Uusi Li-ion -suunnittelu mahdollistaa nopean sähköautojen latauksen kylmässä

Maailmanlaajuinen sähköautojen (EV) markkinat kokevat vahvaa kasvua, ja yksi viidestä myydystä autosta on sähköinen. 

Viime vuonna myytyjen sähköautojen määrä kasvoi 25 %, ja niiden osuus oli 21 % kaikista autonmyynneistä maailmanlaajuisesti.

Tätä kasvua ohjaa kuluttajien kysyntä, joka on huolissaan ilmastonmuutoksesta, hallitusten tukipolitiikasta eri puolilla maailmaa, kasvavasta hintakilpailusta, sähköautojen edullisuudesta sekä parannuksista akkuteknologiassa.

Akkumaailmassa litiumioniakut ovat suosituimpia ja laajimmin käytettyjä akkuteknologioita keveyden, korkean energiatehokkuuden ja pitkän käyttöiän vuoksi. 

Kuitenkin näistä akkuteknologian edistysaskelista huolimatta nykyisillä litiumioniakuilla on rajoitettu suorituskyky matalissa lämpötiloissa ja nopeissa latauksissa. Niiden suorituskykyyn vaikuttaa myös, jos elektrodi on liian paksu, jolloin useita massansiirto- ja interfaciaalikineettisiä vaikutuksia on käsiteltävä samanaikaisesti.

Tämä johtaa suunnittelukompromisseihin, jotka rajoittavat akkujen käyttöä alueilla, joilla sähköistäminen on haastavaa. Tämä koskee erityisesti äärimmäisiä ympäristöjä ja kokoonpanoja, joissa lämpöhallinta ei ole mahdollista. 

Tämä tarkoittaa, että litiumakkujen parantaminen edellyttää kolmen haasteen – korkean energiatihentymän elektrodien, matalan lämpötilan toiminnan ja nopean latauksen – tasapainottamista. 

Tämän tavoitteen saavuttamiseksi Michiganin yliopiston insinöörit ovat esittäneet strategian, joka mahdollistaa äärimmäisen nopean latauksen, jopa 6C, lämpötiloissa jopa −10 °C. Nopean latauksen matalissa lämpötiloissa lupaavat parantaa sähköautojen suorituskykyä kylmissä ilmastoissa. 

Alle nollan asteen lämpötiloissa tapahtuva nopea lataus saavutettiin ylläpitäen yli 3 mAh/cm² elektrodin kuormitusta. 

Tähän tiimi esittelee strategian, joka yhdistää kolmiulotteiset elektrodirakenteet keinotekoiseen kiinteän elektrolyytin rajapintaan (SEI) käyttämällä atomikerrospäällystystä kiinteällä elektrolyytillä (Li3BO3‑Li2CO3). 

Tämä synergistinen strategia voi ratkaista interfaciaalisen ja kuljetusrajoitteet äärimmäisissä olosuhteissa ilman haitallista litiumin pinnoittumista. Elektrodiin tehtävät muutokset massansiirron ja interfaciaalikineettisten ominaisuuksien parantamiseksi kasvattivat niiden saavutettavissa olevaa kapasiteettia.

Tutkimuksen mukaan, julkaistu lehdessä Joule¹, se tarjoaa perustavanlaatuisia näkemyksiä hallitsevista mekanismeista, jotka ohjaavat litiumin pinnoittumista ja kapasiteetin heikkenemistä matalissa lämpötiloissa ja nopeissa latausolosuhteissa.

Nopea lataus sähköautoille kylmässä säässä 

Maailmanlaajuinen sähköautojen omaksuminen on kasvanut tasaisesti 2010-luvulta lähtien. Vuonna 2020 sähköautot saivat suuren hetken, kun rekisteröinnit kasvoivat suurilla markkinoilla COVID-pandemiasta huolimatta. 

Sähköautoilla oli rekordivuosi vuonna 2020, yli 10 miljoonaa niistä oli liikkeellä vuoden loppuun mennessä, ja akkukäyttöiset mallit ajavat laajenemista.

Siitä lähtien sähköautot ovat yhä suositumpia, ja ne ovat yleinen näky teillä. Kuitenkin kasvuvauhti on nyt hidastumassa. 

