Pienet säädöt suurten muutosten takana – Ovatko pehmeiden metallien tekstuurit akkuvallankumous?

Paristot ovat kaikkialla. Moderni teknologinen aikakautemme ei voi edetä tai menestyä ilman tehokkaasti valmistettuja, tehokkaita akkuja. Paristoja on sähköajoneuvoissa, mobiililaitteissa, uusiutuvan energian varastoinnissa ja monessa muussa.

Jos tarkastelemme kasvulukuja, potentiaali on eksponentiaalinen. Vuosina 2022–2030 maailmanlaajuinen litiumioniakkujen kysyntä esimerkiksi odotetaan kasvavan lähes seitseminkertaiseksi, saavuttaen 4,7 terawattituntia vuonna 2030. Markkina-asiantuntijat liittävät merkittävän osan tästä kasvusta sähköajoneuvojen räjähdysmäiseen suosioon, jotka ovat voimakkaasti riippuvaisia litiumioniakuista. Vuonna 2024 sähköajoneuvot muodostivat yli 80 prosenttia maailmanlaajuisesta litiumioniakkujen kysynnästä.

Tämän poikkeuksellisen kasvun tukeminen edellyttää akkujen tuotannon skaalaamista. Tämä tuotannon skaalaus voi toteutua vain innovaation avulla. Hyvä uutinen on, että tutkijat ympäri maailmaa ovatkin mukana. He tutkivat jatkuvasti uusia materiaaleja, suunnitelmia, konfiguraatioita ja kemiaa.

On kuitenkin myös tärkeää tarkistaa, optimoivatko nämä tutkimukset käytettävissä olevia resursseja. Tällaisessa tarkastelussa tutkijat havaitsivat, että metallien tekstuuria on historiallisesti jättetty huomiotta.

Selittäessään tarkasti tätä huomiotta jättämistä, UChicago PME:nprofessori Shirley Meng, Liewin perheprofessori molekyylitekniikassa, totesi seuraavaa:

“On puute ymmärryksessä siitä, miten rakeiden suuntaus, eli tekstuuri, vaikuttaa ladattavien metalliparistojen suorituskykyyn.”

Ratkaisu tulee Mengin Laboratoriosta energian varastoinnin ja muuntamisen alalta ja sen teollisuuskumppanilta, Thermo Fisher Scientificilta. Tarkemmin sanottuna se tulee Mengin ja hänen tutkimusryhmänsä kirjoittamasta artikkelista. Artikkelin otsikko on ‘Grain Selection Growth of Soft Metal in Electrochemical Processes.’

Kokeiluja parempaan tekstuuriin parempien akkujen puolesta

Termillä ‘tekstuuri’ tutkijat viittaavat rakeiden suuntaukseen, joka on suunnattu tiettyyn suuntaan satunnaisen jakautumisen sijaan. Plasma‑keskittynyt ionisäde‑elektronitaakseen hajautus (PFIB‑EBSD) auttaa karakterisoimaan metallin tekstuuria erilaisissa elektrokemiallisissa pinnoitus‑ ja poistokäsittelyolosuhteissa.

Tutkimuksessa¹ tutkijat korostivat pintajännitteen ja venymäenergian kilpailua alkalimetallien tekstuurin muodostumisessa. Erityisesti he pyrkivät ymmärtämään, miten atomidiffuusion ja pintajännitteen hallitsevuus alkalimetalleissa vaikuttaa rakeiden valintakasvuun elektrokemiallisten prosessien aikana, mikä on avain selittämään kiinteän tilan akkujen (solid-state batteries) käyttöön metallianodeilla, erityisesti huoneenlämmössä. Tämän tutkimuksen lopullinen tavoite ja siitä saadut oivallukset olivat saavuttaa toivottuja tekstuureja rajapintasuunnittelun avulla parantaakseen pinnoitus/poisto‑tehokkuutta suurilla virrantiheyksillä.

Tutkijat suorittivat sarjan vaiheita pyrkiessään ymmärtämään, mikä voisi olla täydellinen tekstuuri metallisille akuilla. He karakterisoivat pehmeän metallin tekstuurin erilaisissa olosuhteissa, kehittivät termodynaamisen teorian ja vaihekenttämallin tekstuurin muodostumiselle, tunnistivat toivottuja tekstuureja pinnoitus/poisto‑tehokkuuden parantamiseksi, ja – lopuksi – suunnittelivat rajapintakerroksen toivottua rakekasvua varten.

