Liikkuvuuden tulevaisuus – Akkujen teknologia

Sähköautojen nousu

Kun Tesla perustettiin vuonna 2003, sähköautojen ajatus nähtiin suurimmaksi osaksi vitsinä. Tuolloin jokainen sähköauto oli käytännössä ylistetty golfauto, jonka akkuun perustuva toimintasäde oli heikko, mukavuus alhainen, koko pieni ja huippunopeus hyvin alhainen.

Tesla Roadster (1^st sukupolvi, kuten uusi versio odotetaan vuonna 2026) muutti täysin tämän käsityksen, tarjoten luksusurheiluauton suorituskyvyn, mikä teki sähköautoista (EV) yhtäkkiä viileitä.

Keskeinen tekijä, joka teki EV:istä yhtäkkiä käyttökelpoisia, oli akkuteknologian kehitys. Aluksi tämä perustui pienille elektroniikkamarkkinoille suunniteltuihin litiumioniakkuihin. Pian kehitettiin omistettuja järjestelmiä, jotka antoivat EV:ille enemmän toimintamatkaa.

Vuodesta 2016 pienestä volyymista sähköautot (EV) ovat nyt eksponentiaalisesti kasvava osa maailmanlaajuista myyntiä, yli 10 miljoonaa sähköautoa myyty vuonna 2022, mikä vastaa 14 % maailmanlaajuisesta myynnistä, ja Kiina sekä Eurooppa johtavat kehitystä.

Maailmanlaajuiset EV-myynti – Lähde: IEA

Silti, näistä edistysaskelista huolimatta, jotkut kysymykset EV:iden omaksumisesta ovat edelleen avoimia. EV-myynti on hidastunut korkean inflaation ja tarpeen vakuuttaa yleisö – ei pelkästään varhaisia omaksujia – vuoksi. Tämä on äskettäin johtanut EV-strategian lykkäämiseen tai perumiseen suurten valmistajien, kuten GM:n, Fordin tai Hondan, toimesta.

Nykyiset rajoitteet

Varhaiset EV-innokkaat olivat iloisia voidessaan käyttää ajoneuvoja, jotka voisivat olla hiilineutraaleja ja edustaa uutta teknologiaa. Vähemmän ympäristötietoiset ostajat ovat edelleen jonkin verran skeptisiä EV:itä kohtaan monista syistä:

• Hinta: Useimmat EV:t maksavat edelleen enemmän kuin niiden ICE (polttomoottori) vastaavat. Korkeammat korkotason nousut voivat tehdä EV:istä liian kalliita monille ihmisille.
• Toimintasäde‑ahdistus: Yksi tapa alentaa EV:n hintaa on valita pienempi akkupaketti. Mutta tällöin lyhyempi toimintasäde tekee pitkistä matkoista vaikeita, ja latausaika voi myös olla pitkä.
• Kylmä sää: Mitä kylmempi ilmasto, sitä haitallisempia akut kokevat. Useimpien EV:iden täytyy olla latauksessa talviöisinä, jos ne eivät ole lämpimässä autotallissa. Lisäksi kylmä vähentää teoreettista toimintasädettä.
• Latausinfrastruktuuri: Kerrostaloasujat saattavat kokea vaikeaksi ladata EV:itä, jos julkisia latausasemia ei ole riittävästi. Pitkät jonot, hidas lataus tai lähistöllä ei ole asemia voivat tehdä kokemuksesta huonon.
• Akun turvallisuus ja kestävyys: Litiumioniakut sisältävät paljon energiaa. Akun elektrolyytit ovat erittäin syttyviä. Tämä tekee akuista mahdollisen turvallisuusriskin, erityisesti suljetuissa ympäristöissä kuten maanalaisessa pysäköintihallissa. Ei että ICE‑autot olisivat ei‑syttyviä, mutta se on silti huolenaihe.
• Sähköverkko: Vaikka se ei ole suoraan EV-ostajien huolenaihe, se voi muodostua ongelmaksi koko alalle. Sähköverkot ovat jo jonkin verran kuormittuneita, eivätkä välttämättä kestä miljoonien ajoneuvojen latausvaatimuksia. Myös sähkön lähde on ongelma, sillä suuri osa siitä tulee fossiilisista polttoaineista, mukaan lukien kivihiili.

