utasszállító repülőgép felszállhasson, gazdaságosan elszállítson nagyszámú utast és több száz kilométerre landoljon, a petróleum az ideális üzemanyag, drágább, de verhetetlen energiasűrűség és a fedélzeti súly arányával. Ha viszont a repülőgépek több ezer kilogrammos akkumulátort használnának, akkor a fennmaradó kapacitás a személyszállítás számára gazdaságtalan szintre csökkenne. Ha figyelembe vesszük az elemek költségeit is, akkor a beruházás kezdettől fogva minden légitársaság számára káros.
Még az aránylag kicsi repülőgépek esetében is, például a kétüléses kiképző repülőgépek esetében is, az akkumulátorok össztömege korlátozza a repülőgép hasznos terhelését, hatótávolságát és esetleg manőverezhetőségét. Így az elektromos repülőgépek jelenleg rövid távú járatokra korlátozódnak, kiszámítható útvonalakon, amelyek nem igényelnek gondosan kiszámított repülési tervet.
Az akkumulátor súlyának csökkentése nemcsak a repülés, hanem más elektromos járművek, például személygépkocsik, teherautók, buszok és hajók számára is előnyt jelentene, amelyek teljesítménye közvetlenül összefügg az energia és a felhasznált elemek tömegének arányával.
2004 óta a brit Oxis Energy cég fejlesztette ki, egy új típusú lítium-kén technológiájú akkumulátor megoldhatja a súly problémáját, és több mint kétszeresére növeli a lítium-ion akkumulátorok energiasűrűségét.
Külön tekintve a kén és a lítium rendkívül reaktív, sőt robbanásveszélyes elemek, amelyek a természetben csak más anyagokkal együtt létezhetnek. De az akkumulátor-technológia szakértői éppen a két anyag reakcióképességét keresik. A kihívás az, hogy olyan akkumulátorokat szerezzünk be, amelyek az ismételt töltési/kisütési ciklusok után biztonságosan és gyors lebomlás nélkül biztosítják a kívánt teljesítményszintet.
Mit tartalmaznak az új Li-Sulf akkumulátorok:
- A katódként ismert pozitív elektróda kisülés közben elnyeli az elektronokat. Alumínium áramgyűjtőhöz van kötve, amelyet szén és kén keveréke borít. A kén az aktív anyag, amely részt vesz az elektrokémiai reakciókban. De ez egyben elektromos szigetelő is, így a szén, egy vezető, elektronokat szállít oda, ahol szükség van rájuk. Kis mennyiségű kötőanyag is rendelkezésre áll annak biztosítására, hogy a kén és a szén együtt maradjon a katódban.
- A negatív elektród vagy anód kisütés közben szabadítja fel az elektronokat. Tiszta lítiumfóliához van kötve. A lítium áramgyűjtőként is működik, de aktív anyag is, amely részt vesz az elektrokémiai reakcióban.
- A porózus elválasztó megakadályozza a két elektróda érintkezését, ami rövidzárlatot okozhat és károsíthatja az akkumulátort. Az elválasztót lítiumsókat tartalmazó elektrolitban fürdik.
- Az elektrolit megkönnyíti az elektrokémiai reakciót azáltal, hogy lehetővé teszi az ionok mozgását a két elektróda között.
- Az alkatrészek nagyon kompakt csomagolásban vannak, kívülről műanyag fóliával védve. A cellák egymás után - sorosan és párhuzamosan - összekapcsolhatók, és egy 20 Ah-os és 2,15 voltos akkumulátorba vannak csomagolva. Nagy jármű, például repülőgép esetében az ilyen csomagokat együtt használják, hogy több száz volt, illetve tíz vagy száz amper feszültséget kapjanak.
A Li-ion technológiához képest a kénelemek szokatlanok, mert kisütésük során több szakaszon mennek keresztül, különböző molekuláris lítium- és kénvegyületeket képezve. Amikor egy cella kisül, az elektrolitban lévő lítiumionok a katódba vándorolnak, ahol kénnel és elektronokkal egyesülve egy poliszulfidot, Li2S8 képeznek. Eközben az anód, lítium molekulák feladják az elektronokat, hogy pozitív töltésű lítium ionokat képezzenek; ezek a felszabadult elektronok a külső áramkörön - a töltésen - keresztül mozognak, ami visszavezeti őket a katódhoz. Az elektrolitban az Li2S8 azonnal reagál a lítiumionokkal és az elektronokkal, így új poliszulfidot, Li2S6-ot képez. A folyamat folytatódik, más poliszulfidokon, Li2S4 és Li2S2 átjutva, végül Li2S-vé válik. Minden szakaszban hasznos energia szabadul fel, amíg a sejt teljesen kiürül.
Az újratöltés a fent leírt szekvencia fordítottja, amelynek eredményeként lítiumionok képződnek, amelyek diffundálnak az elektroliton keresztül, és végül lítiumfémet képeznek.
Ez a leírás egyszerűsített. A valóságban a reakciók bonyolultabbak és számosak, mind az elektrolitban, mind az anódban zajlanak. Valójában sok töltési és ürítési ciklus alatt ezek azok a mellékhatások, amelyek lebontást okoznak egy lítium-szulfid cellában.
Három tényező határozza meg, hogy a lítium-szulfid akkumulátorok sikeresek-e. Az első az elemek sikeres integrálása többféle repülőgépbe, az elv bemutatására. A második a sejtkémia folyamatos finomítása. Harmadszor: a költségek folyamatos csökkentése. Nagy plusz ebben a tekintetben, hogy a kén nagyon olcsó és könnyen beszerezhető anyag. A technológia fejlesztői azt remélik, hogy az idő múlásával a Li-Sulf akkumulátorok használatának költségei a jelenleg használt Li-Ion megoldások alatt maradnak.