Mitä tutkimus saavutti?

UChicago PME:n tutkimusassosioitu professori Minghao Zhang, uuden työn ensimmäinen tekijä, totesi, että tutkijat “löysivät, että ohuen piikerroksen lisääminen litiummetallin ja keräyslevyn väliin auttaa luomaan halutun tekstuurin”.

Tutkijat päätelivät, että “muutos paransi akun nopeuskykyä lähes kymmenkerralla kaikissa kiinteän tilan akuissa, joissa käytetään litiummetallia”.

Mutta mikä johti tutkijat löytämään, mikä oli oikea ja optimaalinen?

Tutkijat aloittivat oletuksesta, että ihanteellinen tekstuuri akun anodille olisi sellainen, jossa atomit voivat liikkua nopeasti pinnan tasossa, koska nopeampi liike auttaa akkuja latautumaan ja purkautumaan nopeammin. Tekstuurin muuttamisessa merkityksellisiä olivat pehmeän metallin pintajännitteen erot.

Professori Minghao Zhengin mukaan:

“Koska litium- tai natriummetallisia akkuja luottavat näihin tekstuureihin suotuisan nopeuskyvyn saavuttamiseksi, tiimi pohti, voisiko pehmeiden metallien tekstuurin hienosäätö parantaa teho‑tiheyttä.”

Tavoitteen saavuttaminen riippui voimakkaasti mikroskooppiteknologian tehokkaasta käytöstä, joka sisälsi materiaalin hiomista plasma‑keskittyneessä ionisäde‑skannaavan elektronimikroskoopin (PFIB‑SEM) sisällä elektronitaakseen hajautus (EBSD) -kartoituksella. Näiden kahden menetelmän tehokas yhdistelmä voi auttaa tutkimaan tekstuuria uusilla tavoilla.

Kuvailessaan mikroskopiateknologian hyödyllisyyttä tutkimuksessa, tutkimuksen yhteiskirjoittaja Zhao Liu, Thermo Fisher Scientificin senior markkinakehitysjohtaja, totesi:

“PFIB‑EBSD‑yhdistelmä soveltuu erinomaisesti tähän tutkimukseen, sillä PFIB voi tehokkaasti päästä solupinon kiinnostavaan alueeseen, tuottaen korkealaatuisen pinnan minimaalisilla virheillä, kun taas EBSD tarjoaa yksityiskohtaista tekstuuritietoa pehmeästä metallista.”

Teollisuuskumppaninsa lisäksi tutkijat tekivät yhteistyötä LG Energy Solutionin Frontier Research Laboratoryn kanssa, tavoitteena teknologian kaupallistaminen.

LG Energy Solutionin vanhemman tutkijan Jeong Beom Lee’n mukaan tutkimus auttaisi kehittämään seuraavan sukupolven akkuja sähköajoneuvoja ja energian varastointisovelluksia varten.

Mihin tutkijat aikovat edetä?

Eteenpäin katsottuna tutkijoilla on kaksi selkeää tavoitetta. Ensinnäkin he haluavat alentaa testauksessa käytettävää painetta 5 megapascalista (MPa) 1 MPa:iin, mikä on nykyinen teollisuuden standardi kaupallisesti saataville akuille. Toiseksi he haluavat tutkia tekstuurin vaikutusta natriumiin, jonka Mengin löydösten mukaan on potentiaalia nousta edulliseksi, helposti saatavilla olevaksi vaihtoehdoksi litiumille.

Muita tutkimuksia litiumioniakkujen materiaaleista

Vaikka nykyinen tutkimus esittelee läpimurron, vastaavat tutkimushankkeet eivät ole harvinaisia. Tutkimuskatsaus, joka on tehty tällaisista akuista – julkaistu Materials Today -lehdessä – korosti sitä, että vaikka litiumioniakut tarjoavat selkeät edut, kuten korkea energiatähtiö, pitkä syklielinikä ja korkea hyötysuhde, tutkimus jatkuu uusien elektrodimateriaalien parissa, joiden tavoitteena on viedä kustannusten, energiatähtiön, tehotähtiön, syklieliniän ja turvallisuuden rajoja.