Useimmat nykyisten EV:iden ongelmat voidaan ratkaista paremmilla akuilla. Hidas lataus, liian lyhyt toimintasäde, turvallisuusongelmat, kylmän herkkyys ja jopa hinta ovat kaikki nykyisten litiumioniakkujen ominaisuuksia.

Tutkijat ja teollisuuden johtajat työskentelevät ahkerasti näiden puutteiden ratkaisemiseksi, joko parantamalla olemassa olevaa suunnittelua tai keksimällä täysin uusia tapoja rakentaa akkuja.

Kaiken kaikkiaan tiheämmät akut tarkoittavat edullisempia, turvallisempia akkuja, jotka myös kestävät pidempään ja latautuvat nopeammin.

Litiumakkujen parantaminen

Ensimmäinen askel on parantaa olemassa olevia akkuja ja hyödyntää tämän teknologian laajaa tietämystä ja kokemusta. Jotkut tutkijat näkevät nykyisen sukupolven akkujen edelleen voivan kehittyä inkrementaalisesti vuoteen 2030: “Litiumioniakkujen näkymät ja niiden jälkeen – 2030‑visio”.

Ensimmäinen osa on parantaa akun katodia , joka on nykyään pääosin valmistettu litiumista ja nikkelistä litiumioniakuissa. Syvempi ymmärrys kiteisestä rakenteesta ja kemiallisista muutoksista akun ikääntyessä voisi parantaa kaikkia akkujen ominaisuuksia.

Anodit, jotka nykyään on valmistettu grafiitista, voitaisiin korvata 5–10‑kerran energiapitoisemmalla piillä tai piidioksidilla. Tämä on tähän mennessä ollut vaikeaa, koska piianodit “ikääntyvät” liian nopeasti. Grafiitti‑piiseokset ovat jo yleistymässä, ja ne voisivat auttaa lisäämään akkujen kokonaisenergiaa.

Aunan ja katodin yhdistävien elektrolyyttien muuttaminen voisi myös auttaa. Uudet nestemäiset liuottimet, tiheämmät elektrolyytit tai ehkä jopa geelimäiset elektrolyytit voisivat parantaa turvallisuusprofiilia ja lisätä akkujen tiheyttä.

Lopuksi, parempi muotoilu on vaihtoehto optimoida akkujen ja EV:iden välistä suhdetta. Monet EV-valmistajat alkavat käyttää niin kutsuttuja rakenteellisia akkuja, jotka toimivat sekä energian varastona että ajoneuvon rakenteellisina osina. Tämä voi vähentää kokonaispainoa, mikä lisää tehokkuutta ja toimintasädettä. Rolls‑Royce, Tesla ja Volvo työskentelevät jo tämän idean parissa, mikä voisi lisätä toimintasädettä 16 %.

Kiinteän tilan akut

Pitkään teoreettisena ja hitaasti laboratoriossa todellisuudeksi toteutettuja, kiinteän tilan akkuja kuvataan usein akkuteknologian pyhänä graalin.

Idea on poistaa kokonaan nestemäisten elektrolyyttien tarve, mikä vähentää merkittävästi akun painoa ja nostaa sen tiheyttä dramaattisesti. Palovaarallisen elektrolyytin poistaminen tekee akusta paljon turvallisemman. Elektrolyytin poistaminen yksinkertaistaa myös tuotantoprosessia; poistamalla jopa 3 viikkoa valmistuslinjasta.

Lopuksi tällaiset rakenteet lupaavat lähes täyden latauksen 3–5 minuutissa, eli suunnilleen samassa ajassa kuin bensiiniauton tankkaus.

Monet yritykset puhuvat omien kiinteän tilan akkuversioidensa lanseeraamisesta jo vuosina 2026–2029. Näihin kuuluvat QuantumScape (QS), CATL (300750.SZ), Toyota (TM), Panasonic (6752.T), LG (051910.KS) ja Samsung SDI (006400.KS). Tällä hetkellä Tesla (TSLA) työskentelee omassa kiinteän tilan akkuun vaihtoehdossaan, 4680‑akullisissa soluissa, jotka perustuvat litiumioni‑tekniikkaan.

Kiinteän tilan akkujen ongelmat

Kiinteän tilan akkujen kehitystä on vaivannut vaikeudet siirtää laboratorioprototyypit massatuotannoksi. Luotettava, automatisoitu ja edullinen tuotanto on yhä kehitteillä, ja kiinteän tilan akkujen markkinoille saapumisen aikataulu on todennäköisesti parhaimmillaan vuosina 2026–2028.

