Hajautunut kiviluola: Kuinka hapen liikkuvuuden ratkaiseminen johti läpimurron akkuteknologiassa

Akun kysyntä kasvaa maailmanlaajuisesti, lisääntyneen käytön ansiosta autoteollisuudessa, kannettavien kulutuselektroniikkalaitteiden suosion kasvun ja tiukkojen ympäristömääräysten johdosta. Tämän seurauksena globaalin akkumarkkinan on arvioitu saavuttavan 800 miljardia dollaria vuoteen 2036 mennessä, nousua noin 120 miljardia dollaria vuonna 2023.

Tämän odotetun kasvun valossa tutkijat kehittävät ja testaavat jatkuvasti uusia materiaaleja ja kemikaaleja parantaakseen akkujen kriittisiä osia, jotka vaikuttavat ominaisuuksiin kuten energian tuotanto, energian varastointi, tehonkapasiteetti ja syklauskapasiteetti.

Nämä komponentit sisältävät katodin (positiivinen elektrodi), anodin (negatiivinen elektrodi), elektrolyytin (ioniensietäminen elektrodien välillä) ja erotin.

Useimmat tänä päivänä akkukäyttöiset laitteet, kuten sähköautot, älypuhelimet ja energian varastointijärjestelmät, perustuvat litiumioniakkujen teknologiaan. Litiumioniakut voivat varastoida valtavan määrän energiaa kompakteissa kokoissa, latautua nopeasti ja kestävät pitkään.

Kuitenkin, kun akkujen kysyntä kasvaa yhä suuremmilla suorituskykyvaatimuksilla, uusia teknologioita tutkitaan ja kehitetään tehokkuuden parantamiseksi, kustannusten vähentämiseksi, turvallisuuden lisäämiseksi ja kestävyyden edistämiseksi.

Vuosien varrella jatkuva tutkimus on johtanut edistysaskeliin, jotka tarjoavat lupaavia vaihtoehtoja litiumioni- ja lyijyakuille.

Natriumioniakut tarjoavat edullisemman ja turvallisemman vaihtoehdon, joka toimii paremmin alhaisissa lämpötiloissa. Nämä akut ovat samankaltaisia kuin litiumioniakut, mutta käyttävät elektrolyytinä suolavettä, mikä tekee niistä sopivampia energian varastointiin, vaikka ne eivät ole vielä täysin optimoituja. Tutkijat käyttävät jopa elektrolyyttigeeliä nanokuitujen kestävyyden parantamiseen ja akkuun soveltamiseen.

Kiinteän tilan akut, toisaalta, käyttävät kiinteää elektrolyyttiä, kuten lasia, keramiikkaa tai polymeeriä, geelin tai nestemäisen elektrolyytin sijaan. Nämä akut ovat paljon tehokkaampia, kevyempiä, latautuvat nopeammin, ja niitä käytetään jo älypuhelimissa ja sydämentahdistimissa. Toyota ja BMW työskentelevät parhaillaan kiinteän tilan akkuja käyttävien autojen lanseeraamisen parissa, vaikka se vie vielä muutaman vuoden.

Uusia akkuteknologioita ovat lisäksi litium-rikkiakut, jotka ovat kustannustehokkaita mutta kärsivät kestävyyden rajoituksista, sekä koboltiton litiumioniakut, jotka voivat auttaa ratkaisemaan ihmisoikeusongelmia koboltin louhinnassa. Kuitenkin TAQ:n kaltaiset vaihtoehdot ovat vielä uusia ja tarvitsevat lisää testauksia.

Sinkkipohjaisia akkuja tutkitaan myös, teknologioina kuten sinkki-mangaanidioksidi, sinkki-ilma, sinkki-bromi ja sinkki-ioni akut. Ne ovat kuitenkin tehottomia, joskus sisältävät odottamattomia kemiallisia muunnosreaktioita, ja niiden valmistus on kallista, mikä vaatii lisää tutkimusta.

Kun maailma luottaa yhä enemmän akkujen käyttöön, tiedemiehet ympäri maailmaa keskittyvät saavuttamaan läpimurtoja varastointiaikojen, tehojen, tuotantokustannusten ja välittömän käyttövalmiuden osalta.

Uusin akkuläpimurto: Kiviluola‑polyanionikatodit 

Uusi tutkimus on edistynyt käytännöllisen energian tiheyden kasvattamisessa akussa. Luonnossa julkaistu Nature Energy -lehden artikkeli viime kuussa, otsikolla “Integrated rocksalt–polyanion cathodes with excess lithium and stabilized cycling,” toteutti MIT:n ydin- ja tekniikkatieteen laitos.