AAA:n kuluttajakyselyn mukaan Yhdysvaltain aikuisten, jotka sanoisivat olevansa “todennäköisesti” tai “erittäin todennäköisesti” ostamassa uutta tai käytettyä sähköautoa, osuus laski 23 %:sta vuonna 2023 18 %:iin vuonna 2024. Lisäksi 63 % sanoi, että he eivät todennäköisesti tai erittäin todennäköisesti hankkisivat seuraavan ajoneuvonsa sähköautona. 

“Varhaiset omaksujat, jotka halusivat sähköauton, ovat jo saaneet sen,” totesi Greg Brannon, AAA:n autoteollisuuden tutkimusjohtaja viime kesänä. “Jäljelle jäävä ryhmä, joka ei ole vielä omaksunut sähköautoja, pohtii käytännöllisyyttä, kustannuksia, mukavuutta ja omistuskokemusta, ja joillekin nämä ovat riittävän suuria esteitä siirtymään täysin sähköiseen.” Kiinnostus siirtyy hybrideihin.

Siirtymä johtuu osittain huolesta, että talvella ajomatka lyhenee ja lataus hidastuu. Talvella akkujen on oltava tarpeeksi lämpimiä, jotta elektronit voivat liikkua, mikä tarkoittaa, että akun lämmittäminen ja latausvalmiuteen saattaminen voi kestää puoli tuntia. Neil Dasgupta, Mekaniikan tekniikan ja materiaalitieteen apulaisprofessori Michiganin yliopistossa, totesi:

“Sähköauton akun lataaminen kestää 30–40 minuuttia, vaikka kyseessä olisi aggressiivinen nopea lataus, ja tämä aika nousee yli tunniksi talvella. Tämä on se kipupiste, jonka haluamme ratkaista.” 

Tutkimukset ovat havainneet, että ajomatkan menetys voi olla 10 %–36 %. Ongelma on, että matalissa lämpötiloissa “lähes kaikki kemialliset aineet hidastuvat.”

Joten Michiganin insinöörit kehittivät muokatun valmistusprosessin sähköautojen akuille, joka mahdollistaa nopean latauksen jääkylmässä säässä ja pitkän ajomatkan. Näiden suurten ongelmien ratkaisun myötä prosessi voi edelleen vahvistaa sähköautojen omaksumista. 

“Kuvittelemme tämän lähestymistavan sellaisena, jonka sähköautojen akkuvalmistajat voisivat omaksua ilman merkittäviä muutoksia nykyisiin tehtaisiin. Ensimmäistä kertaa olemme osoittaneet polun, jonka avulla voidaan samanaikaisesti saavuttaa äärimmäisen nopea lataus matalissa lämpötiloissa ilman, että litiumioniakun energiatihentymä kärsii.” 

– Tutkimuksen vastaava tekijä, Dasgupta

Hyödyntämällä tätä uutta valmistusprosessia, Li-ion-sähköauton akut voivat latautua jopa 500 % nopeammin jopa 14 °F:ssa.

Tämä vahva suorituskyky johtuu rakenteesta ja pinnoitteesta, joka estää litiumin pinnoittumisen muodostumisen akun elektrodeihin. Litiumin pinnoittuminen on haitallista akuille, heikentäen niiden suorituskykyä kapasiteetin heikkenemisen ja lyhentyneen käyttöiän kautta. Se voi jopa olla mahdollinen turvallisuusriski sisäisten oikosulkujen muodossa litiumdendriittien muodostumisen vuoksi. 

Estämällä Li‑pinnoittumisen muodostumisen, muutokset mahdollistivat akkujen säilyttää jopa 97 % kapasiteetistaan, jopa 100 nopeaa latauskertaa erittäin kylmissä lämpötiloissa.

Akun suunnittelu paremmalla nopeudella, ajomatkalla ja kylmänkestävyydellä

Sähköautojen akut varastoivat kemiallista energiaa ja muuntavat sen sähköenergiaksi. Tämä muunnos tapahtuu elektrokemiallisessa reaktiossa, jossa käytetään litiumioni-soluja, joissa on anodi (negatiivinen elektrodi) ja katodi (positiivinen elektrodi) erotettu separatorilla ja elektrolyytillä. 

Elektrolyytti, kuten litiumsuolaliuos, helpottaa ionien siirtymistä katodin ja anodin välillä. Tämä ionien liike ohjaa elektronien virtausta ulkoisessa piirissä, luoden sähköenergiaa liitetyn laitteen virittämiseksi.

