Vetyparistot, jotka toimivat kylmässä

Akkuja pidettiin aiemmin yksinkertaisina virtalähteinä, mutta nykyään ne ovat yksi nopeimmin kasvavista tulevaisuuttamme muovaavista teknologioista ja maailman puhtaan energian murroksen ytimessä.

Akkutyypeistä litiumioniakut ovat ensisijainen valinta kaikkeen matkapuhelimista sähköajoneuvoihin.

Litiumioniakut tulivat kaupalliseen käyttöön 1990-luvun alussa, mutta niiden kysyntä kasvoi räjähdysmäisesti viime vuosikymmenellä: vain 0,5 gigawattitunnista (GWh) vuonna 2010 noin 526 GWh:iin kymmenen vuotta myöhemmin.

Litiumioniakkujen kustannukset laskivat lähes 90%, noin 1 400 dollarista kilowattitunnilta vuonna 2010 noin 140 dollariin vuonna 2023. Yhdessä energiatiheyden ja käyttöiän kehityksen kanssa tämä on vahvistanut niiden hallitsevaa asemaa sähköajoneuvoissa ja energian varastoinnissa.

Litiumionikennojen kaltaisten ladattavien akkujen suuri ongelma on kuitenkin se, etteivät ne pidä kylmästä.

Miksi paristot epäonnistuvat kylmässä (ja miten insinöörit korjaavat sen)

Akut toimivat huonosti kylmissä oloissa, koska niiden sisäiset sähkökemialliset reaktiot hidastuvat pakkasessa.

Useimmissa akuissa on kolme pääosaa:

• Elektrodit
• Elektrolyytti
• Erotin

Akussa on kaksi johtavista materiaaleista valmistettua elektrodia. Katodi liittyy akun positiiviseen napaan, josta sähkövirta poistuu purkauksen aikana. Anodi liittyy akun negatiiviseen napaan, johon sähkövirta saapuu purkauksen aikana.

Erotin pitää elektrodit erillään oikosulun estämiseksi. Niiden välissä oleva nestemäinen elektrolyytti sisältää sähköisesti varautuneita hiukkasia eli ioneja. Elektrolyytin reaktiot elektrodimateriaalien kanssa mahdollistavat sähkövirran syntymisen.

Litiumioniakuissa elektrolyytti on yleensä liuoksessa olevaa litiumsuolaa, joka kuljettaa varausta kantavia ioneja elektrodien välillä. Kylmässä ionit hidastuvat eivätkä pysty toimimaan oikein elektrodien kanssa, mikä vähentää akun tuottamaa virtaa ennen tyhjenemistä.

Jos elektrodille kertyy liikaa litiumia, seurauksena voi lisäksi olla oikosulku ja tulipalo.

Kylmä sää heikentää siis voimakkaasti akun käyttöaikaa, tehokkuutta ja käytettävissä olevaa kapasiteettia. AAA:n viimevuotinen kysely osoitti, että talvinen toimintamatkan lyheneminen ja hitaampaan lataukseen liittyvät huolet ovat osaltaan hidastaneet sähköautojen kysyntää.

Ongelman ratkaisemiseksi yritykset ympäri maailmaa kehittävät uusia ja parempia akkukemioita.

Esimerkiksi kiinalainen akkujätti CATL ilmoitti toisen sukupolven natriumioniakusta, joka toimii jopa −40 °C:ssa, sisältää parannettuja turvaominaisuuksia ja tavoittelee yli 200 wattitunnin energiatiheyttä kilogrammaa kohden.

Natriumioniakkuja pidetään litiumioniakkuja turvallisempina ja kylmänkestävämpinä, mutta niiden energiatiheys on pienempi ja tuotantokustannukset korkeammat.

Michiganin yliopiston insinöörit puolestaan kehittivät muokatun valmistusprosessin¹, joka mahdollistaa sähköautojen akuille pitkän toimintamatkan ja nopean latauksen kylmässä.