Kun tutkijat tarkastelivat lupaavia anodi- ja katodimateriaalivaihtoehtoja, he havaitsivat, että monet niistä kärsivät rajoitetusta sähkönjohtavuudesta, hitaasta litiumin kuljetuksesta, liukenemisesta tai muista epäedullisista vuorovaikutuksista elektrolyytin kanssa, alhaisesta lämpöstabiilisuudesta, suuresta tilavuuslaajenemisesta ja mekaanisesta hauraudesta. Näihin ongelmiin tarjotut ratkaisut sisälsivät markkinoille tuodun interkalaatiokatodin. Kuitenkin muunnosmateriaaliteknologian kaupallistumisnopeus oli hidas.

Puhuttaessa kaupallistamisesta ja skaalaamisesta, meidän tulisi siirtyä yrityksiin, jotka voivat saavuttaa paljon tällaisten huipputeknologisten tutkimusten avulla.

1. Samsung

Elokuussa 2024, Etelä-Korean Samsung SDI solmi sopimuksen General Motorsin kanssa yhteisen sähköajoneuvojen akkuhankkeen rakentamisesta Yhdysvaltain Indianan osavaltiossa. Tämän sopimuksen kautta kaksi yhtiötä päättivät yhdessä rakentaa akkusolujen valmistuslaitoksen, jonka vuotuinen tuotantokapasiteetti on 27 gigawattituntia.

Aikaisemmin, vuonna 2022 Samsung SDI Co., maailman kuudenneksi suurin akkuvalmistaja, ja Alankomaissa päämajaan toimiva monikansallinen autonvalmistaja Stellantis N.V. valitsivat Indianan osavaltion yhteisen sähköajoneuvojen akkuhankkeen sijainniksi Yhdysvalloissa.

Valmistajan tavoitteena oli tuottaa 23 gigawattituntia (GWh) prismamaisia akkusoluja ja -moduuleja vuodessa, suunnitelman mukaan ensimmäiselle puoliskolle vuotta 2025 Stellantisin Pohjois-Amerikan autotehtaille.

Kun on kyse akkujen tuotannosta, Samsung SDI tarjoaa laajan valikoiman ratkaisuja, mukaan lukien sähköajoneuvot, energian varastointijärjestelmät, mikroliikkuvuus, teholaitteet ja IT-laitteet.

Sähköajoneuvoille ja plug‑in hybrid -ajoneuvoille (PHEV) yritys valmistaa suurikapasiteettisia, energiatehokkaita ja nopeaa latausta tukevia akkuja, joilla on johtava asema kiinteän tilan akkujen massatuotannossa. Energian varastointiratkaisuissa Samsung SDI tarjoaa akkutuotteita, jotka vaihtelevat kotitalousratkaisuista ja hyöty-, kaupallis- ja teollisuusratkaisuista, jotka on integroidut uusiutuviin energialähteisiin, sekä katkaisemattomia virtalähteitä (UPS).

Micro‑Mobility‑segmentilla Samsung SDI valmistaa akkuja pienille, kevyille viimeisen mailin kuljetusratkaisuille, kuten sähköpotkulaudoille, sähköpyörille ja sähköpotkulaudoille. Tässä segmentissä yritys hyödyntää huippuluokan materiaaleja ja komponenttiteknologioita tehdäkseen parhaita saatavilla olevia akkuja.

Sähköpyörille Samsung SDI valmistaa akkuja, joissa on korkea energiateho ja turvallisuus. Nämä akut ovat ohuempia ja kevyempiä.

Sähköisille kaksipyöräisille ajoneuvoille – kuten sähköpotkulaudoille ja sähkömoottoripyörille – Samsung SDI kehittää sylinterimäisiä akkuja. Nämä akut on rakennettu korkeakapasiteettimateriaaleista, ainutlaatuisilla rakennesuunnitelmilla ja tasaisella laadulla, mikä tekee niistä turvallisia ja sopivia huippusuoritukseen, pitkään akunkestoon ja turvallisuuteen.

