Parempien akkujen suunnittelu – Kobaltia pois ja …TAQ:ta sisään?

Massachusetts Institute of Technologyn (MIT) tutkijat ovat äskettäin kehittäneet uuden akkutyypin, joka ei tarvitse arvometalleja. Mitä niiden tilalla käytetään? Orgaanista katodia nimeltä bis-tetraaminobentsokinoni eli ”TAQ”.

Akkujen merkitys

Sähköautojen yleistyessä — pitkälti yhdysvaltalaisen Teslan (TSLA ) sekä kiinalaisten BYD:n ja CATL:n ansiosta — akkuteknologiasta on tullut tärkeämpää kuin koskaan. Akkuja tarvitaan elektroniikan lisäksi liikkumiseen ja pian myös sähköverkossa tasapainottamaan tuuli- ja aurinkoenergian kaltaisten uusiutuvien energialähteiden vaihtelevaa tuotantoa.

Maailmanlaajuiset sähköautojen myynnit – Lähde: IEA

Litiumioni on edelleen hallitseva akkukemia, koska nämä akut kuuluvat energiatiheydeltään parhaisiin, kun mittarina käytetään kW/kg-arvoa. Tämä mittari on liikkumissovelluksissa ratkaiseva, sillä jokainen ylimääräinen akkukilo lisää akun tarvetta tai lyhentää toimintamatkaa.

Koska sähköautot ovat osoittautuneet todennäköiseksi tulevaisuuden avainteknologiaksi henkilöautoissa — ja ehkä myös kuorma-autoissa ja lentokoneissa — akkuteknologian kehittämiseen on panostettu huomattavasti.

Luopuaanko litiumioni‑tekniikasta?

Suuresta energiatiheydestään huolimatta perinteinen litiumioniteknologia ei ole ongelmaton. Ratkaistavia haasteita ovat muun muassa:

• Energiatiheys on edelleen melko pieni verrattuna bensiinin ja dieselin kaltaisiin nestemäisiin polttoaineisiin, mikä aiheuttaa huolta toimintamatkasta.
• Lataaminen voi olla melko hidasta, mikä on ongelma monille kuljettajille ja kaupallisille sovelluksille.
• Akut ovat kalliita, suurelta osin kalliiden mineraalien tarpeen vuoksi.
  • Tämän vuoksi sähköautot olivat aluksi pikemminkin ylellisyystuotteita kuin tavallisia kulutushyödykkeitä.
  • Näiden mineraalien louhinta on harvoin ympäristöystävällistä, ja siihen liittyy usein järkyttäviä työoloja sekä köyhien työntekijöiden tai lasten hyväksikäyttöä kaivoksissa, erityisesti Kongon kobolttikaivoksissa.

Siksi on tarkasteltu monia vaihtoehtoisia akkukemioita. Niihin kuuluvat muun muassa seuraavat:

• LFP (litium-rauta-fosfaatti)
• natriumioni
• kiinteän olomuodon akut
• litium-rikki
• grafeeni
• lasiakut

Alumiinin hapettuminen has even been discussed as an alternative to batteries altogether. However, all of these alternatives have their limitations. This can include a shorter lifespan, manufacturing difficulty, etc.

(Käsittelimme yksityiskohtaisesti kunkin näiden teknologioiden edut ja rajoitukset artikkelissamme “Liikkuvaisuuden tulevaisuus – Akkujen tekniikka“).

Lupaavimmat vaihtoehdot, kuten kiinteän olomuodon akut, ovat yhä kokeiluasteella. Kaupallistamiseen valmiit ratkaisut, kuten LFP- ja natriumioniakut, puolestaan kärsivät litiumioniakkuja pienemmästä energiatiheydestä.

There is probably a market for these lower-density batteries, as they are also much cheaper to produce. The Chinese company CATL (300750.SZ), which produces more than half of the planet’s batteries, is among the leaders in this field. We discussed the leading battery manufacturers in our article “Top 10 akkuosakkeita sijoitettavaksi”.

Ihanteellisessa sähköautossa olisi lopulta sekä edullinen että tehokas akku. Tätä yhdistelmää tarvitaan todennäköisesti polttomoottorin täydelliseen korvaamiseen, etenkin kaupallisissa sovelluksissa.

Litiumioni‑katodin ongelma

Useimmat litiumioniakkujen rajoitukset johtuvat katodin kemiallisista ja fysikaalisista ominaisuuksista. Katodi tarvitsee tavallisesti kobolttia, ja myös mahdolliset koboltittomat vaihtoehdot nojaavat usein vahvasti muihin kalliisiin metalleihin, kuten nikkeliin ja magnesiumiin.

(The metals required for the transition to EVs and renewables were discussed further in our article “Top 10 akkumetallit ja uusiutuvan energian kaivososakkeet”)

Nämä metallit on louhittava, louhinta saastuttaa ja työolot ovat usein hirvittävät. Metallit ovat myös myrkyllisiä, mikä vaikeuttaa akkujen kierrätystä.

Lähde: Visual Capitalist

Tutkijat ovat etsineet hiilipohjaisia vaihtoehtoja eli niin sanottuja orgaanisia katodeja. Toistaiseksi tulokset ovat olleet vaatimattomia, sillä orgaanisten katodien energiatiheys on ollut liian pieni tai niiden kestävyys ei ole riittänyt sähköautojen toistuviin lataus- ja purkausjaksoihin.

Tilanne on saattanut muuttua MIT:n tutkijoiden edellä mainitun löydön ansiosta.