Ryhmä loi anodiin 50 mikrometrin kulkureittejä ja levitti siihen 20 nanometrin paksuisen lasimaisen litiumboraatti-karbonaattipinnoitteen estämään litiumin metallista saostumista elektrodeille. Muutoksilla valmistetut sähköautojen litiumioniakut latautuvat 500% nopeammin −10 °C:ssa ja säilyttävät 97% kapasiteetistaan vielä sadan kylmässä tehdyn pikalatauksen jälkeen.

”Olemme ensimmäistä kertaa osoittaneet tavan saavuttaa samanaikaisesti erittäin nopea lataus matalissa lämpötiloissa tinkimättä litiumioniakun energiatiheydestä.”

— Tutkimuksen toinen kirjoittaja Neil Dasgupta, konetekniikan sekä materiaalitieteen ja -tekniikan apulaisprofessori Michiganin yliopistossa

Muut tutkijat optimoivat elektrolyyttikoostumuksia ja muokkaavat anodimateriaaleja, kehittävät erityisiä akkutekniikoita, lisäävät paksumpaa eristystä sisäänrakennetuilla lämmittimillä, ehdottavat lämpötilaohjattua älykästä latausta² ja esittelevät ennakoivan säätöalgoritmin³ akun lämpötilan hallintaan.

Samalla kun materiaalit, elektrolyytit ja muut tekniikat kehittyvät kylmän sään ongelmien ratkaisemiseksi, tutkijat selvittävät myös vaihtoehtoisia varastointijärjestelmiä, kuten vetypohjaisia akkuja.

Vetyparistot: miten ne toimivat ja miksi ne ovat tärkeitä

Vety on puhdas energianlähde, jonka käyttö polttokennossa tuottaa vain vettä. Se on energiankantaja, joka voi varastoida ja luovuttaa muista lähteistä tuotettua energiaa.

Maailmankaikkeuden yleisintä alkuainetta vetyä voidaan tuottaa maakaasusta, biomassasta ja ydinvoimasta sekä uusiutuvista lähteistä, kuten tuuli- ja aurinkoenergiasta.

Tämä väritön, hajuton ja erittäin helposti syttyvä kaasu on myös veden ja kaikkien orgaanisten yhdisteiden keskeinen osa.
Sveippaa vierittääksesi →

Vety on itse asiassa Auringon keskeinen alkuaine. Auringon ytimessä se muuttuu energiaksi ydinfuusiossa: valtavan paineen ja kuumuuden alla vetyatomit yhdistyvät heliumiksi ja vapauttavat suunnattomasti energiaa, joka kulkee ulospäin Auringon kerrosten läpi ja säteilee avaruuteen valona ja lämpönä.

Maapallolla vety on houkutteleva polttoainevaihtoehto, ja vetyakuilla voi olla litiumioniakkuja pidempi käyttöikä.

New South Walesin yliopiston tutkijat arvioivat⁴ kaupallisia LAVO-vetyakku- ja Tesla (TSLA ) Powerwall 2 -järjestelmiä teknisen ja taloudellisen suorituskyvyn vertaamiseksi. LAVO-järjestelmän energiahäviöt olivat suuremmat.

Vetyakkujen kapasiteetti kuitenkin heikkeni vähemmän ja energiatiheys oli litiumioniakkuja suurempi, joten ne pystyivät varastoimaan enemmän energiaa pidemmäksi aikaa. Niiden kyky kestää 18% enemmän lataus-purkaussyklejä tekee niistä ”sopivia etäsovelluksiin, joissa tarvitaan pitkäkestoista energian varastointia”.

Kiinan tiede- ja teknologiayliopiston tutkijat kehittivät uuden kemiallisen akkujärjestelmän⁵ turvallisempaa ja kestävämpää akkukäyttöisten järjestelmien tulevaisuutta varten.

Nykyisissä vetypohjaisissa akuissa H2 toimii katodina, mikä rajoittaa jännitealuetta ja varastointikapasiteettia. USTC:n ryhmä ehdotti vedyn käyttöä anodina ja rakensi prototyypin, jossa oli litiumanodi, kiinteä elektrolyytti ja vetykatodina toimiva platinapinnoitettu kaasudiffuusiokerros.

