Natrium- ja vetykiinteäparistot haastavat litiumin

Litiumioniasta eteenpäin

Kaikkien liikennemuotojen sähköistyessä autoista pian myös kuorma-autoihin, laivoihin ja mahdollisesti lentokoneisiin asti akuista on tullut vuosikymmenen avainteknologia.

Aluksi alaa hallitsi litiumionitekniikka, koska sen valmistamisesta pienelektroniikkaan oli jo kokemusta ja litiumilla on luontaisesti hyvät sähköiset ominaisuudet.

Litiumionitekniikassa on kuitenkin muutamia keskeisiä ongelmia, jotka voivat rajoittaa sen käyttöä:

• Litium on muita metalleja kalliimpaa ja harvinaisempaa, mikä voi rajata sen käytön erittäin suuren energiatiheyden akkuihin tai premium-tuotteisiin.
• Se muodostaa helposti metallidendriittejä, jotka voivat aiheuttaa tuhoisia vikoja ja akkupaloja.
• Sen suorituskyky heikkenee pakkasessa, joten se sopii huonosti kylmiin ilmastoihin ja kiinteään varastointiin kylmillä alueilla.

Näistä syistä tutkijat ja akkuvalmistajat etsivät vaihtoehtoisia kemioita. Yksi vaihtoehto käyttää natriumia, jota on runsaasti ja edullisesti merisuolassa.

Natriumioniakut lähestyvät massatuotantoa, ja alaa johtaa CATL (300750.SZ).

“Kyse ei ole natriumista litiumia vastaan. Tarvitsemme molempia. Tulevaisuuden energianvarastoinnissa saman gigatehtaan pitäisi voida valmistaa sekä litium- että natriumkemiaan perustuvia tuotteita.”

Shirley Meng– Professori molekyylitekniikassa UChicago PME:ssa.

Sekä litium- että natriumioniakkujen odotetaan silti olevan välietappeja kohti parempaa akkutekniikkaa: kiinteän elektrolyytin akkuja.

Kiinteän elektrolyytin tekniikka keskittyi ensin litiumiin, mutta laajenee nyt uusiin suuntiin. Olemme aiemmin käsitelleet esimerkiksi anodittoman, natriumiin perustuvan kiinteän elektrolyytin akun mahdollisuutta.

Uusi tutkimus osoitti, että metastabiilia kiinteää natriumelektrolyyttiä voidaan käyttää akuissa, joiden energiatiheys on suurempi ja suorituskyky säilyy pakkasessakin.

Kalifornian yliopiston, Chicagon yliopiston ja Taiwanin kansallisen tiede- ja teknologiayliopiston tutkijoiden työ julkaistiin Joule-lehdessä¹ nimellä “Metastabiilit natriumin closo-hydridoboraatit paksukatodisiin kiinteän elektrolyytin akkuihin”.

Kiinteäparistojen elektrolyyttien haasteet

Tavanomaisessa akussa katodi ja anodi erotetaan nestemäisellä elektrolyytillä. Se on hyödyllinen mutta raskas ja viallisten akkujen tärkein paloriski.

Kiinteä materiaalikerros tekee akusta tiheämmän ja turvallisemman. Haasteena on kuitenkin pitää elektrolyytti vakaana ja estää sen turpoaminen latauksen ja purkauksen aikana, sillä turpoaminen voi synnyttää halkeamia.

Kiinteillä natriumelektrolyyteillä on lisäksi heikko ionijohtavuus huoneenlämmössä.

Vaihtoehto on natriumhydridoboraatti, jonka ionijohtavuus on erittäin korkea. Sen metastabiili muoto on kuitenkin pystyttävä säilyttämään suuressa akussa.

“Natriumhydridoboraatin metastabiilin rakenteen ionijohtavuus on vähintään kertaluokkaa suurempi kuin kirjallisuudessa raportoitu ja kolmesta neljään kertaluokkaa suurempi kuin lähtöaineella.”

Shirley Meng– Professori molekyylitekniikassa UChicago PME:ssa.

Natriumkiinteäparistojen elektrolyyttien vakauttaminen

Natriumhydridoboraattia sisältävän akun jäähtyessä aine pyrkii vakaaseen rakenteeseen, jossa NaBH4 erottuu Na2B12H12-molekyyleistä.

Korkeassa lämpötilassa esiintyvä metastabiili muoto sekoittaa nämä kaksi kiderakennetta. Natrium liikkuu siinä paljon nopeammin, mikä parantaa akun sähköistä kapasiteettia.

Lähde: Joule

Kun metastabiili materiaali jäähdytetään nopeasti, kide säilyttää rakenteensa eikä palaudu vakaaseen muotoon. Tätä karkaisuksi kutsuttua pikajäähdytystä käytetään yleisesti valmistuksessa, erityisesti teräksen ja muiden metallien metallurgiassa.

Lähde: Joule

Tunnettu tekniikka skaalautuvuuteen

Kemiallisten rakenteiden vakauttaminen karkaisulla tunnettiin jo ennestään, mutta menetelmää ei ollut aiemmin osoitettu kiinteässä elektrolyytissä.

