Turvallisempi, edullisempi ja tehokkaampi? Alumiiniparistojen lupaus

Korkean kapasiteetin akut, jotka latautuvat nopeammin ja kestävät pidempään, ovat avain tulevaisuuden kannettavien elektroniikkalaitteiden, sähköajoneuvojen ja pitkäaikaisen energian varastoinnin energianlähteenä.

Viimeisten vuosikymmenten ajan litiumioniakut ovat hallinneet tätä aluetta. Litiumioniakku on ladattava akku, joka latautuu ja purkautuu ionien liikkeen avulla positiivisten ja negatiivisten elektrodien, eli anodien ja katodien, välillä.

Näissä akuissa käytetty litiummetalli on pehmeä, hopeinen ja erittäin reaktiivinen. Sillä on alhaisin tiheys kaikista metalleista, ja se esiintyy yhdisteinä mineraalina, jossa Chile on suurin tuottaja. Chilessä on myös suurimmat litiumvarannot, joita seuraavat Australia ja Kiina; jälkimmäinen on myös litiumioniakkujen johtava maa.

Näiden akkujen valmistus vaatii todellakin valtavia määriä vettä ja energiaa. Niiden kierrättäminen on myös erittäin vaikeaa.

Vaikka litiumioniakut ovat osoittaneet suorituskykynsä kannettavissa kuluttajaelektroniikkalaitteissa, kuten älypuhelimissa, kannettavissa tietokoneissa ja muissa käsilaitteissa, sekä sähköajoneuvoissa ja aurinkovoiman varajärjestelmissä, markkinat etsivät nyt materiaaleja, jotka voisivat ylittää litiumioniakut ja virrata seuraavan sukupolven laitteisiin, pitkän matkan ajoneuvoihin, sähköisiin lentokoneisiin ja verkon tasoiseen varastointiin.

Tämä on saanut tutkijat kääntymään alumiinin puoleen, joka osoittaa lupaavaa suorituskykyä turvallisemmissa, edullisemmissa ja tehokkaammissa akuissa.

Alumiinin potentiaali akkujen kehittämisessä 

Pyrkimykset kehittää ladattavia alumiiniakkuja ovat käynnissä jo useiden vuosikymmenten ajan, mutta ne saivat merkittävää huomiota viimeisen vuosikymmenen aikana. Lisääntynyt kiinnostus ja tutkimus ovat auttaneet Al-ioniakkuja saavuttamaan poikkeuksellisia lataus- ja purkausnopeuksia. 

Kaikki Al-ioniakkuja koskevat kehitykset ovat merkittäviä, koska tämä elektropositiivinen metalli tuo mukanaan ylivoimaisia etuja.

Alumiinin ainutlaatuiset ominaisuudet sisältävät keveyden, korroosionkestävyyden ja korkean lämmönjohtavuuden. 

Tämä monipuolisuus on tehnyt tästä metallista erittäin hyödyllisen monissa sovelluksissa eri teollisuudenaloilla, erityisesti liikenteessä. Metalleja käytetään laajasti autojen, lentokoneiden ja junien valmistuksessa, koska ne ovat kevyitä ja vahvoja, mikä parantaa polttoainetehokkuutta ja vähentää päästöjä. 

Toinen merkittävä alumiinin sovellus on rakennusteollisuudessa, koska sitä on helppo käsitellä ja se kestää ankaria ympäristöolosuhteita. Alumiinia käytetään myös laajasti pakkaus-, avaruus-, kemian-, sotilas- ja sähköteollisuudessa.

Alhaisen tiheytensä ja hyvän sähkönjohtavuutensa ansiosta alumiini on ihanteellinen sähköjohtimien, tietokoneiden, älypuhelimien, televisioiden ja ilmassa kulkevien voimajohtojen valmistukseen.

Entistä tärkeämpää on, että alumiini on yleisin metallielementti maankuoren koostumuksessa. Alhaisen kustannuksensa vuoksi alumiinin käyttö ladattavissa akuissa voi merkittävästi vähentää akkujen hintaa, erityisesti taloudellisissa, suurten mittakaavojen varajärjestelmissä uusiutuvan energian varastointiin.

Litiumioniakut ovat edelleen liian kalliita näihin sovelluksiin. Kustannusten lisäksi näissä akuissa on myös syttyvä elektrolyytti, mikä aiheuttaa turvallisuusongelman. Maapallon yleisin metalli ja kaupallisesti toiseksi yleisin (raudan jälkeen) tarjoaa sopivan vaihtoehdon tässä.