Ryhmä raportoi Li-H-kokoonpanolle jopa 2 825 Wh/kg:n teoreettisen ominaisenergian, noin 3 V:n purkausjännitteen ja 99,7%:n edestakaisen hyötysuhteen. Potentiaali on vahva, mutta 2 825 Wh/kg ei ole toteutunut akkupakettitason mittaus.

Kustannustehokkuuden parantamiseksi ryhmä rakensi anodittoman Li-H-akun, jossa litium saostui latauksen aikana litiumsuoloista. Parannettu versio mahdollistaa tehokkaan litiumin saostumisen ja poistumisen sekä vakaan toiminnan pienilläkin vetypitoisuuksilla, mikä vähentää riippuvuutta korkeapaineisesta vetyvarastoinnista.

Tavallisiin nikkeli-vetyakkuihin verrattuna Li-H-järjestelmä tarjoaa paremman energiatiheyden ja hyötysuhteen ja avaa uusia mahdollisuuksia Li-H-akkuteknologian sovelluksille.

Puhtaan energian varastoinnin eduista huolimatta vedyn varastointi ei ole helppoa, vaan se on yksi vedyn käytön suurimmista haasteista.

Ba–Ca–Na-hydridielektrolyytti mahdollistaa vedyn varastoinnin matalassa lämpötilassa

Vedyn varastointi vaatii joko erittäin matalan lämpötilan (−252,8 °C), korkean paineen (350–700 baaria) tai molemmat. Kiinteään aineeseen varastointi poistaa korkeapaineisiin kaasusäiliöihin liittyvät turvallisuusriskit, mutta matalissa lämpötiloissa vastaan tulevat materiaalien rajoitukset.

Ongelman ratkaisemiseksi Institute of Science Tokyon (Science Tokyo) tutkijat selvittivät hydridi-ionien välittämää sähkökemiallista vedyn varastointia. Työ johti lupaavan hydridi-ioneja johtavan kiinteän elektrolyytin löytämiseen⁶ barium-, kalsium- ja natriumhydridijärjestelmästä.

Erikokoisten ionien yhdistämisen on raportoitu tuottavan superionisen johtavuuden. Tätä tavoitellessaan tutkijat yhdistivät BaH2-, CaH2- ja NaH-yhdisteiden ionit.

Tuloksena syntynyt anti-α-AgI-tyyppinen kiinteä elektrolyytti Ba0.5Ca0.35Na0.15H1.85 on sähkökemiallisesti erittäin vakaa ja johtaa hyvin hydridi-ioneja (H−).

Erityisen merkittävää on, että sähkökemiallinen vakaus mahdollistaa joustavan yhdistämisen moniin metallihydridielektrodeihin. Elektrolyytti toimii esimerkiksi titaanihydridistä ja magnesiumhydridistä (MgH2) valmistettujen elektrodien kanssa, mikä mahdollistaa suuren kapasiteetin ja palautuvan vedyn varastoinnin matalissa lämpötiloissa.

Ensimmäisissä kokeissa elektrolyytti sijoitettiin TiH2-elektrodin (titaanidihydridi on titaanin ja vedyn yhdiste) ja titaanisen vertailuelektrodin väliin. Järjestelmässä käytettiin myös asetyleenimustaa ja molybdeenistä valmistettuja virrankeräimiä.

Näin tutkijat määrittivät kiinteän elektrolyytin vakaan potentiaali-ikkunan, joka oli paras koskaan raportoitu.

Tutkijat raportoivat myös suuresta H−-johtavuudesta, joka johtui elektrolyytin tilakeskisestä kuutiollisesta (bcc) rakenteesta. Rakenteen pieni pakkaustiheys muodostaa ”avoimen reitin ionien kuljetukselle”. Myös rakenteen helposti polarisoituvat kationit edistivät suurta ionijohtavuutta.

Seuraavaksi tutkijat valmistivat MgH2:ta käyttävän kennon testatakseen elektrolyytin kykyä varastoida vetyä.