Koska karkaisu on vakiintunut teollinen menetelmä, se voi helpottaa tekniikan skaalaamista ja käyttöönottoa akkuvalmistuksessa.

“Koska tekniikka on jo vakiintunut, pystymme skaalaamaan sitä tulevaisuudessa paremmin.

Jos ehdotetaan täysin uutta menetelmää tai prosesseja pitää muuttaa ja luoda, teollisuus suhtautuu siihen varauksellisemmin.”

Sam Oh – A*STAR Institute of Materials Research and Engineering, Singapore.

Paksu elektrodi & kylmät lämpötilat

Useimmat kiinteän elektrolyytin ratkaisut käyttävät erittäin ohutta katodia kosketuspinnan maksimoimiseksi ja energiaa varastoimattoman “kuolleen” materiaalin vähentämiseksi.

Karkaisu ratkaisee ongelman luomalla pysyviä huokosia, joissa natriumionit voivat liikkua.

“Metastabiilin vaiheen yhdistäminen kloridipohjaisella kiinteällä elektrolyytillä päällystettyyn O3-tyypin katodiin mahdollistaa paksut ja suuren pinta-alakuormituksen katodit, jotka vievät ratkaisun aiempia natriumakkuja pidemmälle.”

Sam Oh – A*STAR Institute of Materials Research and Engineering, Singapore.

Tämä avaa kiinnostavan suunnittelumahdollisuuden: juuri tässä ratkaisussa paksumpi elektrodi parantaa akkua sen sijaan, että heikentäisi sitä.

“Mitä paksumpi katodi on, sitä parempi on akun teoreettinen energiatiheys eli tietylle pinta-alalle varastoituvan energian määrä.”

Sam Oh – A*STAR Institute of Materials Research and Engineering, Singapore.

Katodin suorituskyky säilyi huoneenlämmössä ja pakkasessa. Tämä on selvä etu kylmissä oloissa tavanomaisiin nestemäistä elektrolyyttiä käyttäviin litiumioniakkuihin verrattuna, vaikka järjestelmätason paremmuutta kaupallisiin akkuihin nähden ei ole vielä osoitettu.

Vety varauksenkantajana

Liikenteen ja vihreän energian yhteydessä vedyllä tarkoitetaan yleensä divetyä (H2) ja sen polttamista tai hapettamista moottoreissa tai polttokennoissa.

Vedystä voi tulevaisuudessa tulla myös akkujen keskeinen osa litiumin tai natriumin tilalle. Tällöin käytetään hydridi-ionia (H−).

Koska vety on maailmankaikkeuden yleisin alkuaine, se voisi olla erityisen hyödyllinen täysin sähköistyvässä, vihreään energiaan ja akkuihin nojaavassa maailmassa.

Kiinan tiedeakatemian yliopiston, Kiinan tiede- ja teknologiayliopiston, Jilinin yliopiston sekä katalyysin valtion avainlaboratorion tutkijat esittelivät Nature-lehdessä² kiinteän hydridi-ioniakun nimellä “Huoneenlämmössä ladattava kiinteä hydridi-ioniakku”.

Hydridi-ionit

Akut käyttävät negatiivista varauksenkantajaa elektronien siirtämiseen anodin ja katodin välillä. Teoriassa hydridi-ionit (H−) ovat litiumin ja natriumin kaltaisia kationeja energisempiä, polarisoituvampia ja reaktiivisempia.

Vety on myös pienin atomi ja siten erittäin kevyt, mikä on tärkeää liikenneakuissa.

Tunnetuista eduista huolimatta hydridi-ioneja ei ole käytetty akuissa, koska yksikään elektrolyytti ei ole yhdistänyt riittävän nopeaa ioniliikettä, lämpöstabiilisuutta ja elektrodien yhteensopivuutta.

Johtavuuden yhdistäminen vakauteen

Tutkijat valmistivat uuden ydin-kuori-komposiittihydridin 3CeH₃@BaH₂, jossa ohut BaH₂-kuori ympäröi CeH₃-ytimen. Rakenne yhdistää CeH₃:n suuren hydridi-ionijohtavuuden ja BaH₂:n vakauden.

Komposiitista rakennettiin CeH₂|3CeH₃@BaH₂|NaAlH₄-prototyyppi. Perinteistä vedyn varastointimateriaalia NaAlH₄:ää käytettiin katodin aktiivisena aineena.

Dendriittien poistaminen ikuisesti?

Suuren energiakapasiteetin lisäksi hydridi-ioneilla on toinen etu: metallikationeista poiketen ne eivät muodosta dendriittejä, jotka aiheuttavat oikosulkuja ja tulipaloja lukuisten lataus-purkaussyklien jälkeen.

Tekniikka voisi siksi tarjota turvallisen, tehokkaan ja kestävän energianvarastoinnin.

Se on kuitenkin paljon litium- ja jopa natriumakkuja varhaisempi teknologia, ja rakenteen kestävyyttä on vielä parannettava.

Tutkijat saavuttivat huoneenlämmössä 984 mAh/g:n energiatiheyden, mutta kapasiteetti laski vain 20 syklin jälkeen 402 mAh/g:aan.