Lähde: Vertex Holdings

Lopuksi kiinteän tilan akut käyttävät paljon enemmän litiumia kuin nykyiset litiumioniakut, mikä saattaa aiheuttaa litiumin hinnan jälleen nousun, kuten vuonna 2022, jolloin hinta nousi 10‑kertaiseksi kahdessa vuodessa. Kierrätys voi myös olla vaikeaa.

“Tiivistetyt” akut

Ehkä meidän ei tarvitse odottaa kiinteän tilan akkuja nähdäksesi erittäin korkean tiheyden akkuja. CATL on ilmoittanut luoneensa “tiivistetyn aineen” akun, joka pystyy saavuttamaan 500 Wh/kg. Yritys väittää myös mahdollisuutta toteuttaa massatuotanto lyhyessä ajassa, mikä johtuen alan johtajasta eikä pienestä startupista, on todennäköisesti uskottavaa.

Tämä on tiheystaso, jonka aiemmin uskottiin saavutettavan vain kiinteän tilan akkuilla. Se on myös taso, joka vaaditaan, jotta voitaisiin alkaa harkita sähköisiä lentokoneita ja muita sovelluksia, jotka tähän mennessä ovat olleet mahdottomia sähköistää.

Vaihtoehtoiset akkukemiat

On monia mahdollisia vaihtoehtoja litiumioniakuille akkujen valmistamisessa. Mutta vain muutama akkukemia tarjoaa oikean yhdistelmän keveyttä, korkeaa tiheyttä ja turvallisuutta, jotta se soveltuu mobiilisovelluksiin.

Pitkällä aikavälillä jotkut näistä vaihtoehtoisista akuista saattavat jopa korvata kalliimmat litiumakut, ainakin hintatietoisessa autoteollisuuden massamarkkinassa.

Liti-rauta (Ferrum)-fosfaattiakut – LFP

LFP‑akut ovat pitkään olleet poissa liikkuvuussovelluksista liian alhaisen energiatehokkuuden vuoksi, yleensä 30–40 % alhaisempi kuin perinteinen litiumioniakku. Tämän kemian uusin versio saavuttaa nyt tiheystason, joka vastaa vanhemman sukupolven litiumioniakkuja, mikä tekee niistä käyttökelpoisia edullisille ajoneuvoille.

Suuri etu LFP:ssä on, että ne eivät vaadi nikkeliä tai kobolttia, jotka molemmat nostavat perinteisten litiumioniakkujen hintaa. Sen sijaan rauta ja fosfaatti ovat runsaita ja halpoja. LFP‑akut kestävät myös todennäköisemmin pidempään, mikä vähentää edelleen akkujärjestelmän kokonaiskustannuksia.

LFP:n johtava valmistaja on kiinalainen CATL (300750.SZ), yhdessä BYD:n (BYDDF) kanssa, vaikka yritys etsii nyt muita vaihtoehtoja säilyttääkseen asemansa maailman puoliskon akkujen valmistajana.

Kuitenkin se ei unohda LFP‑markkinaa elokuun 2023 paljastuksen jälkeen, jossa esiteltiin 700‑kilometrinen LFP‑akku, joka voi ladata 400 km:n toimintasäteen vain 10 minuutissa.

Natruum‑ioni

Koboltin ja nikkelin lisäksi litium on toinen keskeinen kallis resurssi, joka menee litiumioniakkuun. Vertailun vuoksi natrium on erittäin runsas ja halpa, eikä se todennäköisesti joudu säännöllisesti niukkuuteen kuten litium.

Johtava kiinalainen autonvalmistaja, BYD on ilmoittanut aikovansa käyttää natrium‑ioniakkuja uusissa edullisissa malleissaan Dolphin ja Seagull, joista Seagull saattaa maksaa vain 10 000 $, (valitettavasti vain Kiinassa).

Tämä seurasi CATL:n vuonna 2021 ilmoittamaa korkean tiheyden natrium‑ioniakku. Marraskuussa 2023 eurooppalainen Northvolt ilmoitti läpimurron natrium‑ionissa, saavuttaen saman 160 watttituntia kilogrammaa kohti energiatehokkuuden kuin CATL.

