Ultra‑kestävät akut: Miksi seuraavan sukupolven tekniikka kestää vuosikymmeniä, ei vain vuosia

Kestävät akut

Kun maailma sähköistyy ja siirtyy uusiutuvaan energiaan, tarve suuremmalle energian varastoinnille kasvaa. Tämä johtuu osittain siirtymisestä sähköautoihin, mutta myös uusiutuvan tuotannon epäsäännöllisyydestä.

Tätä voidaan osittain kompensoida muilla vähähiilisen energian lähteillä, kuten vesivoimalla tai ydinvoimalla, tai ehkä tulevaisuudessa geotermisellä energialla. Silti vihreän energian puolestapuhujat haluaisivat selvästi nähdä edullisen aurinko- (ja tuuli‑) energian olevan energiajärjestelmiemme perusta.

Tämä luo kysyntää akuille, joilla on perustavanlaatuisesti erilaiset ominaisuudet kuin liikkuvuudessa.

Sähköautot tarvitsevat erittäin energiatehokkaita akkuja, jotka ovat riittävän kevyitä ja tilavuudeltaan pieniä, jotta ne mahtuvat auton runkoon. Kestävyys on huolenaihe, mutta niin kauan kuin akku toimii 10–15 vuotta, se todennäköisesti vastaa auton muiden komponenttien kestävyyttä.

Sitä vastoin energian varastointia akkuja ei rajoita paino tai tilavuus yhtä paljon. Ne ovat kuitenkin selvästi kustannusrajoitteisia, koska ne ovat käytännössä lisäkustannus vihreän energian tuotannolle ja sähköverkolle.

Yksi tapa vähentää energian varastoinnin kustannuksia on käyttää litiumia halvempaa materiaalia akun rakentamiseen. Monia vaihtoehtoja harkitaan, kuten aiemmin keskustelimme artikkelissa “Energiavarastojen tulevaisuus – Utility-Scale Battery Tech”: akut, jotka hyödyntävät teknologioita kuten natrium‑ioni, rauta‑ilma, sinkki, merisuola, polymeerit, natrium‑rikkidioksidi tai jopa sulatettu metalli.

Toinen keskeinen tekijä akkujärjestelmän elinkaarikustannusten vähentämisessä on sen kestävyys useita vuosikymmeniä. Amortisoimalla investointi monien vuosien aikana, akun pääomakustannus alenee merkittävästi vuositasolla. Tämä on jotain, mikä hyödyttää energiayhtiöitä, koska ne ovat tottuneet amortisoimaan uudet voimalaitokset 30–50 vuoden aikaväleillä.

Miksi akut epäonnistuvat?

Kuolema dendriiteistä

Ennen kuin rakennamme lähes ikuisesti kestävän akun, meidän on tarkasteltava, miksi useimmat akut menettävät varauksensa ajan myötä tai lakkaavat toimimasta.

Yksi keskeinen tekijä, erityisesti litium‑ioniakuissa, on dendriittien kasvu. Tämä tippukivimäinen rakenne syntyy metallin epäasianmukaisesta kerääntymisestä akkuun ja voi ajan myötä rikkoa katodi‑anodi -erottimen, mikä voi aiheuttaa oikosulun ja katastrofaalisen tulipalon.

Lähde: Nobel Prize

Tämän palovaaran vuoksi dendriitit ovat erityisen vakava ongelma energiayhtiöille, sillä tulipalo yhdessä akkukennossa voi nopeasti levitä lähellä olevaan monimiljardiseen akkuparkkiin. Siksi ihanteellisessa kestävyyteen suunnitellussa akkuteknologiassa tulisi olla lähes ei riskiä dendriittien muodostumiselle.

On myös huomattava, että vaikka dendriiteistä puhutaan enimmäkseen litium‑ioniakuissa, tämä on yleinen ongelma useimmissa metallisia anodi- ja/tai katodimateriaaleja käyttävissä akuissa.