MgH2 on suuren kapasiteettinsa ja edullisuutensa vuoksi vedyn varastointiin tutkittu kemiallinen yhdiste. Se voidaan liittää akkumaiseen järjestelmään, jossa vetyä varastoidaan ja vapautetaan latauksen ja purkauksen aikana. Käyttöä ovat kuitenkin rajoittaneet epätoivotut sivureaktiot, vedyn imeytymisen ja vapautumisen heikko palautuvuus sekä vähintään 300 °C:n lämpötilavaatimus.

Tutkijat saivat kuitenkin Mg–H2-kennot toimimaan vedyn varastointilaitteina ja osoittivat niiden saavuttavan 2 030 mAh/g:n kapasiteetin 90 °C:ssa.

300–400 °C:sta noin 90 °C:een: käytännöllinen matalan lämpötilan vetyakku

Science Tokyon tutkijoiden uusi vetyakku ylittää aiempien menetelmien pienen kapasiteetin ja korkean lämpötilan asettamat rajat. Nykyisten kiinteän olomuodon vedynvarastointimenetelmien vaatiman 300–400 °C:n (572–752 °F) sijaan akku toimii 90 °C:ssa (194 °F).

Akku toimii siirtämällä hydridi-ioneja kiinteän elektrolyytin läpi, jolloin magnesiumhydridi (MgH2) voi varastoida ja vapauttaa vetyä toistuvasti täydellä kapasiteetilla.

Kehitys tarjoaa käytännöllisen tavan varastoida vetypolttoainetta ja edistää vetykäyttöisten ajoneuvojen sekä puhtaiden energiajärjestelmien kehittämistä.

”Osoitimme Mg–H2-akun toimivan turvallisena ja tehokkaana vetyenergian varastointilaitteena, jossa suuri kapasiteetti, matala lämpötila sekä vetykaasun palautuva imeytyminen ja vapautuminen yhdistyvät.”

— Apulaisprofessori Naoki Matsui

Kiinteitä komponentteja käyttäviä vetyakkuja on jo olemassa, mutta ne vaativat korkean käyttölämpötilan. Uusi vetyakku pystyy sen sijaan hyödyntämään MgH2-anodin koko teoreettisen varastointikapasiteetin ja saavuttamaan suuren ionijohtavuuden huoneenlämmössä. Tämän mahdollistaa kiinteä elektrolyytti Ba0.5Ca0.35Na0.15H1.85.

Bariumista (Ba), kalsiumista (Ca) ja natriumhydridistä (NaH) koostuva elektrolyytti kuljettaa hydridi-ioneja (H−) tehokkaasti.

Sen anti-α-AgI-tyyppinen kiderakenne tunnetaan superionisesta johtavuudestaan. Ba, Ca ja Na sijaitsevat tilakeskisissä asemissa, kun taas hydridi-ionit liikkuvat yhteisiä tahkoja jakavien oktaedristen ja tetraedristen paikkojen kautta, mikä mahdollistaa niiden vapaan liikkumisen.

Uusi akku toimii litiumioniakun tavoin, mutta positiivisesti varautuneiden ionien sijasta elektrolyytin läpi kulkevat negatiivisesti varautuneet hydridi-ionit, jotka pystyvät liikkumaan sen kiderakenteessa.

Akussa magnesiumhydridi (MgH2) toimii anodina ja vetykaasu (H2) katodina.

Latauksen aikana MgH2-anodi vapauttaa hydridi-ioneja. Ne kulkevat uuden elektrolyytin läpi katodille, jossa ne hapettuvat ja vapauttavat vetykaasua.

Purkauksen aikana prosessi kääntyy: katodilla oleva vetykaasu pelkistyy kemiallisessa reaktiossa hydridi-ioneiksi. Ne kulkevat elektrolyytin läpi anodille ja reagoivat magnesiumin kanssa muodostaen MgH2:ta. Hapetus-pelkistysreaktiossa negatiivisesti varautunut anodi luovuttaa elektroneja, jotka kulkevat ulkoisen virtapiirin kautta positiivisen nettovarauksen omaavalle katodille ja tuottavat näin virtaa liitetyille järjestelmille.