Teholaitteille Samsung SDI tarjoaa korkea‑tehoisia, suurikapasiteettisia akkuja. Se tarjoaa myös optimaalisia OPE‑akku ratkaisuja, joissa on korkea energiateho, vakaa teho ja pitkä akunkesto. Lisäksi se valmistaa akkuja, joilla on eriytetty kapasiteetti ja teho. Lopuksi Samsung SDI tuottaa myös erittäin toimivia ja pitkäikäisiä akkuja IT‑laitteille, mukaan lukien älypuhelimet ja kannettavat laitteet.

Joulukuussa 2025 Samsung ilmoitti vuoden 2024 neljännen neljänneksen ja koko vuoden tulokset, joissa vuotuinen liikevaihto oli 16,59 biljoonaa KRW (11,55 miljardia dollaria) ja vuotuinen liiketulos 363,3 miljardia KRW markkinoiden hidastumisen keskellä. Neljänneksellä yhtiön liikevaihto oli 3,75 biljoonaa KRW, mikä oli ennätyskorkein liikevaihto ESS‑akku liiketoiminnassa.

2. LG Energy Solutions

Joulukuussa 2024 LG Energy Solutions kävi neuvotteluja Intian JSW Energyn kanssa sähköajoneuvojen ja uusiutuvan energian varastointiin tarkoitettujen akkujen valmistamisesta yhteisyrityksessä, jonka investointi vaatisi yli 1,5 miljardia dollaria. Julkisesti saatavilla olevien raporttien mukaan kaksi yhtiötä allekirjoitti alustavan sopimuksen tasavertaisesta kumppanuudesta, jossa LGES toimittaa teknologian ja laitteet akkujen valmistukseen, ja JSW sijoittaa rahaa, kertoi yksi lähde.

Yleisesti ottaen yritys tunnetaan Energy Storage Solution (ESS) -akuista ja edistyneistä autoteollisuuden akuista. ESS‑osasto tarjoaa korkea‑energia- ja korkea‑teho -tuotteita sähköverkoille ja monipuolisille kotitaloustuotteille. Nämä akut valmistetaan ensiluokkaisella akkusoluteknologialla, joka on johdettu soveltamalla edistynyttä laminointi‑ ja pinontaprosessin osaamista, LG:n omaa teknologiaa.

Näillä akuilla on tasainen energian tuotanto, pitkä akunkesto ja vakaa rakenne. LG:n ESS‑akut tarjoavat myös parannettua tilatehokkuutta kompaktin koon ansiosta. Soveltamalla korkea‑kapasiteettisia, ultra‑ohuita polymeri‑akut soluja verkko- ja asuin‑ESS‑kehitykseen, yritys tuottaa ohuita tuotteita, jotka maksimoivat tilankäytön ja vaativat minimaalisen asennusalueen.

LG Energy Solutions on myös johtava solujen sekä moduulien, BMS‑ (Battery Management System) että pakettituotteiden toimittaja sähköajoneuvojen akuille. Ratkaisut sisältävät korkea‑energiatehoisia akkuja, jotka ovat kevyitä ja latautuvat nopeasti.

Nämä akut tarjoavat erilaiset mitat, jotka varmistavat tilan maksimoimisen ratkaisemalla kaupallisten ajoneuvojen rajoitetun tilan ongelman. Pouch‑tyyppisiä akkusoluja voidaan valmistaa eri pituuksina ja leveyksinä, mikä edistää akun kapasiteetin kasvattamista ja optimointia.

Joulukuun viimeisellä viikolla 2025 LG Energy Solution ilmoitti neljännen neljänneksen ja koko vuoden tuloksensa. Koko vuodelle yhtiö raportoi 25,6 biljoonaa KRW konsolidoitua liikevaihtoa ja 575,4 miljardia KRW liiketulosta, mikä on vuositasolla 24,1 % ja 73,4 % laskua. Liiketuloksen kate oli 2,2 %, sisältäen IRA‑verohyvityksen vaikutuksen.

Akkuteknologian tulevaisuus

Akkuteknologian ja akkujen hallinnan tulevaisuus pyrkii parannuksiin useilla alueilla. Se tavoittelee parempaa spesifistä energiaa ja energiatehoa (enemmän energiaa per tilavuus/paino), pidempää käyttöikää, vähemmän syttyvyyttä, lyhyempää latausaikaa sekä alennettua tasoitettua energian hintaa (LOCE).