Tutkimus keskittyy uuteen katodimateriaaliin, joka löytyy epäjärjestyneestä kiviluolasta, ja jota on tutkittu kehittyneenä katodimateriaalina litiumioniakkujen käytössä yli vuosikymmenen ajan. 

MIT:n tutkijat varmistivat, että materiaali voi luoda korkea‑energia‑, alhaisen kustannuksen varastointia sähköautoille, matkapuhelimille ja uusiutuvan energian varastoinnille.

Ju Li:n, Tokion sähköyhtiön (TEPCO) ydininsinöörin, johdolla tiimi löysi DRXPS:n, eli epäjärjestyneen kiviluola‑polyanionisen spinelin, uutena materiaalina.

Tämä uusi osittain epäjärjestynyt kiviluola‑katodi, yhdistettynä polyanioneihin, tuottaa korkean energiatehon korkeilla jännitteillä parannetulla syklausstabiilisuudella. Tämä on merkittävä saavutus, koska katodimateriaaleissa on yleensä energia‑tiheyden ja syklausstabiilisuuden välinen kompromissi.

“Tämän työn avulla pyrimme työntämään rajoja suunnittelemalla uusia katodikemiaa.”

– Yimeng Huang, artikkelin ensimmäinen tekijä, postdoc NSE:ssa

Miten uusi materiaaliperhe pystyy saavuttamaan sekä korkean energiatehon että hyvän syklausstabiilisuuden? Vastaus piilee kahden keskeisen katodimateriaalin – kiviluolan ja polyanionisen oliviinin – yhdistämisessä. Yhdistämällä ne saatiin molempien hyödyt.

Toinen merkittävä tekijä on mangaani (Mn), kova, hopeanvärinen metalli, jota on runsaasti maapallolla ja joka on paljon halvempaa kuin muut nykyisissä katodeissa käytetyt alkuaineet.

Esimerkiksi mangaani on noin kolmekymmentä kertaa halvempaa kuin koboltti (Co) ja viisi kertaa halvempaa kuin nikkeli (Ni), joita molempia käytetään yleisesti akuissa. Lisäksi mangaani näyttelee keskeistä roolia korkeampien energiatehojen saavuttamisessa. 

“Materiaalin maapallon runsaasti saatavilla oleva määrä on valtava etu.”

– Li, materiaalitieteen ja -tekniikan professori

Tämä etu, tutkijoiden mukaan, on erittäin arvokas hiilineutraalin tulevaisuuden kannalta, joka vaatii uusiutuvan energian infrastruktuuria. 

Akkut voivat näytellä tärkeää roolia tässä siirtymässä, sillä ne voivat mahdollistaa liikenteen hiilineutraaliuden sähköautojen avulla ja tasata aurinko- ja tuulivoiman epäsäännöllisyyttä. Koska nämä uusiutuvat energialähteet eivät ole saatavilla 24 h vuorokaudessa, energian varastointi on välttämätöntä energian toimittamiseksi silloin, kun lähteet eivät ole käytettävissä, esimerkiksi yöllä tai pilvisinä ja tyyninä päivinä.

Tutkijat myös huomauttavat, että koboltti- ja nikkelimateriaalit ovat suhteellisen harvinaisia ja kalliita. Niiden käyttö sähkövarastokapasiteetin nopeaan skaalaamiseen voisi aiheuttaa suuria hintapiikkejä ja mahdollisesti merkittäviä materiaalipulaa. Li:n mukaan:

“Jos haluamme todellisen sähköistämisen energian tuotannossa, liikenteessä ja muussa, tarvitsemme maapallon runsaasti saatavilla olevia akkuja varastoimaan epäsäännöllistä aurinko- ja tuulivoimaa. Tämä on yksi askel kohti sitä unelmaa.”

Oksigenin liikkuvuuden esteen voittaminen nykyisissä materiaaleissa

Honda Research Institute USA Inc.:n ja Lawrence Berkeley National Laboratoryin Molecular Foundryn rahoittamana, tutkimus käsitteli yhtä epäjärjestyneiden kiviluola‑katodien suurimmista haasteista.

Kuten aiemmin todettiin, materiaalia on tutkittu sen poikkeuksellisen korkean kapasiteetin vuoksi. Perinteisiin katodimateriaaleihin verrattuna, joiden kapasiteetti on 190–200 mAh/g, tämä materiaali tarjoaa jopa 350 mAh/g.