Edullisuuden lisäksi alumiinilla on myös korkea tilavuuskapasiteetti, joka on neljä kertaa suurempi kuin litiumilla ja seitsemän kertaa suurempi kuin natriumilla. Tämä osoittaa alumiinin potentiaalin parantaa akkujen energiatehoa tilavuusyksikköä kohden.

Lisäksi alumiini on palamaton, mikä tukee sen käyttöä elektrodina entisestään. Tämän metallin käyttö poistaa myös monimutkaisuuden, joka liittyy interfaasikerrokseen, jota tavallisesti esiintyy litiumionijärjestelmissä. 

Tämä ei kuitenkaan tarkoita, että alumiinissa ei olisi puutteita. Alumiiniioniakkujen passivaatio, korroosio ja vedyn muodostuminen ovat rajoittaneet niiden sovelluksia. Toinen haaste alumiiniioniakuissa on anodimateriaalien valinta, koska Al3+-ionien korkea varaustiheys aiheuttaa hitaan diffuusiokineettisen, mikä rajoittaa akun nopeuskykyä.

Näistä haasteista huolimatta alumiiniioniakut ovat lupaava vaihtoehto suurten mittakaavojen energian varastointiin niiden korkean spesifisen kapasiteetin, alhaisen kustannuksen, keveyden, hyvän turvallisuuden ja alumiinin luonnollisen runsaan saatavuuden ansiosta.

Alumiini-ioniakun tutkiminen todellisessa käytössä

Alumiinin tutkiminen akuissa on jatkunut jonkin aikaa, koska tarvitaan uusia akkukenemia, jotka täyttävät korkean energian tarpeen, kuten lentokoneiden pitkän matkan lentämiseen ja hyötykäyttöön suunnattujen energian varastointijärjestelmien tarpeeseen. Perinteiset akut eivät yksinkertaisesti sisällä tarpeeksi energiaa näiden järjestelmien virittämiseen.

Noin vuosikymmen sitten Stanfordin yliopiston tutkijat paljastivat ensimmäistä kertaa, että alumiini-ioniakku voi olla vakaa ja kestää pitkään syklissä. Tämä Al-ioniakku pystyi latautumaan kokonaan minuutissa ja läpäisemään jopa 7500 lataus-/purkaussyklit lähes ilman kapasiteetin heikkenemistä.

Vuoden lopulla Australian Queenslandin yliopiston tutkijat toteuttivat tutkimuksen, jossa käsitteli teknisen haasteen AIB-komponentin avulla¹ kutsuttu kiinteä elektrolyyttien välikerros.

Al-ioniakku, aivan kuten litiumioniakut, sisältää anodin, katodin ja elektrolyytin, joka kuljettaa alumiini-ioneja positiivisesti varautuneiden elektrodien ja negatiivisesti varautuneiden elektrodien välillä.

Purkauksen aikana ionit siirtyvät anodilta katodille tuottaen energiaa, ja akun lataamisen yhteydessä prosessi kääntyy energian varastointia varten. Al-ioniakkujen kohdalla esiintyy epävakautta lataus- ja purkusykleissä dendriittien muodostumisen vuoksi, mikä aiheuttaa oikosulkuja ja johtaa akun epäonnistumiseen.

Tutkimuksen mukaan vastaus tähän on, että alumiini-ioniakut tarvitsevat esisykläyksen, aivan kuten litiumioniakut, maksimoidakseen käyttöikänsä. Näiden ainutlaatuisten esisykläystarpeiden ymmärtäminen voi johtaa parempiin suunnitelmiin, jotka mahdollistavat akun pidemmän käyttöiän ja luotettavamman suorituskyvyn, tuoden ne lähemmäs todellisia sovelluksia.

Muutamassa vuodessa aiemmassa tutkimuksessa Georgia Institute of Technologyn tutkijat käyttivät alumiinifoliota luodakseen akkuja, jotka mahdollistavat sähköajoneuvojen kulkea pidempiä matkoja yhdellä latauksella.

Tässä tutkimuksessa tutkijat lisäsivät alumiiniin pieniä määriä yli 100 eri materiaalia luodakseen folioita, joilla on erityisiä “mikrorakenteita”. Alumiini-anodi pystyi varastoimaan enemmän litiumia kuin perinteiset anodimateriaalit, mikä tarkoittaa enemmän energiaa ja johtaa korkean energiatehon akkujen luomiseen.