Tämän ansiosta kiinteän olomuodon kenno voi varastoida H2:ta ja vapauttaa sitä tarvittaessa juuri veden kiehumispistettä alemmissa lämpötiloissa.

Kennolla saavutettiin MgH2:n koko teoreettinen varastointikapasiteetti toistuvien syklien aikana. Kapasiteetti 2 030 mAh/g on huomattavasti litiumioniakkujen 154–203 mAh/g:n kapasiteettia suurempi.

”Vetyakkumme nämä ominaisuudet eivät aiemmin olleet saavutettavissa tavanomaisilla lämpömenetelmillä tai nestemäisillä elektrolyyteillä. Ne luovat perustan tehokkaille vedynvarastointijärjestelmille, joita voidaan käyttää energiankantajina.”

— Tutkimuksen pääkirjoittaja Takashi Hirose, apulaisprofessori Kioton yliopiston kemian tutkimusinstituutissa (ICR)

Vaikka akku ei vielä sovellu arkisiin laitteisiin, se on läpimurto vedyn varastoinnissa huomattavasti aiempaa matalammissa lämpötiloissa ja viitoittaa tietä tehokkaammalle ja helpommalle vedyn varastoinnille.

Kehitys voi johtaa siihen, että vetyakut korvaavat sähköautoissa raskaita litiumioniakkuja, joiden kunto ja tehokkuus heikkenevät ajan mittaan.

Koska uusi rakenne mahdollistaa vedyn varastoinnin ilman korkeapainejärjestelmiä, äärimmäistä jäähdytystä tai korkeita käyttölämpötiloja, se voi samalla tukea vedyn käyttöä vihreänä energianlähteenä ja nopeuttaa käynnissä olevaa siirtymää vihreään energiaan.

Tutkijat aikovat seuraavaksi kehittää kiinteitä elektrolyyttejä ja elektrodimateriaaleja, joiden ionijohtavuus on suurempi. Lisäksi he työstävät laiteratkaisuja, joiden käyttölämpötila on matalampi ja energiatehokkuus parempi.

Sijoittaminen vetyakkuteknologiaan

Bloom Energy Corporation (BE ) suunnittelee ja valmistaa kiinteäoksidipolttokennoja (SOFC). Sen polttokennojärjestelmä tuottaa sähköä paikallisesti puolijohdeteollisuudelle, datakeskuksille, suurille energiayhtiöille ja muille toimialoille. Yhtiö on ottanut käyttöön yhteensä 1,5 GW:n kapasiteetin yli 1 200 asennuksessa eri puolilla maailmaa.

Yhtiöllä on kaksi tuotetta: vedyn tuotantoon tarkoitettu Bloom Electrolyzer ja sähköä tuottava Bloom Energy Server.

Bloom on nauttinut tänä vuonna voimakkaasta kurssinoususta. BE-osake oli noussut 391% vuoden alusta ja saavutti juuri tässä kuussa kaikkien aikojen huippunsa 125,75 dollarissa. Osakekohtainen tulos (TTM) oli 0,11 dollaria ja P/E-luku (TTM) 1 013,28.

Taloudellisesta asemastaan Bloom raportoi vuoden 2025 toiselta neljännekseltä 401,2 miljoonan dollarin liikevaihdon, joka kasvoi 19,5% edellisvuoden vastaavasta neljänneksestä. Bruttokate oli 26,7%, non-GAAP-bruttokate 28,2% ja liiketappio 3,5 miljoonaa dollaria.

”Paikallisen sähköntuotannon tarve käy nopean tekoälykasvun myötä yhä ilmeisemmäksi, eikä Bloom-tuotteiden markkinakysyntä ole koskaan ollut vahvempaa. Toisin kuin vaihtoehdot, tuotteemme on suunniteltu nimenomaan digitaalista vallankumousta varten.”