Tutkijat ovat tarkastelleet litiumioniakkujen teknologian kehityskaarta vuosille 2019–2030. He mainitsivat neljä todennäköistä teknologia‑asetelmaa: perinteinen litiumioni, Gr‑Si‑anodi tai Hi‑Ni‑katodi, kiinteän tilan akut ja litium‑rikki/ilma. Luvut viittaavat siihen, että uudet akkuteknologiat tulevat ohittamaan perinteisen litiumionin seuraavalla vuosikymmenellä.

Uusien akkuteknologioiden nousu pakottaisi tarkastelemaan katodi- ja anodimateriaalien valintaa uudelleen. Esimerkiksi LFP‑katodilla varustetulla akulla on alhaisempi energiateho kuin NMC‑katodilla. Katodimateriaalin valinta on tärkeää, koska se vaikuttaa merkittävästi täyden solun spesifiseen energiaan.

Anodimateriaalin valinta on myös ratkaisevaa. Anodimateriaali, tyypillisesti grafiitti, tarjoaa tilaa litiumioneille, kun akku on ladattu. Tallennettujen litiumionien määrä liittyy suoraan siihen, kuinka paljon sähköenergiaa varastoituu.

Tutkijat näkevät asteittaisen siirtymän katoditeknologiassa, jossa tyypillinen Ni‑prosentti nousee 50 %:sta kohti 80 % ja 90 % NMC‑ ja NCA‑akuissa. Hi‑Ni‑prosenttisten katodien kapasiteettivaatimusten täyttämiseksi pienen määrän piidioksidia tai puhdasta piitä lisätään grafiittianodeihin, mikä on yhä suositumpaa solunvalmistajien keskuudessa, raportit kertovat.

Viisi uutta akkuteknologiaa, joiden odotetaan uudistavan tulevaisuutta, sisältävät NanoBolt‑litium‑tungsteni‑akut, sinkki‑mangaanidioksidi‑akut, organosilikon‑elektrolyytti‑akut, kultananojohde‑geeli‑elektrolyytti‑akut ja TankTwo String Cell™‑akut.

Esimerkiksi NanoBolt‑litium‑tungsteni‑akut latautuvat nopeammin ja varastoivat enemmän energiaa. Sinkki‑mangaanidioksidi‑akut voivat toimia tehokkaasti vaihtoehtona litium‑ioni‑ ja lyijyakuille, erityisesti suurten energian varastointijärjestelmien tukemisessa kansallisissa sähköverkoissa.

Wisconsin‑Madisonin yliopiston kemian professorit Robert Hamers ja Robert West ovat kehittäneet organosilikonipohjaisia (OS) nestemäisiä liuottimia, joita voidaan insinööröidä molekyylitasolla teollisuuden, sotilas- ja kuluttajaliitin‑akkujen markkinoille.

Kokeillessaan geelejä, jotka eivät ole yhtä syttyviä kuin nesteet, Kalifornian yliopiston Irvine‑yliopiston tutkijat, yrittivät pinnoittaa kultananojohteita mangaanidioksidilla ja sen jälkeen peittää ne elektrolyygelillä.

Vaikka nanojohteet ovat yleensä liian herkkiä käytettäväksi akuissa, nämä ratkaisut ovat kestäviä, ja tutkijat havaitsivat, että syntynyt elektrodi kesti 200 000 sykliä menettämättä kykyään pitää varaus. Tämä verrattuna 6 000 sykleihin perinteisessä akussa.

String Cell™‑akussa oli kokoelma pieniä itsenäisiä itsejärjestäytyviä soluja. Jokainen string‑solu koostui muovikotelosta, jonka päällä oli johtava materiaali, mikä mahdollisti nopean ja helpon kosketuksen muihin. Sisäinen prosessointiyksikkö hallitsi elektrokemiallisen solun yhteyksiä.

EV:n nopean latauksen mahdollistamiseksi akussa olevat pienet pallot poistettiin ja vaihdettiin uudelleenladattuihin soluihin huoltolasilla. Laiturilla solut voitiin ladata hiljaisina aikoina.

Kaikkien näiden ratkaisujen avulla useat akkuläpärit odottavat meitä tulevaisuudessa.