Nämä alumiiniakkuja koskevat tutkimukset tarjoavat valtavan potentiaalin avata tie tehokkaampiin akkuteknologioihin tulevaisuuden energian tarpeisiin.

Uusi suunnittelu alumiiniakkujen eliniän pidentämiseksi

Kun otetaan huomioon alumiini-ioniakkujen moninaiset edut, äskettäin ACS Central Science -lehdessä julkaistu uusi tutkimus pyrki suunnittelemaan kustannustehokkaan ja ympäristöystävällisen Al-ioniakun, joka voi tukea siirtymistä kestävään, puhtaaseen energiaan.

Kestävyyteen suuntautuvan maailmanlaajuisen työntövoiman myötä tutkimus korosti tarvetta tutkia runsaita ja uusiutuvia resursseja energian varastointiteknologioiden kehittämiseksi kestävän kehityksen edistämiseksi.

Tutkijat kääntyivät siis ladattavien alumiini-ioniakkujen (AIB) puoleen, joissa on palamaton huoneenlämpöinen kloroaluminaattipohjainen ioniliekkoelektrolyytti. Niiden laaja lämpötilasoveltuvuus, pitkä syklielinikään ja poikkeuksellinen turvallisuus tekevät AIB:stä erittäin sopivia suurten mittakaavojen energian varastointijärjestelmiin.

Kuitenkin perinteiset ioniliekkoelektrolyytit AIB:issä kärsivät merkittävistä heikkouksista. Uudella rakenteellaan tutkijat pyrkivät ratkaisemaan korroosion ongelman, joka liittyy yleisimmin Al-ioniakkuissa käytettyyn elektrolyyttiin.

Elektrolyytti — nestemäinen alumiinikloridi — ei ainoastaan korrodoi alumiini-anodia, vaan pahentaa tilannetta sen korkean kosteuden herkkyyden vuoksi. Tämä johtaa heikkoon vakauteen ja ajan myötä sähköisen suorituskyvyn heikkenemiseen.

Poistaakseen tämän rajoituksen tutkijat lisäsivät elektrolyyttiin inertin alumiinifluoridisalin, joka sisälsi Al-ionin, muuttaen sen kiinteän tilan elektrolyytiksi. Alumiinifluoridisalin kolmiulotteinen huokoinen rakenne mahdollistaa alumiini-ioniin helpon hyppimisen elektrolyytin läpi ja lisää johtavuutta.

Tutkijat käyttivät myös fluoroeteenikarbonaattia interfacen lisäaineena. Ohut kiinteä pinnoite elektrodeilla esti alumiinikiteiden muodostumisen ja suojasi siten akun kuntoa heikkenemiseltä.

Näiden kahden komponentin avulla tiimi pystyi parantamaan akkujen kosteudenkestävyyttä sekä niiden lämpö- ja fysikaalista vakautta. Tämä mahdollisti kiinteän tilan Al-ioniakun kestävän jopa 392 Fahrenheit-astetta (tai 200 Celsius-astetta) lämpötiloja. Se kesti myös toistuvat terävien esineiden iskut.

Akun käyttöiän osalta tutkimus havaitsi poikkeuksellisen pitkän eliniän. Kiinteän tilan alumiini-ioniakku kesti jopa 10 000 lataus- ja purkusykliä menettäen alle yhden prosentin alkuperäisestä kapasiteetistaan.

Lisäksi suurin osa käytetystä alumiinifluoridista voidaan palauttaa yksinkertaisella pesulla. AlF3 voidaan kierrättää toiseen akkuun vain hieman heikommalla suorituskyvyllä, mikä edelleen vähentää akun tuotantokustannuksia.

“Tämä uusi Al-ioniakun suunnittelu osoittaa potentiaalin pitkäikäiselle, kustannustehokkaalle ja erittäin turvalliselle energian varastointijärjestelmälle. Keskeisten materiaalien palauttamisen ja kierrättämisen mahdollisuus tekee teknologiasta kestävämmän.”

– Wei Wang, State Key Laboratory of Advanced Metallurgy, University of Science and Technology Beijing, China

Uusi akku parantaa Al-ioniakkujen käytännöllisyyttä vähentämällä niiden valmistuskustannuksia ja pidentämällä niiden käyttöikää, mutta energiatehoon, elektrolyytin vakauteen ja elinkaaren suhteen tarvitaan edelleen parannuksia akun kaupallistamista varten.

Klikkaa tästä saadaksesi lisätietoa tutkimuksesta, joka kumosi akkujen ikääntymysmyyttejä.