Varauksen menetyminen

Toinen tapa, jolla akut voivat epäonnistua, on niiden varastointikapasiteetin hitaasti heikkeneminen. Tämä johtuu yleensä siitä, että elektrodissa käytetty metalli kerääntyy hitaasti muotoon, jota ei voida muuttaa takaisin hyödylliseksi.

Lähde: EnergSoft

Muita syitä voivat olla pienet halkeamat, jotka syntyvät mekaanisesta ja lämpöstressistä, rakenteellisen eheyden heikkeneminen, ei-toivottujen kerrostumien kertymä jne.

Lähde: EnergSoft

Mitä alttiimpi akkuteknologia on tälle hitaalle heikentymiselle, sitä enemmän kokonaisvaraus laskee, mikä vähitellen tekee akusta käyttökelvottoman. Lisäksi heikentyneet akut pitävät varauksen huonommin ja hukkaavat enemmän varastoitua energiaa, mikä tekee niistä entistä vähemmän kannattavia.

Siksi ihanteellinen akkuteknologia ei olisi altis sen koostumuksen hitaalle heikentymiselle, tai se voitaisiin säännöllisesti palauttaa alkuperäiseen kuntoon ilman koko järjestelmän kierrättämistä.

Jos haluat oppia tarkemmin, miten akut heikkenevät, voit myös katsoa tämän 22‑minuuttisen videon:

Syklien elinikä

Akun kestävyys voi olla monimutkainen mittari. Esimerkiksi useimmat sähköautojen akkujärjestelmät mitataan yleensä kilometriä kohden, eli kuinka pitkälle sähköautoja voidaan ajaa ennen kuin tarvitaan uusi akkupaketti.

Toinen mittaustapa on lataus‑purkaussyklien määrä, jonka jälkeen akku menettää merkittävän osan kokonaisvarauksestaan. Energian varastoinnissa odotetaan säännöllistä lataus‑purkasykliä, jopa 1–3 kertaa päivässä.

Lopuksi, kuinka kauan varaus voidaan pitää, on myös tärkeä kysymys, sillä useimmat akut menettävät hieman varauksestaan päivittäin. Samaan aikaan tuuli voi lakata puhaltamasta viikkoja, ja talvipäivät ovat vähiten aurinkoisia ja kuluttavat eniten energiaa, erityisesti kylmissä ilmastoissa. Siten teoriassa akku, joka pystyy säilyttämään energian viikkoja tai jopa kuukausia ilman merkittävää häviötä, olisi ihanteellinen vaihtoehto.

Lämpötilankestävyys

Useimmat akkuteknologiat ovat hyvin herkkiä kylmälle, erityisesti pakkaselle. Koska suurimittainen energian varastointi tapahtuu todennäköisesti ulkotiloissa lähellä voimalaitosta, tämä voi olla vakava ongelma kylmissä ilmastoissa talvella. Jos merkittävä osa varastoidusta energiasta kuluu akkujen lämmittämiseen, se voi merkittävästi heikentää näiden akkujen käyttöekonomiaa.

Erittäin kestävät akkuteknologiat

Hunajakennoakut

Vaikka lopulta vaihtoehtoiset kemialliset ratkaisut olisivat voittajia täysin uusiutuvaan energiaan perustuvassa sähköverkossa, akkuvalmistajat etsivät myös keinoja tehdä nykyisestä teknologiasta kestävämpää.

Yksi tällainen esimerkki on CATL:n (300750.SZ) hunajakennoakut. Akkujätti CATL, joka tuottaa yli puolet maailman akuista, panostaa voimakkaasti tähän teknologiaan. Se vaikuttaa osittain perustuvan ideaan, joka esiteltiin jo vuonna 2020 julkaistussa tieteellisessä artikkelissa “Venytettävä litium‑ioniakku, joka perustuu uuteen mikro‑hunajakenno-rakenteeseen”.