Kuitenkin, vaikka kapasiteetti on erittäin korkea, materiaali ei ole kovin vakaa. Tämä johtuu osittain hapen redoksista, prosessista, jossa hyödynnetään elektronitiheyttä hapen atomien lähellä katodimateriaaleissa. 

Hapen redoksi aktivoituu, kun katodi varataan korkeisiin jännitteisiin, jolloin happi muuttuu liikkuvaksi, mikä puolestaan johtaa reaktioihin elektrolyytin kanssa ja materiaalin hajoamiseen. Tämä tekee materiaalista käyttökelvottoman pitkän syklausjakson jälkeen.

Näiden haasteiden voittamiseksi tutkijat lisäsivät materiaaliin toisen alkuaineen: fosforin (P), pehmeän, vahamaisen kiinteän aineen, joka toimii liimana ja pitää hapen paikallaan sekä vähentää materiaalin hajoamista. 

Pelkkä fosforin lisääminen ei kuitenkaan riitä. Tärkein innovaatio on oikea fosforin määrä. Sopivan määrän P:n lisääminen “muodosti niin sanotut polyanionit naapurihappiatomeijensa kanssa kationivähäisessä kiviluola‑rakenteessa, jotka voivat kiinnittää ne paikalleen,” selitti Li.

Vahva kovalenttinen sidonta hapen ja fosforin välillä mahdollistaa tutkijoille hapen kuljetuksen lopettamisen. Näin he pystyvät hyödyntämään hapen tuottamaa kapasiteettia samanaikaisesti saavuttaen hyvän vakauttavuuden.

Kyky ladata akkuja korkeampiin jännitteisiin on tärkeä, koska se mahdollistaa yksinkertaisemmat järjestelmät hallita varastoitua energiaa.

“Voit sanoa, että energian laatu on korkeampi. Mitä korkeampi jännite per solu, sitä vähemmän tarvitsee kytkeä ne sarjaan akkupakissa, ja sitä yksinkertaisempi akkuhallintajärjestelmä on.”

– Li

Tämä tutkimus on vasta alkua, sillä tiimi tutkii nyt erilaisia mangaani‑, litium‑, happi‑ ja fosforin suhteita sekä muita polyanionien muodostavia alkuaineita, kuten piitä, rikkiä ja booria.

Tulevaisuudessa tutkijat aikovat myös tutkia uusia valmistusmenetelmiä, keskittyen erityisesti skaalautuvuuteen ja morfologiaan. Nykyinen tutkimus käyttää korkea‑energia‑pallomyllyä mekaanokemiallisessa synteesissä, mikä tuottaa epätasaista morfologiaa ja noin 150 nm:n kokoisia hiukkasia, mikä on melko pieni keskiarvo. Lisäksi nykyinen menetelmä ei ole kovin skaalautuva.

Siksi tutkijat kokeilevat nyt vaihtoehtoisia synteesimenetelmiä tasaisemman morfologian ja suurempikokoisten hiukkasten saavuttamiseksi. Tämä auttaisi lisäämään materiaalin tilavuusenergia‑tiheyttä ja saattaisi jopa mahdollistaa pinnoitusmenetelmien kokeilun, jotka voisivat parantaa akun suorituskykyä. Tulevien menetelmien on myös oltava teollisesti skaalautuvia.

Toinen ongelma on johtavuus, joka parani merkittävän hiilen lisäyksen avulla epäjärjestyneeseen kiviluolamateriaaliin. Itse asiassa hiili muodostaa 20 % katoditaikinan painosta, koska materiaali ei itsessään ole hyvä johtaja.

Tietenkin tutkijat aikovat tutkia edelleen hiilipitoisuuden vähentämistä elektrodissa. Jos he pystyvät saavuttamaan tämän ilman akun suorituskyvyn heikentymistä, he voisivat nostaa käytännöllistä energiatehoa lisäämällä aktiivimateriaalin osuutta akkuun.

Tähän tarkoitukseen he harkitsevat hiilinanoputkien käyttöä, jotka voisivat vähentää hiilipitoisuuden vain yhteen‑kaksiin prosenttiin painosta, mikä mahdollistaisi merkittävän kasvun aktiivisen katodimateriaalin määrässä. Nykyinen tutkimus käytti kuitenkin Super P -nimistä johtavaa hiiltä, joka koostuu nanopalloista ja on vähemmän tehokas.

Toinen parannus liittyy paksumpien elektrodien käyttöön, mikä edelleen nostaisi akun käytännöllistä energiatehoa.