Vaikka hieman vähemmän energiatehokas kuin LFP ja paljon vähemmän kuin litiumioni, natrium‑ioni saattaa voittaa massamarkkinan kiitos PALJON halvemman hinnan, mahdollisesti 1/3 nykyisten nikkeliä käyttävien akkujen hinnasta.

Muut kemiat

Vaikka olisi liian pitkä tarkastella kutakin erikseen, on olemassa melko monta muuta potentiaalista kemiaa, jotka saattavat joskus tulla vakaviksi kilpailijoiksi mobiilisovellusten akkuissa. Mutta nämä teknologiat ovat varhaisessa vaiheessa, mikä tekee niiden omaksumisesta EV:issä epätodennäköistä lyhyellä aikavälillä.

Lasiakut

Houkutteleva idea, joka käyttää vain erittäin runsaita materiaaleja, ja jonka toistaminen on toistaiseksi ollut muiden tutkijoiden vaikeaa omissa laboratorioissaan. Mutta kun otetaan huomioon, että tätä ideaa tukee herra Goodenough, litiumioniakun keksijä, sitä ei myöskään pidä hylätä (valitettavasti herra Goodenough kuoli kesällä 2023).

Grafeeniakut

Grafeeni, yksikerroksinen hiiliatomien kerros, on erittäin johtava. Yritys Graphene Manufacturing Group (GMG.V) pyrkii grafeeni/alumiiniakuisiin, jotka voisivat olla tiheämpiä kuin litiumioni, latautua 70‑kertaisesti nopeammin ja kestää 3‑kertaisesti pidempään. Yritys tekee yhteistyötä kaivosjättiläisen (ja grafiittikaivoksen) Rio Tinton kanssa aloittaakseen massatuotannon vuodelle 2025.

Mangaanihydrogeniakut

Nämä akut käyttäisivät magnesiumia litiumin sijasta. Tämän tyyppistä akkua on kuvattu “kvasi‑kiinteän tilan” akuksi, ja se voisi kestää paljon paremmin lämpötiloja jopa -22 °C (‑7 °F).

Litium‑rikkiautot

Nämä akut käyttäisivät litiumia ja rikkiä kalliiden koboltin ja nikkelin sijasta. Jo varhaisessa vaiheessa ne osoittavat poikkeuksellisen korkean energiatehokkuuden. Niitä on kuitenkin vaivannut kestävyysongelmat, ja niiden on kehitettävä huomattavasti kestävämmiksi ollakseen hyvä vaihtoehto nykyisille kemioille.

Lähde: Vertex Holdings

Natrium‑rikkiautot

Nämä akut ovat toistaiseksi rajoittuneet sovelluksiin, joissa akku pidetään korkeassa lämpötilassa (300 °C). Kuitenkin uudet elektrolyytit, jotka estävät rikin liukenemisen, voisivat poistaa tämän vaatimuksen. Näin ollen ne saattavat muodostua uudeksi lähestymistavaksi voimakkaiden ja halpojen akkujen löytämiseksi.

Alumiini‑ioniakut

Tämä teknologia korvaa litiumianodin alumiini‑anodilla. Käyttämällä polymeerikorvausta grafiitille, nämä akut voisivat saavuttaa korkean varastokapasiteetin.

Alumiini‑ilma

Nämä “akut” toimivat kuluttamalla alumiinia kuin polttoainetta, antaen EV:lle, joka käyttää sitä, pidemmän toimintasäteen kuin polttomoottoriajoneuvo (1 600 km per tankki), sekä paljon tiheämmän energiatehokkuuden kuin litiumioni (1 350 W/kg). Tämä tekee siitä myös potentiaalisen sähkölähteen sähköisille lentokoneille.

Kulutettu alumiini voidaan sitten korvata uudella alumiinilla 90 sekunnissa, ja kulunut “polttoaine” kierrätetään. Tämä teknologia voitaisiin myös yhdistää vanhempiin EV:ihin, jolloin ne saisivat lisää toimintasädettä.

Tällä hetkellä tämän teknologian kehityksen suurin rajoite näyttää olevan se, että se ei saa julkista tukea, koska se ei ole todellinen akku, polttokenno tai vetyperusteinen, eikä se täten täytä olemassa olevien vihreiden politiikkojen tukikriteerejä.