Lähde: Phys.org

Vuoden 2021 tieteellisestä artikkelista voimme oppia hunajakennojen keskeisiä etuja, erityisesti alhaisen tiheyden ja korkean poikittaisen puristus- ja leikkausominaisuuden (materiaalien vastus voimille, jotka vaikuttavat rinnakkain mutta vastakkaisiin suuntiin).

Tämä muutos akun fyysisessä kokoonpanossa pitää materiaalin oikeassa paikassa, välttäen halkeamia ja supistumista latauksen aikana.

Vaikka ei ole selvää, miten CATL sen toteutti, jotkut näistä menetelmistä ovat tunnettuja; esimerkiksi peräkkäiset lämpö- ja kemialliset käsittelyt hiilen ja happojen kanssa voivat luoda nano‑hunajakenno-rakenteen.

Lähde: Chemistry Europe

Lähde: Chemistry Europe

Kaiken kaikkiaan hunajakennoakun rakenne näyttää estävän halkeamien ja dendriittien muodostumisen, luoden erittäin kestävän akun, samalla kun se perustuu hyvin tunnettuihin litium‑ioni- ja LFP‑ (litium‑rauta‑fosfaatti) akkuteknologioihin.

Se todennäköisesti on CATL:n uuden tuotteen, TENER‑kontitettu LFP‑akkujärjestelmä, ydin, joka on osoittanut nolladegradaatiota kapasiteetissa täyden viiden vuoden toiminnan jälkeen.

TENER alkaa nyt kaupallistua CATL:n toimesta energiayhtiöille.

Lähde: Sustainability Environment

Kiinteän tilan akut

Kemiallisen muokkauksen lisäksi myös akkujen rakennustapaa voidaan muuttaa, jotta saadaan tiheämpiä ja kestävämpiä akkuja.

Tämä on kiinteän tilan akkujen idea, joissa nestemäinen elektrolyytti useimmissa akkuissa korvataan kiinteällä metallikerroksella. Teoriassa niiden tulisi olla energiatehokkaimpia, vaikka eivät välttämättä ole halvimpia.

Viime aikoihin tämä on ollut vaikea toteuttaa mittakaavassa, koska se vaatii täydellistä kosketusta metallikerrosten välillä. Mekaaninen liike latauksen ja purkauksen aikana johtaa usein halkeamien muodostumiseen.

Lähde: Flash Battery

Kuitenkin useiden yritysten viimeaikaiset kehitykset kuten QuantumScape (QS ), Toyota (TM ), Samsung SDI (006400.KS) tai Hyundai (HYMTF) akkuhallit ja massatuotanto vuosille 2028–2030 osoittavat, että teknologia on nyt kypsymässä.

Teoriassa hyvin kehittyneet kiinteän tilan akut voisivat vähitellen korvata kaikki litium‑ioni-, LFP- ja jopa natrium‑ioniakut sähköautoissa.

Niiden lopullinen hinta on vielä nähtävissä, kun ne tuotetaan mittakaavassa, jotta voidaan arvioida, ovatko ne riittävän edullisia verkon energian varastointisovelluksiin. Mahdollisesti erityiset konseptit kuten anodi‑vapaat natrium‑kiinteän tilan akut voisivat hoitaa tämän tehtävän, koska ne välttäisivät kalliin litiummetallin käytön.

(Voit oppia lisää sijoitusmahdollisuuksista tässä teknologiassa artikkelista “5 parasta kiinteän tilan akkuosaketta, joita kannattaa seurata tai ostaa”).

Sinkkiakut

Koska sinkki on erittäin halpa ja runsas metalli, sitä on käytetty pitkään kertakäyttöakuissa. Uudelleenkäytettävät akut voidaan myös rakentaa sinkistä, erityisesti sinkkipohjaisista vesipohjaisista akuista (ZAB).