Purkauksen aikana, kun akku on käytössä, anodi vapauttaa Li‑ioneja katodille. Kun akku latautuu, eli on kytketty virtalähteeseen, katodi vapauttaa litiumioneja anodille. Kylmissä lämpötiloissa ionien liike hidastuu, mikä vähentää akun tehoa ja latausnopeutta.

Sähköauton ajomatkan, eli etäisyyden, jonka se voi kulkea yhdellä latauksella, pidentämiseksi autonvalmistajat ovat lisänneet elektrodin paksuutta. Tämä on mahdollistanut valmistajille pidemmät ajomatkat ennen seuraavaa latausta, mutta se myös tekee osasta litiumia vaikeasti saavutettavaksi, mikä johtaa hitaampaan lataukseen ja vähemmän tehoa tietyn akun painon suhteen.

U-M:n tiimi aiemmin paransi² akun latauskykyä luomalla polkuja anodissa, jokainen 40 mikronin kokoinen. Kanavat toimivat diffuusiopolkuina nopealle ioninsiirrolle.

Tämän vuoksi he esittelivät laserkaavion prosessin 3D-grafiittianodiarkkitehtuurien tuottamiseksi. Tässä prosessissa he räjäyttivät grafiittia laserilla, mikä mahdollisti Li‑ionien löytävän paikkoja nopeammin. Sijoittamalla syvälle elektrodin sisään he varmistivat tasaisemman latauksen.

Testattaessa heidän suunnittelunsa osoitti kapasiteetin säilymisen 91 % ja 86 % 600 sykliä 4C- ja 6C-latauksilla vastaavasti. Heidän 3D-anodisigninsä mahdollisti myös solujen saavuttaa yli 90 % kapasiteetin nopean latauksen aikana.

Huolimatta merkittävästä latausnopeuden kasvusta huoneenlämmössä, lataus kylmissä lämpötiloissa pysyi tehottomana. Tämä johtui kemiallisesta kerroksesta, joka muodostuu elektrodin pinnalle reagoidessa elektrolyytin kanssa.

“Tämä pinnoittuminen estää koko elektrodin latautumisen, mikä jälleen vähentää akun energiatihentymää.” 

– Tutkimuksen yhteiskirjoittaja Manoj Jangid, joka on vanhempi tutkimusavustaja Mekaniikan tekniikassa Michiganin yliopistossa.

Tämän ongelman ratkaisu oli estää pintakerroksen muodostuminen, mikä saavutettiin pinnoittamalla akku litiumboriatti-karbonaattimateriaalilla. Noin 20 nm paksu pinnoite nopeutti kylmässä latausta.

Kun tämä yhdistettiin kanaviin, testisoluja havaittiin latautuvan 500 % nopeammin alijäämistilassa.

“Kolmiulotteisten arkkitehtuurien ja keinotekoisen rajapinnan synergian avulla tämä työ voi samanaikaisesti ratkaista nopean latauksen, alhaisen lämpötilan ja pitkän ajomatkan kolmoisongelman.”

– Ensimmäinen tekijä Tae Cho, äskettäin valmistunut diplomi-insinööri Mekaniikan tekniikassa

Seuraavaa työtä tehdäkseen prosessista teollisuuskäyttöön soveltuvan rahoittaa Michigan Economic Development Corporation.

U-M:n insinööritiimi on myös hakenut patenttisuojaa. Sillä välin Arbor Battery Innovations – yritys, jossa sekä Dasgupta että yliopisto omistavat taloudellista intressiä – on lisensoinut kanavateknologian ja työskentelee sen kaupallistamiseksi.

Innovatiivinen yritys

Ford Motor  

Nyt, jos tarkastelemme innovatiivista yritystä akku- ja sähköautomaailmassa, Elon Muskin $875,5 miljardin markkina-arvoinen Tesla (TSLA ) on merkittävin nimi, mutta se on kokenut vaikeita aikoja. Sen osakkeet ovat laskeneet 32,6 % YTD ja kaupankäyntihinta on 261,23. Yritys, joka ei maksa osinkoja, kärsi myös 13 % laskun 1Q 2025 (336 681) ajoneuvon toimituksissa edellisvuoteen verrattuna. Tänä neljänneksenä Tesla kohtasi boikotteja, protesteja ja jopa rikosoikeudellisia toimia johtuen toimitusjohtaja Muskin osallistumisesta Trumpin hallintoon.

