Onko litiumin kysyntä menossa romahtamaan uusien natriumioniakkujen myötä?

Lithiumioniakkujen ylittäminen

Batteriat ovat vähitellen nousseet vuosikymmenen keskeiseksi teknologiseksi innovaatioksi, aivan kuten aiemmat vuosikymmenet muotoutuivat PC:n tai internetin nousun myötä.

Tämä johtuu siitä, että akkuteknologian edistyminen ohjaa paitsi sähköautojen vallankumousta, myös muodostuu ratkaisevaksi rajoitteeksi sähköverkon hiilidioksidittoman muutoksen toteuttamisessa uusiutuvien energialähteiden epäsäännöllisyyden vuoksi.

Erittäin tiheät ja/tai edulliset akut ovat myös olennaisia sähköistämään ja hiilinegatiivisiksi tekemään energiaa kuluttavia talouden sektoreita, kuten raskasta teollisuutta (kemianteollisuus, metallurgia, valmistus) ja liikennettä (kuorma-autot, laivat, lentokoneet).

Toistaiseksi tämä on saavutettu erilaisilla litiumakuilla, joko litiumioni (litium-nikkeli-mangaani NMC & litium-nikkeli-koboltti-alumiini NCA) tai litium-rautafosfaatti (LFP) -akuilla. Se oli mullistava teknologia, joka ansaitsi oikeutetusti keksijänsä vuoden 2019 Nobel-palkinnon kemiassa (seuraa linkkiä litiumioniakun historiasta).

Siihen asti näiden akkujen odotettiin hallitsevan akkumarkkinoita niiden poikkeuksellisen korkean energian tiheyden ansiosta.

Lähde: S&P Global

Myöhemmin kiinteän tilan akut katsotaan mahdolliseksi seuraavaksi askeleeksi, jolla akkujen tiheyttä voidaan nostaa entisestään ja samalla käyttää paljon litiumia, katso “5 Parasta kiinteän tilan akkuosaketta tarkkailtavaksi tai ostettavaksi”.

Kuitenkin litium ei ole ainoa akkujen käyttökelpoinen ioni. Paljon yleisempi ja edullisempi natrium, pöytäsuolan perusta, on myös ehdokas.

Ongelma on, että natriumioniakut ovat tähän mennessä olleet energian tiheydeltään alhaisempia, ja ne on sijoitettu edullisiin/lyhyen kantaman sähköautoihin tai paikallisiin hyötykäyttöön tarkoitettuihin suuriin akkujärjestelmiin.

Tämä saattaa muuttua natriumioniakkujen keksinnön myötä, jossa käytetään TAQ‑katodia. Työn tekijöinä olivat MIT:n ja Brookhaven National Laboratoryn tutkijat, jotka julkaisivat tuloksensa Journal of the American Chemical Society -lehdessä otsikolla “High-Energy, High-Power Sodium-Ion Batteries from a Layered Organic Cathode”.¹

Lähde: Princeton University

TAQ Katodi

Raportoimme aiemmin TAQ‑katodista artikkelissa “Designing a Better Battery – Out with Cobalt and In with…TAQ?”. TAQ, eli bis-tetraaminobensokvinooni, on kerrostunut orgaaninen kiinteä yhdiste.

Tässä 2024‑tutkimuksessa tutkijat havaitsivat, että TAQ:lla on potentiaalia sekä superkondensaattorimateriaalina että se ylitti perinteisen litiumikatodin suorituskyvyn.

Lähde: GreenCarCongress

He löysivät tavan parantaa TAQ:n tarttuvuutta katodin ruostumattomaan teräksiseen virtapiiriin, mikä paransi uuden konseptikatodin prototyypin vakautta.

Lisäämällä TAQ:hun selluloosa‑ ja kumipohjaisia materiaaleja, he saavuttivat turvallisesti yli 2 000 lataus‑purkaussyklit. Energian tiheys oli myös korkeampi kuin kobolttipohjaisissa katodeissa, ja lataus kesti alle 6 minuuttia.

Back in 2024, we mentioned the potential for other battery chemistry to use TAQ as well:

It is also worth noting that organic cathodes have been discussed for other types of batteries as well, for example, for aluminum-ion, sodium/potassium-ion, zinc, or calcium-based dual-ion batteries. So, it is possible that the discovery of TAQ’s properties can be applied to other battery types than lithium-ion.

Ja juuri näin tutkimusryhmä toimi, luoden äärimmäisen korkean energian tiheyden omaavan natriumioniakun.

TAQ Natriumioniakku

Miksi Natrium?

Tutkijoiden valinta natriumin seuraavaksi tutkimusvaiheeksi perustui materiaalin runsauttavuuteen.