Se on kuitenkin suunnittelu, jota on vaivannut dendriittien muodostuminen, parasittinen vedyn kehitysreaktio (HER) ja pinnan korroosiopassivointi, mikä vähentää sen hyödyllisyyttä merkittävästi.

Tämä on muuttumassa kiitos uuden tutkimuksen, joka on tehty Münchenin teknillisessä yliopistossa¹. He käyttivät huokostettua orgaanista polymeeriä nimeltä TpBD-2F. Tämä materiaali muodostaa vakaan, erittäin ohut ja hyvin järjestäytyneen kalvon sinkki‑anodille, jolloin sinkk ionit kulkeutuvat tehokkaasti nanokanavien läpi samalla kun vesi pidetään poissa anodista.

Lähde: Advanced Energy Materials

Kokoon rakennetut täyden kennot (Zn‑ioni‑kondensaattorit) tarjoavat erittäin pitkän syklieliniän, yli 100 000 sykliä, hämmästyttävän kestävyyden, lähes täydellisen dendriittien muodostumisen estämisen sekä HER‑ ja korroosion puuttumisen ansiosta.

Sinkkiakkujen lisäksi tutkijat uskovat, että tätä konseptia voitaisiin laajentaa muihin metallianodeihin: litium, natrium, kalium, alumiini jne.

TAQ‑polymeeri- ja natrium‑ioniakut

Polymeeri (hiili) ja natrium litiumin sijaan voivat olla loistava tapa vähentää akun raaka-aineiden hintaa. Tämä on se, mitä MIT:n tutkijat yhdistivät TAQ‑natrium‑ioniakussaan.

Alkuperäisissä testeissä se suoritti 2 000 lataus‑purkasykliä ilman näkyvää heikkenemistä, samalla kun se tarjosi korkeamman energiatehokkuuden kuin litium‑akut ja ultra‑nopean 6‑minuutin latauksen.

Tämä osoittaa, että lopulta akkutekniikka, joka todennäköisesti voittaa kilpailun erittäin kestävistä akuista, ei välttämättä ole vain samaa jatkoa, vaan radikaali uudelleenarviointi siitä, mitä materiaaleja voidaan käyttää akussa, ja halvat sekä runsaat elementit kuten hiili ja natrium ovat hyviä ehdokkaita.

Sulavat metalliakut

Useimmat akkukäsitteet perustuvat elektronien siirtoon kiinteän metallin atomien yhdestä oksidointitilasta toiseen. Näissä anodi- ja katodiosat on erotettava täydellisesti oikosulkujen välttämiseksi.

Mitä enemmän metallia ja vähemmän nestemäisiä osia kuten elektrolyyttejä, sitä parempi, kuten kiinteän tilan akuissa, tai näin suuntautuu suurin osa akkuindustriasta.

Laajentamalla radikaalisti sitä, mitä voidaan pitää akkujen, sulavat metalliakut tekevät päinvastaista: kaikki kolme pääkomponenttia, anodi, katodi ja elektrolyytti, ovat nestemäisiä.

Ne erottuvat itsestään toistensa erilaisten nestemäisten tiheyksien ansiosta. Se, että kiinteitä komponentteja ei ole, pitäisi teoriassa lisätä akun käyttöikää dramaattisesti, sekä mahdollistaa erittäin nopean latauksen ja purkamisen ja täyden kierrätettävyyden.

Lähde: Ambri

Bill Gatesin tukema yritys Ambri, joka käyttää kalsium‑ ja antimyybiksen akkua, on ollut tämän teknologian edelläkävijä. Se suunnitteli Tuottaa 200 000 akkunkennoa vuodessa uudessa tehtaassaan vuoteen 2024 mennessä.

Tämä ei kuitenkaan toteutunut, koska yritys kävi varat loppuun ennen kuin se pystyi skaalaamaan tuotantoa. Se on sen jälkeen noussut Chapter 11 -konkurssista kesällä 2024, ja sitä johtaa edelleen perustaja Dr. David Bradwell toimitusjohtajana.