— Perustaja ja toimitusjohtaja KR Sridhar

Tehtyään yhteistyötä Oraclen (ORCL ) kanssa paikallisen sähköntuotannon toimittamiseksi sen tekoälydatakeskuksiin Bloom Energy on solminut kumppanuuden Brookfieldin (NYSE: BAM) kanssa. Brookfield investoi jopa 5 miljardia dollaria Bloomin polttokennoteknologian käyttöönottoon. Yhdessä yhtiöt ”luovat uuden mallin tekoälyn laajamittaiseen energiantuotantoon”.

Bloom Energy Corporationin (BE) osakkeen uusimmat uutiset ja kehitys

Yhteenveto

Suuren energiatehokkuutensa, energiatiheytensä ja pitkän käyttöikänsä ansiosta litiumioniakuista on tullut suosittu valinta sähköajoneuvoihin ja energian varastointiin. Kylmä sää on niille kuitenkin merkittävä haaste, sillä se heikentää kapasiteettia ja tehokkuutta.

Kun tutkijat ja yritykset ympäri maailmaa kehittävät seuraavan sukupolven akkuja, vety kasvattaa suosiotaan energiankantajana ja tulevaisuuden polttoaineena.

Kiinteää elektrolyyttiä käyttävä uusi vetyakku on merkkipaalu: se pystyy varastoimaan ja vapauttamaan vetyä erittäin matalassa lämpötilassa, joka on neljä kertaa aiempien mallien käyttölämpötilaa alempi. Vakaa toiminta ja täyden teoreettisen kapasiteetin hyödyntäminen voivat mahdollistaa energiatiheämmät ja pitkäikäisemmät sähköautojen akut sekä parantaa niiden suorituskykyä huomattavasti ääri-ilmastoissa.

Tutustu parhaiden akkuosakkeiden luetteloon täällä.

Lähteet:

1. Cho, T. H., Chen, Y., Liao, D. W., Kazyak, E., Penley, D., Jangid, M. K., & Dasgupta, N. P. (2025). 6C‑nopean latauksen mahdollistaminen litiumioni‑paristoissa alhaisissa lämpötiloissa rajapintasuunnittelun ja 3D‑arkkitehtuurien avulla. Joule, 9(5), 101881. https://doi.org/10.1016/j.joule.2025.101881
2. Ruan, G., & Dahleh, M. A. (2025). Lämpötilan ohjaama älykäs lataus sähköajoneuvoille kylmissä ilmastoissa. arXiv. https://doi.org/10.48550/arXiv.2501.01105
3. Lu, Z., Tu, H., Fang, H., Wang, Y., & Mou, S. (2024). Integroitu optimaalinen nopea lataus ja aktiivinen lämpöhallinta litiumioni‑paristoissa äärimmäisissä ympäristölämpötiloissa. arXiv. https://doi.org/10.48550/arXiv.2404.04358
4. Hassan, M. U., Bremner, S., Menictas, C., & Kay, M. (2024). Vety- ja litiumioniakkujen arviointi kattoaurinkosähköjärjestelmissä. Journal of Energy Storage, 86(Part A), 111182. https://doi.org/10.1016/j.est.2024.111182
5. Liu, Z., Ma, Y., Khan, N. A., Jiang, T., Zhu, Z., Li, K., Zhang, K., Liu, S., Xie, Z., Yuan, Y., Wang, M., Zheng, X., Sun, J., Wang, W., Meng, Y., Xu, Y., Chuai, M., Yang, J., & Chen, W. (2025). Ladattavat litium‑vetykaasuparistot. Angewandte Chemie International Edition, 64(7), e202419663. https://doi.org/10.1002/anie.202419663
6. Hirose, T., Matsui, N., Itoh, T., Hinuma, Y., Ikeda, K., Gotoh, K., Jiang, G., Suzuki, K., Hirayama, M., & Kanno, R. (2025). Suuren kapasiteetin palautuva vedyn varastointi H⁻-ioneja johtavilla kiinteillä elektrolyyteillä. Science, 389(6766), 1252–1255. https://doi.org/10.1126/science.adw1996