Kun tiimi optimoi materiaalin koostumuksen, kehittää paksumpia elektrodeja, saavuttaa paremman morfologian tasaisille pinnoitteille, vähentää hiilipitoisuutta ja omaksuu skaalautuvat synteesimenetelmät, he näkevät DRXPS‑katodiperheen erittäin lupaavana sovelluksissa sähköautoissa, verkko‑varastoinnissa ja kuluttaja‑elektroniikassa.

Yritykset, jotka edistävät akkujen alaa

Monet yritykset auttavat edistämään alaa, ja jopa enemmän hyötyy näistä kehityksistä. 

Umicore (UMICY) on yksi tällainen yritys, joka on mukana akkumateriaaleissa, erityisesti katoditeknologioissa, keskittyen kestävään ja kehittyneeseen materiaaliin. Samaan aikaan Lithium Americas Corp. (LAC ) (LAC) on litiumtoimittaja, ja Vale (VALE) on johtava maailmanlaajuinen rauta‑ ja mangaanituottaja. Nyt tarkastellaan muutamia muita merkittäviä nimiä:

#1. Albemarle Corporation (ALB)

Suuri litiumtuottaja, Albemarle, on kehittänyt akkuteknologioita, jotka tarjoavat suurempaa energiatehoa painon vähentämiseksi ja toimintasäteen pidentämiseksi. Se on yksi maailman suurimmista litiumin tuottajista sähköautojen akkuja varten. Yrityksen tarjoamiin puhtaan energian ratkaisuihin kuuluvat katodiratkaisut, anodiratkaisut, elektrolyyttiratkaisut ja akkujen kotelot.

Markkina‑arvolla 9,84 miljardia dollaria Albemarle‑osake käy tällä hetkellä 83,66 dollaria, laskenut 41,6 % vuoden alusta. Sen EPS (TTM) on -4,73, P/E (TTM) -17,67 ja osinkotuotto 1,94 %. Vuoden 2024 toisen neljänneksen aikana yritys julkaisi nettomyynnin 1,4 miljardia dollaria ja säädetyn EBITDA:n 386 miljardia dollaria. Käyttökatekasvu oli 363 miljardia dollaria, 289 miljardia dollaria vuodesta toiseen kasvaen. Albemarle toi myös yli 150 miljardia dollaria tuottavuushyötyjä.

#2. QuantumScape (QS)

QuantumScape (QS ) on kiinteän tilan litium‑metall‑akkujen kehittäjä, tavoitteena muuttaa energian varastointi. Yritys on kehittänyt alan ensimmäisen anodi‑vapaan kennon, mikä alentaa materiaalikustannuksia ja tarjoaa korkean energiatehon. Tänä vuonna QuantumScape solmi kumppanuuden Volkswagenin akkuyrityksen PowerCon kanssa, myöntäen heille lisenssin massatuottaa akkuja QuantumScapen teknologia‑alustalla.

Markkina‑arvolla 2,75 miljardia dollaria QuantumScapen osake käy tällä hetkellä 5,51 dollaria, laskenut 19,78 % vuoden alusta. Sen EPS (TTM) on -0,95 ja P/E (TTM) -5,78. Vuoden 2024 toisen neljänneksen aikana yritys julkaisi pääomamenot 18,9 miljoonaa dollaria, kun GAAP‑toimintakulut olivat 134,5 miljoonaa dollaria. Likviditeetti oli 938 miljoonaa dollaria neljänneksen lopussa.

Johtopäätös

Koska akut ovat laajasti käytössä ja niiden markkinakoko on suuri, uusia ja kehittyneitä akkuteknologioita tutkitaan ja kehitetään voimakkaasti. Kuten viimeisimmässä tutkimuksessa nähtiin, uusi katodimateriaali osoitti “korkeat gravimetriset energiatehot yli 1 100 Wh kg⁻¹ ja >70 % säilyvyyden yli 100 sykliä”, avaten oven maapallon runsaasti saatavilla olevista alkuaineista, kuten mangaanista ja raudasta, valmistettaville akkukatodeille.

Koska litiumioniakut nähdään keskeisenä osana puhdasta energiasiirtymää, tällaiset tutkimukset varmistavat niiden jatkuvan kasvun ja hintojen alenemisen kehittämällä “edullisia, suorituskykyisiä katodimateriaaleja.” 

Tämä viittaa lupaavaan tulevaisuuteen energian varastoinnissa, jossa on potentiaali täyttää kasvavat globaalit tarpeet samalla kun ympäristövaikutuksia minimoidaan.

Klikkaa tästä saadaksesi luettelon kymmenestä parhaita akkuosakkeesta sijoittamista varten.