Sitten on $7,1 miljardin markkina-arvoinen Albemarle Corporation (ALB ), yksi suurimmista litiumtuottajista ja keskeinen litiumioniakkujen toimitusketjussa. ALB:n osakkeet ovat myös laskeneet lähes 30 % YTD, vaikka se maksaa 2,68 % osinkotuoton.

Sähköautoinfrastruktuurissa ChargePoint (CHPT ), jonka markkina-arvo on $273,3 miljoonaa, on myös kohdannut haastavan ympäristön. Sen liikevaihto on laskenut, ja sen osakkeet ovat laskeneet 44,25 % YTD, kaupankäyntihinta $0,60.

Onko siis olemassa yrityksiä, jotka todella menestyvät? No, Kiinassa toimivat BYD ja CATL varmasti ovat.

Kiinalainen autonvalmistaja ja akkuvalmistaja näkee merkittävää taloudellista kasvua, raportoiden vuotuisen liikevaihdon $107 miljardia vuodelle 2024, mikä ohittaa Teslan. “BYD on noussut alan johtajaksi kaikilla sektoreilla akkuista elektroniikkaan ja uusiin energiajärjestelmiin, murtaen ulkomaisten brändien hallinnan ja muokaten globaalin markkinan uutta maisemaa,” sanoi BYD:n presidentti Wang Chuanfu.

Samaan aikaan 1Q25:ssä BYD myi lähes miljoona henkilöautoa, 58,7 % nousu 1Q24:ään verrattuna. Yli 200 000 näistä viedään ulkomaille, 110,5 % nousu 1Q24:ään verrattuna. Jopa sen osakkeet ovat nousseet huimat 28,77 % YTD, kaupankäyntihinta $43,78 ja osinkotuotto 1 %.

Contemporary Amperex Technology Co., Limited (CATL) on toinen johtava kiinalainen akkuvalmistaja, joka on valmis saamaan Hongkongin pörssin hyväksynnän $5 miljardiin listautumiselle, mikä vahvistaa sen taloudellista asemaa ja tukee laajentumissuunnitelmia.

Kiinan ulkopuolella saksalainen autonvalmistaja Volkswagen AG (VOW.DE ) (VOW3.DE ) on myös edistynyt merkittävästi, raportoiden 1,4 % kasvun maailmanlaajuisissa toimituksissa 2,13 miljoonaan yksikköön vuoden 2025 ensimmäisellä neljänneksellä. Tämä nousu johtuu kasvusta Euroopassa ja Amerikoilla, kun taas toimitukset Kiinan markkinoilla laskivat 7,1 %. Silti operatiivinen voitto odotetaan olevan alhaisempi Yhdysvaltain markkinoiden laskun ja globaalin taantuman pelon vuoksi. Yritys aikoo myös nostaa hintoja Trumpin 25 % autoverojen astuttua voimaan.

Palaten Yhdysvaltain markkinoihin, Fordilla on mahdollisuus kasvattaa markkinaosuuttaan amerikkalaisena autonvalmistajana, joka valmistaa suurimman osan autoistaan kotimaassa. Henry Fordin perustama vuonna 1903, yritys on hyvin asemoitu hyötymään presidentti Trumpin suunnitelmista. Presidentti Andrew Frick:

“Kokoonpanomme enemmän Yhdysvaltain ajoneuvoja ja työllistämme enemmän Yhdysvaltain tuntityöntekijöitä kuin kukaan muu. Haluamme tehdä enemmän, ei vähemmän, täällä Yhdysvalloissa.”

Yritys lanseerasi äskettäin rajoitetun ajan alennustarjouksen osana kampanjaa ‘From America, For America’ houkutellakseen enemmän ostajia, kun muut valmistajat nostavat hintoja kattamaan lisääntyneet tullit.

“Meillä on vähittäiskaupan varasto tähän ja paljon valinnanvaraa asiakkaille, jotka tarvitsevat ajoneuvon,” Ford sanoi lausunnossaan viitaten “epävarmoihin aikoihin” ja “muuttuvan talouden monimutkaisuuksiin” syinä tähän toimenpiteeseen.