“On aina parempi, että näillä materiaaleilla on monipuolinen salkku. Natrium on kirjaimellisesti kaikkialla. Meille on yksi suurimmista tutkimusunelmista kehittää akut, jotka on valmistettu todella runsain resurssein, kuten orgaaninen materiaali ja merivesi.

Olla eturintamassa kehittämässä todella kestävää ja kustannustehokasta natriumioni‑katodia tai -akkua on todella innostavaa.”

Mircea Dincă – Professori kemiassa MIT:ssä.

Tutkimukseen on myös liiketoiminnallinen peruste, sillä sekä tämä että 2024‑alkuperäinen TAQ‑tutkimus rahoitettiin Automobili Lamborghini S.p.A.:n toimesta. Halvemmat materiaalit ja akkuteknologia, joka ei ole riippuvainen Kiinan hallitsemasta toimitusketjusta, voisivat pelastaa osittain kamppailevan Euroopan autoteollisuuden, joka on jäljessä sähköistymisessä.

TAQ Katodin sovittaminen natriumioniakkuihin

Jotta TAQ toimisi natriumin kanssa, tutkijoiden täytyi muokata suunnittelua vastaamaan natriumioniakkujen vaatimuksia.

Yksi haaste oli luoda homogeeninen elektrodi, joka sisälsi sekä TAQ:ta että hiiltä.

“Valitsemaamme sidosta, hiilikuituputket, helpottavat TAQ‑kristallien ja hiilimasun sekoittumista, mikä johtaa homogeeniseen elektrodin. Hiilikuituputket kietoutuvat tiiviisti TAQ‑kristallien ympärille ja yhdistävät ne.

Nämä tekijät edistävät elektronien kulkua elektrodin massassa, mahdollistaen lähes 100 % aktiivimateriaalin hyödyntämisen, mikä johtaa lähes teoreettiseen maksimi‑kapasiteettiin.”

Dr. Tianyang Chen – MIT‑tutkija

Lähde: Princeton University

Korkeat Suoritukset

Tämä prototyypillä saavutettu äärimmäisen korkea kapasiteetti voisi nopeasti muuttua erittäin tehokkaiksi akuiksi, erityisesti latausajan suhteen, mikä on tavallinen rajoite sähköautoissa ja kuluttajien valituksissa.

“Hiilikuituputkien käyttö parantaa merkittävästi akun nopeusominaisuuksia, mikä tarkoittaa, että akku voi varastoida saman energiamäärän paljon lyhyemmässä latausajassa tai varastoida paljon enemmän energiaa samassa latausajassa.”

Dr. Tianyang Chen – MIT‑tutkija

Tämä saavutettiin säilyttäen TAQ:n edut, nimittäin ilman ja kosteuden kestävyys, pitkä käyttöikä, kyky kestää korkeita lämpötiloja ja ympäristön kestävyys.

Lopullinen tuote oli katodin energian tiheys 472 Wh/kg elektrodia, kun lataus/purkaus tapahtui 90 s aikana, ja huippukohtainen teho 31,6 kW/kg elektrodia.

Vertailun vuoksi tämä on melko lähellä kaupallisten Ni/Co‑pohjaisten kerrostumakatodien tiheyttä (≈ 740 Wh/kg‑katodi) viitattu 2024‑tieteellisessä julkaisussa.

Tulevaisuuden Kehitykset ja Kaupallinen Potentiaali

Kaiken kaikkiaan on todennäköistä, että huippuluokan litiumioni‑ ja myöhemmin kiinteän tilan akut hallitsevat edelleen huippuluokan sähköautomarkkinoita.

Kuitenkin hintatietoisemmille segmenteille, kuten alhaisen‑ ja keskitason sähköautoille, kaupallisille kuorma‑autoille, hyötyvarastoinnille ym., muut tekijät, kuten kokonaiskustannus, resurssien saatavuus, kestävyys, yms., todennäköisesti korostuvat enemmän.

Tämä voi asettaa katon litiumin kysynnälle, sillä natrium muotoutuu yhä käyttökelpoisemmaksi vaihtoehdoksi innovatiivisten katodimateriaalien, kuten TAQ:n, ansiosta.

Muutkin parannukset voivat vaikuttaa, esimerkiksi poistamalla kokonaan anodin (akun toinen pää) tarpeen, kuten keskustelimme heinäkuussa 2024 artikkelissa “Anode-Free Sodium Solid-State Batteries Could Reduce Reliance on the ‘Lithium Triangle’”.

Lähde: University Of Chicago

Tätä ei ole vielä testattu, ja se todennäköisesti vaatii hiomista, mutta voimme helposti kuvitella pitkällä aikavälillä, että suurin osa sähköautoista ja kaupallisista kuorma‑autoista ei tarvitse massiivisia 1 000‑2 000 mailin kantaman akkuja, jotka perustuvat parhaaseen mahdolliseen kiinteän tilan litiumakkuun.