Kiinteäparistojen tulevaisuus

Lähivuosina litiumionitekniikka säilynee vihreän energian ja sähköautojen perustana.

Keskipitkällä aikavälillä kiinteän elektrolyytin tai natriumin akut voivat syrjäyttää litiumionit, jos ne saavuttavat riittävän energiatiheyden alemmalla hinnalla.

Kiinteän elektrolyytin akkujen nopea lataus voi myös houkutella sähköautoja vältteleviä kuljettajia ja kaupallisia käyttäjiä.

Kestävyys ja pakkasensieto vaikuttavat kehitykseen. 2030-luvulla rinnakkain voi esiintyä monia akkukemioita, joista osa on erikoistettu kylmien ilmastojen sähköautoihin.

Voit lukea aiheista lisää seuraavista artikkeleistamme:

• • “Ultra-kestävät akut: Miksi seuraavan sukupolven tekniikka kestää vuosikymmeniä, ei vain vuosia”
  • “Honeycomb-akku mahdollisesti päihittää kiinteäparistot”
  • “Liikkuvuuden tulevaisuus – Akku tekniikka”

Vedä selaamaan →

Kiinteän elektrolyytin akkuyhtiö

QuantumScape

Vuonna 2010 perustettu kalifornialainen QuantumScape (QS ) on merkittävä kiinteän elektrolyytin akkujen startup. Se tuli alalle varhain ja toimii riippumattomana suurista valmistajista, kuten CATL (300750.SZ), Samsung ja LG Energy Solution (373220.KS).

QuantumScapen akkujen ainutlaatuinen ja julkistettaessa mullistavana pidetty ominaisuus on anoditon rakenne.

Se mahdollistaa noin 15 minuutin pikalatauksen (10–80 % 45 °C:ssa), ja erotin on syttymätön eikä pala.

Lähde: QuantumScape

Tämä nostaa QuantumScapen akut omaan luokkaansa energiatiheydessä ja latausnopeudessa, selvästi esimerkiksi Teslan (TSLA ) omia ja CATL:n valmistamia akkuja paremmiksi.

Lähde: QuantumScape

Lähde: QuantumScape

Suorituskyvystä huolimatta tuotannon skaalaaminen on viivästynyt. Yhtiö on kuluttanut kassavarojaan, mikä on laimentanut aiempien sijoittajien omistusta ja painanut osakekurssia.

Tilanne alkoi muuttua vuoden 2024 PowerCo-sopimuksen myötä. Volkswagen-konsernin akkuyksikkö sai lisenssin QuantumScape-akkujen suunnitteluun ja massatuotantoon.

Ei-yksinomaisella lisenssillä PowerCo voi valmistaa sähköautoakkuja 40 gigawattituntia vuodessa ja kasvattaa kapasiteetin 80 GWh:iin.

Tuotannon nopea skaalaus liittyy Cobraan, yhtiön seuraavan sukupolven erotinlaitteistoon, joka on läpimurto keramiikan valmistuksessa.

Cobra on tarkoitus integroida tuotantoon vuonna 2025, ja ensimmäisen QuantumScape-akkuja käyttävän valmiin sähköauton odotetaan valmistuvan 2026.

Lähde: QuantumScape

Tämä voi olla käännekohta: 16 vuotta perustamisensa jälkeen lupaava startup voi siirtyä kiinnostavasta aineettomasta omaisuudesta kasvaviin tuloihin yhteistyössä yhden maailman suurimmista autonvalmistajista kanssa.

PowerCo-yhteistyö syveni vuonna 2025: kiinteän elektrolyytin akkuja esiteltiin Ducati-moottoripyörässä, ja PowerCo maksaa seuraavien kahden vuoden aikana enintään 131 miljoonaa dollaria, jos yhteinen skaalaustiimi saavuttaa sovitut tavoitteet.

“Laajennettu sopimus on selvä osoitus yhtiöiden strategisen, teknisen ja taloudellisen yhteistyön syvenemisestä.

Se kuvastaa yhteistä luottamustamme QSE-5:een akkuteollisuutta muuttavana alustana.”

Dr. Siva Sivaram – QuantumScapen toimitusjohtaja.

Sijoittajien on silti varauduttava osakekurssin vaihteluun, mutta tuotekehitystunnelin päässä näkyy nyt valoa.

(Voit myös tarkistaa muut akkuyritykset Yhdysvalloissa ja ulkomailla artikkelissamme Top 10 akkuosaketta sijoitettavaksi).

Viitattu tutkimus

<sup>1. Jin An Sam Oh, et al. Metastabiliset natriumin closo-hydridoboraatit kaikille kiinteäparistoille paksuilla katodeilla. Joule. 102130. 16. syyskuuta 2025. https://www.cell.com/joule/abstract/S2542-4351(25)00311-3 
2. Jirong Cui, et al. Huoneenlämpötilassa ladattava kaikki-kiinteähydridi-ioniparisto. Nature. 17. syyskuuta 2025. https://doi.org/10.1038/s41586-025-09561-3</sup>