Nyt, $37,7 miljardin markkina-arvolla, Fordin osakkeet, kirjoitushetkellä, kaupankäynnissä $8,91, laskien vain 4 % tänä vuonna. Tämän myötä sen EPS (TTM) on 1,46, P/E (TTM) -suhde 6,51 ja ROE (TTM) 13,42 %. Se maksaa myös houkuttelevan 6,32 % osinkotuoton.

Vuoden 2025 Q1:ssä Ford raportoi 1,3 % laskun Yhdysvaltain myynnissä 501 291 yksikköön, mikä johtui joidenkin mallien lopettamisesta.

Tämä tapahtui sen jälkeen, kun Ford ylitti odotukset vuoden 2024 neljännen neljänneksen osalta, vaikka toimitusjohtaja Jim Farley ennusti yritykselle haastavampaa vuotta, mutta parannuksia luvataan kustannuksissa ja laadussa.

Tänä vuonna Ford odottaa säädetyn käyttökatteen (EBIT) olevan $7–8,5 miljardia ja säädetyn vapaan kassavirran $3,5–4,5 miljardia, olettaen “markkinatekijöihin liittyvät vastatuulet.”

Vuodelle 2024 yrityksen kokonaisliikevaihto oli $185 miljardia, nettotulos $5,9 miljardia eli $1,46 osakekohtaisena tuloksena, ja säädetty vapaa kassavirta $6,7 miljardia.

Ford tekee myös merkittäviä edistysaskeleita sähköautomarkkinoilla, myyden noin 97 865 täysin sähköistä ajoneuvoa vuonna 2024, 35 % vuosikasvuna. Sen hybridimyynti nousi 40 % 187 426 yksikköön. Vuoden 1Q25 aikana sen sähköautomyynti saavutti ennätyksen 73 623. Tämä 26 % kasvu johtui hybrideistä, jotka nousivat 33 %, ja sähköautoista, jotka nousivat 12 %.

Yhteenveto

Akkut, jotka ovat keskeinen komponentti sähköautoissa, on tapahtunut merkittävä parannus. Kuitenkin akkuteknologia kohtaa edelleen useita haasteita, kuten korkeat kustannukset, materiaalien toimituspuutteet, rajoitettu ajomatka, pitkät latausajat, infrastruktuurin puute, turvallisuushuolenaiheet sekä asianmukainen kierrätys ja jätehuolto. 

Viimeisin tutkimus, jonka vakauttava pinnoite ja mikroskaalaiset kanavat, auttaa ratkaisemaan kompromissin ajomatkan ja latausnopeuden välillä, jopa kylmissä lämpötiloissa.

Parantamalla merkittävästi latausnopeuksia, tämä tutkimus osoittaa potentiaalin poistaa yksi keskeisistä esteistä sähköautojen omaksumisessa: ajomatkan pelko ja pitkät latausajat talvella. Tämä voi nopeuttaa paitsi sähköautojen käyttöä myös laajempaa sähköistymistrendiä. Kuitenkin prosessin laajamittainen toteutus vaatisi kustannustehokkuuden ja turvallisuuden ylläpitämistä.

Kaiken kaikkiaan, kun ala pyrkii kohti nopeampia, tehokkaampia ja turvallisempia akkuja, tällaiset innovaatiot auttavat ylittämään viimeiset esteet täyteen sähköistymiseen, johtamalla vihreämpään ja puhtaampaan tulevaisuuteen.

Klikkaa tästä saadaksesi luettelon parhaista sähköautojen osakkeista.

Viitteet:

1. ​Cho, T. H., Chen, Y., Liao, D. W., Kazyak, E., Penley, D., Jangid, M. K., & Dasgupta, N. P. (2025). Mahdollistamalla 6C nopea lataus litiumioniakuilla alijäämistilassa rajapintasuunnittelun ja 3D-arkkitehtuurien avulla. Joule, Julkaistu verkossa 17. maaliskuuta 2025. https://doi.org/10.1016/j.joule.2025.101881

2. Chen, K.-H., Namkoong, M. J., Goel, V., Yang, C., Kazemiabnavi, S., Mortuza, S. M., Kazyak, E., Mazumder, J., Thornton, K., Sakamoto, J., & Dasgupta, N. P. (2020). Tehokas nopea lataus litiumioniakuilla, jonka mahdollistavat laserkaavion kolmiulotteiset grafiittianodiarkkitehtuurit. Journal of Power Sources, 471, 228475. https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2020.228475