Sen sijaan tulevaisuuden anodi‑vapaa, TAQ‑katodinen natriumioniakku, mahdollisesti kiinteän tilan tai natriumioni‑muodossa, riittää saavuttamaan 400‑600 mailin kantaman paremmin hinnoiteltuna.

Kemian innovaation lisäksi rakenteellinen suunnittelu voi myös parantaa akkuja, kuten hunajakenorakenne, jota käytetään CATL:n “condensed state” -akussa, maailman suurimmassa akkuvalmistajassa. Ehkä tällainen idea voitaisiin ottaa käyttöön myös natriumioniakuissa. (katso lisätietoja artikkelista “CATL (300750.SZ): The Battery Juggernaut”.)

Sijoittaminen edistyneisiin akkuteknologioihin

Akkut ovat sähköistymisen keskiössä, itse asiassa monitriljoonan dollarin hankkeessa, jonka tavoitteena on poistaa fossiiliset polttoaineet energialähteistämme.

Voit sijoittaa akkuun liittyviin yrityksiin monien välittäjien kautta, ja löydät täältä, securities.io, suosituksemme parhaista välittäjistä USA:ssa, Kanadassa, Australiassa, UK:ssa, sekä monissa muissa maissa.

Jos et halua valita yksittäisiä akkuyrityksiä, voit myös tarkastella akku‑ETF:iä, kuten Amplify Lithium & Battery Technology ETF (BATT), Global X:n Lithium & Battery Tech ETF (LIT), tai WisdomTree Battery Solutions UCITS ETF (WT ), jotka tarjoavat monipuolisemman altistuksen kasvavalle akkualalle.

Orgaaninen Katodiyritys

Volkswagen AG

Professori Mircea Dincă:n TAQ‑katoditutkimus, sekä 2024 (litiumioni) että 2025 (natriumioni), rahoitettiin Automobili Lamborghini S.p.A.:n toimesta, joka on Audin tytäryhtiö ja kuuluu Volkswagen‑konserniin.

Orgaanisen katoditeknologian patenttihakemus on jätetty.

Saksalainen autonvalmistaja on maailman toiseksi suurin autotuottaja, Toyotaa lukuun ottamatta. Yritys oli hetken aikaa jäljessä sähköautoteknologiassa, mutta on tehnyt kovasti töitä kiinniäntyäkseen, erityisesti ID‑mallisarjan ja useiden hybridimallien avulla.

Lähde: Volkswagen

Yhteistyö MIT:n tutkijoiden kanssa on vain yksi monista, muiden EV‑kumppanuuksien joukossa ovat:

• 700 M $ investointi kiinalaiseen Xpengiin EV‑myynnin kasvattamiseksi Kiinassa.
• Kumppanuus kiinalaisen SAIC Motorin kanssa EV‑alustojen toimittamiseksi Volkswagenille.
• Kumppanuus Jetta Motorin kanssa EV‑teknologian hankkimiseksi.
• 492 M $ kumppanuus Magnaan ikonisen Scout‑brändin elvyttämiseksi EV‑muodossa

Scout‑autot – Lähde: Volkswagen

Ambitiivisten EV‑suunnitelmiensa ja pääsynsä edistyneeseen kiinalaiseen EV‑teknologiaan ansiosta Volkswagen on hyvässä asemassa tarkastella MIT:n orgaanisen katodin patentoitua teknologiaa ja työskennellä sen laajamittaisessa käyttöönotossa tulevaisuuden sähköautoissaan.

Se saattaa kuitenkin väliaikaisesti keskittyä ensiksi hybridialuksiin ja pitää polttomoottoriautoja pidempään kuin alun perin suunniteltiin “joustavuuden ylläpitämiseksi”.

Voit lukea lisää Volkswagenista ja sen EV‑strategiasta, mukaan lukien ohjelmistojen korjaus Rivian‑sopimuksen kautta sekä EV‑arkkitehtuurin yhtenäistäminen Volkswagen‑konsernissa ja sen brändeissä artikkelissa “Volkswagen sulkee saksalaisen tehtaan? Mitä seuraavaksi ongelmalliselle autonvalmistajalle?”.

Tutkimusviite:

^{1. Chen, T., Wang, J., Tan, B., Zhang, K. J., Banda, H., Zhang, Y., Kim, D.-H., & Dincă, M. (2025). Korkea‑energia, korkea‑teho natriumioniakut kerrostuneesta orgaanisesta katodista. Journal of the American Chemical Society, 147(7), 6181–6192. https://doi.org/10.1021/jacs.4c17713}