Akkumarkkinoiden merkittävät toimijat

Lupaavien seuraavan sukupolven akkuteknologioiden nousu tarjoaa merkittäviä parannuksia energiatehossa, turvallisuudessa, kustannuksissa ja käyttöiässä nykyisiin litiumioniakkuihin verrattuna. Niiden odotetaan mullistavan energian tarpeet, joita ohjaavat innovaatiot, jotka ratkaisevat nykyteknologioiden rajoitteita. 

Katsotaanpa nyt yrityksiä, jotka työntävät akkuteknologian rajoja ja joilla on odotettavissa valtava kasvu tulevina vuosina.

1. QuantumScape (QS )

Kun maailma etsii vaihtoehtoja, litiumpohjaiset akut pysyvät toistaiseksi johdossa. Tässä taustassa QuantumScape Corporation on yksi johtavista akkuyrityksistä, jotka kehittävät kiinteän tilan litium‑metalliparistoja sähköajoneuvoja ja muita sovelluksia varten. 

Kun perinteiset litiumioniakut lähestyvät rajaansa, yritys on kehittänyt sen sanoman ensimmäisen anodi‑vapaan kennon suunnittelun alalla, joka tarjoaa korkean energiatehon, alennetut materiaalikustannukset ja yksinkertaistetun tuotannon. 

Toisin kuin perinteisissä litiumioniakuissa, joissa on polymeerierottaja, QuantumScape käyttää kiinteän tilan erottajaa. Tämä mahdollistaa hiili‑ tai piianodin korvaamisen litium‑metallianodilla, joka on energiatehokkaampi ja siten varastoi enemmän energiaa samassa tilavuudessa. QuantumScapen suunnittelussa akku valmistetaan anodi‑vapana ja purkutilassa.

QuantumScapen mukaan sen 24‑kerroksinen A0‑prototyyppikenno on suorittanut yli 1 000 täyttä lataus‑purkaussyklien vastaavaa, säilyttäen yli 95 % energian. Lokakuussa yritys julkaisi suunnitellun ensimmäisen kaupallisen tuotteen, QSE‑5:n, autoalan sovelluksiin. QSE‑5 B‑näytekenno, jonka pienikokoinen tuotanto on alkanut, on mitannut 21,6 wattituntia (Wh) solun energian. QSE‑5 ‑kennot voivat ladata 10 %:sta 80 %:iin noin 12 minuutissa.

Markkina‑arvolla 2,62 miljardia dollaria QuantumScape‑osakkeet kaupankäyvät tällä hetkellä 5,13 dollaria, mikä on 1,16 % laskua vuoden alusta. Sen EPS (TTM) on -0,95, ja P/E (TTM) -suhde on -5,38.

Viimeisimmän raportoituun neljänneksen taloudelliseen tulokseen, eli Q3 2024, yrityksellä oli 17,9 miljoonaa dollaria pääomamenoja, kun GAAP‑toimintakulut olivat 130,2 miljoonaa dollaria ja GAAP‑nettotappio 119,7 miljoonaa dollaria. Neljänneksen lopussa likviditeetti oli 841 miljoonaa dollaria.

QuantumScape on myös tehnyt yhteistyötä Volkswagenin akkuvalmistajan PowerCo:n kanssa tuodakseen QSE‑5‑teknologiansa massatuotantoon.

Tänä aikana yritys ilmoitti Cobra‑julkaisusta, jonka QuantumScape sanoo vievän sen oikealle polulle toimittaakseen suurempia QSE‑5‑näytteitä tänä vuonna. Cobra pidetään myös merkittävänä askeleena kiinteän tilan akkujen kaupallistamisen suuntaan sähköajoneuvoille.

2. Solid Power (SLDP )

Vuonna 2011 perustettu Solid Power syntyi University of Colorado Boulderin spin‑offina DARPA:n rahoituksella. Vuosien varrella se on saanut sopimuksia Ilmavoimilta ja tehnyt sopimuksen Yhdysvaltain energiaministeriön kanssa.

Vuonna 2018 yritys sai ensimmäisen osakepohjaisen rahoituskierroksensa, ja vuonna 2021 se julkaisi 135 miljoonan dollarin sijoituskierroksen, jonka johtoasemat olivat BMW Group, Ford Motor Company ja Volta Energy Technologies. 