Uusi orgaaninen katodityyppi

Prof. Mircea Dincă, who works at the W.M. Keck Professor of Energy at MIT, has recently explored new organic compounds previously untested for cathode applications. Instead of the previously explored organosulfur and carbonyl compounds, he looked at a compound called TAQ (bis-tetraaminobenzoquinone). His team had previously demonstrated the potential of this chemical as a supercapacitor material.

TAQ:lla on suuri potentiaali akkukäytössä, sillä se muodostaa ”kerrostuneita kiinteän olomuodon rakenteita, jotka voivat kilpailla perinteisten kobolttipohjaisten katodien suorituskyvyn kanssa”.

Tämä ei yksin olisi riittänyt. MIT:n tutkijat selvittivät myös, miten TAQ:n tarttumista katodin ruostumattomasta teräksestä valmistettuun virrankerääjään voidaan parantaa, mikä lisäsi uuden koeluonteisen katodiprototyypin vakautta.

Lisäämällä TAQ:hon selluloosaa ja kumia sisältäviä materiaaleja tutkijat saavuttivat turvallisesti yli 2 000 lataus-purkausjaksoa. Energiatiheys oli kobolttipohjaisia katodeja suurempi, ja lataus kesti alle kuusi minuuttia.

Mitä seuraavaksi?

Kyseessä on toistaiseksi laboratorioprototyyppi. Sen kasvattaminen täysikokoiseksi sähköauton akustoksi vaatii lisätyötä, samoin uuden akkukemian laajamittaisen valmistusprosessin kehittäminen.

Tämä on kuitenkin ensimmäisiä kertoja, kun orgaaninen katodi on päihittänyt kobolttipohjaisen litiumioniratkaisun kaikilla tärkeillä mittareilla: energiatiheydessä, materiaalikustannuksissa ja latausnopeudessa.

Tulos osoittaa, että litiumionikemia voi säilyä valtavirran akkuteknologiana, jos sen riippuvuus eettisiä ja ympäristöongelmia aiheuttavista metalleista pystytään ratkaisemaan.

Professori Dincăn tutkimus osoittaa myös orgaanisten katodien suuren potentiaalin: tuhansia muita orgaanisia yhdisteitä saattaa olla vielä testaamatta tähän käyttötarkoitukseen. Vaikka TAQ ei lopulta riittäisi korvaamaan kobolttia ja nikkeliä, jokin samankaltainen kemikaali saattaa onnistua siinä.

Litiumioniratkaisut hyötyvät lisäksi valtavasta olemassa olevasta toimitusketjusta ja tuotantopohjasta. Pelkän katodin vaihtaminen olisi paljon helpompaa kuin akkutehtaiden rakentaminen uudelleen uusia kemioita varten. Siksi litiumioniteknologian parantaminen voi olla liiketoiminnan kannalta erittäin järkevää.

It is also worth noting that organic cathodes have been discussed for other types of batteries as well, for example, for alumiini‑ioni, natrium-/kalium‑ioni, sinkki, or kalsium‑pohjaiset kaksioni‑akut batteries. So, it is possible that the discovery of TAQ’s properties can be applied to other battery types than lithium-ion.

In any case, organic components in batteries will make them easier to recycle, an issue (an investing opportunity) we explored in depth in our article “Li‑ioni‑dilemma: Vanhentuneiden akkupakettien hävittäminen yhä sähköistymässä olevassa maailmassa”.

Orgaaniset katodiyritykset

Volkswagen AG

Professori Mircea Dincăn tutkimuksen rahoitti Volkswagen-konsernin omistaman Audin tytäryhtiö Automobili Lamborghini S.p.A. Orgaanista katoditeknologiaa koskeva patenttihakemus on jo jätetty.

Saksalainen autonvalmistaja on maailman toiseksi suurin heti Toyotan jälkeen. Yhtiö jäi jonkin aikaa jälkeen sähköautoteknologiassa, mutta on sen jälkeen tehnyt määrätietoisesti töitä kuroakseen eron umpeen, etenkin ID-malliston ja useiden hybridimallien avulla.

Lähde: Volkswagen

Vuoteen 2033, Volkswagen konserni aikoo valmistaa Euroopassa vain sähköautoja.

Yhteistyö MIT:n tutkijoiden kanssa on vain yksi monista hankkeista. Muita sähköautoihin liittyviä kumppanuuksia ovat:

• Kumppanuus Renaultin kanssa 20 000‑euron sähköautosta.
• 700 M $:n investointi kiinalaiseen Xpengiin sähköautomyyntien kasvattamiseksi Kiinassa.
• Kumppanuus kiinalaisen SAIC Motorin kanssa EV‑alustojen toimittamiseksi Volkswagen.
• Kumppanuus Jetta Motorin kanssa EV‑teknologian hankkimiseksi.
• 492 M $:n kumppanuus Magna ikonisten Scout‑maastureiden elvyttämiseksi sähköautona

Kunnianhimoisten sähköautosuunnitelmiensa ja johtavilta kiinalaisyrityksiltä saamansa edistyneen sähköautoteknologian ansiosta Volkswagenilla on hyvät edellytykset arvioida MIT:n patentoimaa orgaanista katoditeknologiaa ja ottaa se laajamittaiseen käyttöön tulevissa sähköautoissaan.

Muut orgaaniset akkuyritykset

Vaikka ne eivät kehitä uusia katodeja, kaksi startup-yritystä pyrkii parantamaan anodien suorituskykyä orgaanisilla yhdisteillä: Store Dot ja EnergyX.