Sekä Ford että BMW Group ovat sen jälkeen laajentaneet olemassa olevia yhteisiä kehityssopimuksia Solid Powerin kanssa varmistaakseen kaikki kiinteän tilan akut tuleville sähköajoneuvoilleen. Vuosi ennen sitä Solid Power oli tuottanut 320 Wh/kg 20 Ah litiummetallisoluja, joiden hän väitti ylittävän kaupallisesti saatavilla olevien litiumioniakkujen energiasisällön.

Yritys on mukana seuraavan sukupolven täysin kiinteän tilan akkuteknologian kehittämisessä, jonka se sanoo voivan mullistaa tulevaisuuden mobiilien energiamarkkinat. Sen painopiste on erityisesti sulfidipohjaisissa kiinteissä elektrolyyteissä sähköajoneuvoja varten, kustannustavoitteena 85 dollaria/kWh. Tavoitteena on skaalata elektrolyyttituotanto kattamaan 800 000 sähköajoneuvoa akkujen avulla vuosittain vuoteen 2028 mennessä.

Markkina‑arvolla 268,77 miljoonaa dollaria Solid Power‑osakkeet kaupankäyvät tällä hetkellä 1,50 dollaria, mikä on 21,16 % laskua vuoden alusta. Yritys aloitti kaupankäynnin Nasdaqissa vasta joulukuun lopussa 2021. Sen EPS (TTM) on -0,47, ja P/E (TTM) -suhde on -3,14.

Viimeisimmän raportoitu taloudellisen tuloksen, Q3 2024, Solid Power tuotti 4,7 miljoonaa dollaria liikevaihtoa, mikä oli 1,7 miljoonaa dollaria vähemmän kuin sama neljännes edellisvuonna. Tämä liikevaihdon lasku johtui pääasiassa BMW:n kanssa saavutettujen virstanpylväiden valmistumisesta. Jakson toimintakulut olivat korkeammat tuotantokustannusten, solun ja elektrolyytin kehityskustannusten, toiminnan skaalaamisen ja toteutusten vuoksi. Kuitenkin sen likviditeettitilanne pysyi vahvana, sillä SolidPower päätti neljänneksen 348,1 miljoonan dollarin kokonaislikviditeetilla.

Tänä aikana yritys aloitti työskentelyn elektrolyyttien innovaatiokeskuksessaan (EIC) parantaakseen esipilotin elektrolyyttien valmistusprosesseja.

Viimeisimpänä Solid Power ilmoitti, että se on saanut Yhdysvaltain energiaministeriöltä jopa 50 miljoonan dollarin rahoituksen sulfidipohjaisten kiinteiden elektrolyyttimateriaalien jatkuvaan tuotantoon. Avustus‑sopimuksen osana Solid Power sijoittaa 60 miljoonaa dollaria omia varojaan laitteistojen asennuksen tukemiseen, mikä odotetaan vahvistavan yrityksen valmistuskapasiteettia.

Johtopäätös 

Litiumioniakut hallitsevat edelleen monia yleisiä kuluttajaelektroniikkalaitteita, sähköajoneuvoja ja energian varastointijärjestelmiä (ESS). Näiden akkujen kasvava käyttö johtuu niiden korkeasta energiatehosta ja kypsistä teollisista valmistusprosesseista, mutta jos haluamme integroida runsaita ja uusiutuvia energialähteitä sähköverkkoon, meidän on löydettävä parempia ratkaisuja.

Aurinko- ja tuulivoiman pitkäaikainen varastointi vaatii suuria akkuja, mutta litiumioniakut ovat kustannuksiltaan liian kalliita tähän tehtävään. Lisäksi niiden syttyvyys aiheuttaa merkittävän turvallisuusriskin. Luotettavan, suurten mittakaavojen energian varastointijärjestelmän mahdollinen korvike ovat ladattavat Al‑ioniakut, jotka tarjoavat lupaavan vaihtoehdon alhaisemman kustannuksen, parannetun turvallisuuden ja korkean tilavuuskapasiteetin ansiosta.

Elektrolyyttien vakauden ja akkujen käyttöiän kehittyessä alumiini‑ioniakut voivat näytellä keskeistä roolia suurten mittakaavojen energian varastoinnissa, sähköajoneuvoissa ja niiden ulkopuolella. Vaikka haasteita kaupallisen toteutettavuuden osalta on edelleen, käynnissä oleva tutkimus tuo näitä akkuja lähemmäs todellisia sovelluksia ja saattaa pian palvella tulevaisuuden yhteiskunnan tarvetta korkeaan energiatehoon ja edullisiin akkuun.

Klikkaa tästä saadaksesi luettelon parhaista akkuosakkeista sijoitusta varten.