Odotamme innolla voidaksemme tarjota ainutlaatuista, turvallista ja edullista kaupallista tuotettamme asiakkaillemme mittakaavassa, vastataksemme vahvaan asiakaskysyntään akkujärjestelmiimme ja puhtaampaan energiatulevaisuuteen.

Kun aloitamme tämän uuden alun vahvemmalla taseella ja uudella pääomalla, keskitymme asettamaan Ambrin johtavaksi toimijaksi pitkäkestoisen energian varastointimarkkinassa sidosryhmien hyödyksi.

David Bradwell

Joten Ambri ei ole vielä kuollut, eikä se ole ainoa yritys, joka työskentelee sulavien metallien akkujen parissa. Japanilainen NGK‑eriste (NGKIF) työskentelee myös natrium‑rikkisulfaattisalpa‑akulla, ja yritys Horien kehittää natrium‑nikkeli‑kloridi‑akkua.

Molemmat yritysten tuotteet ovat jo kaupallistettuja ja niiden arvioitu käyttöikä on yli 20 vuotta.

Lämpö‑ / termiset akut

Laajentamalla akkujen määritelmää sähkövarastoinnista pelkästään mihin tahansa energian varastointiin, lämpöakut varastoivat vihreää energiaa lämmön muodossa elektrokemiallisen energian sijaan.

Tämä voi tuoda useita tärkeitä etuja “normaaleihin” akkuihin:

• Lämmön säilyminen useiden kuukausien ajan on täysin toteutettavissa riittävällä eristyksellä, kun taas kemialliset akut vuotavat aina enemmän energiaa päivittäin.
• Suurin osa lämmön säilyttävästä materiaalista voidaan kierrättää satoja tuhansia kertoja ilman merkittävää heikentymistä.
• Käytetyt materiaalit ovat halpoja ja runsaita, kuten esimerkiksi hiekka tai puhdas hiili.

Halpojen materiaalien, lähes nolladegradaation vuosikymmenten aikana ja monikuukausisen energian säilyvyyden yhdistelmä tekee lämpöakuista hyvän ehdokkaan.

Useimmiten yksityiset yritykset tutkivat tätä ideaa, erityisesti suomalainen yritys Polar Night Energy, joka varastoi ylimääräistä energiaa kesästä talveen käyttäen vain matalan laadun hiekkaa ja hieman metallia runkoon ja putkistoon.

Lähde: Polar Night Energy

Samankaltainen lämpöakku on suunniteltu Rondo Energy -yrityksen toimesta, jossa keramiikkitiilet voidaan lämmittää jopa 1500 °C, ja lämpöä hyödynnetään teollisuusprosesseissa kuten sementin tai teräksen tuotannossa.

Lähde: Rondo Energy

Kaiken kaikkiaan tämä voi olla loistava vaihtoehto hiilidioksidipäästöjen vähentämiseen sektoreilla, jotka edelleen kuluttavat paljon fossiilisia polttoaineita, kuten raskas teollisuus ja asuntojen talvinen lämmitys. Erityisesti, koska suunnittelu voi auttaa varastoimaan energiaa aurinkoisesta kesästä pilviselle talvelle.

Varastoitu lämpö voidaan jopa muuntaa takaisin sähköksi termofotovoltaikkosolujen avulla, kun University of Michiganin tutkijat ovat kehittäneet soluja, jotka saavuttivat ennätys 44 % tehokkuuden².

Lähde: Design Boom

Yhteenveto

Sähköverkkojen ja kotien akkujärjestelmät tulevat todennäköisesti olemaan vähemmän riippuvaisia nykyisestä litium‑ioni‑teknologiasta ja enemmän halvempiin ja kestävämpiin teknologioihin, vaikka ne olisivat vähemmän energiatehokkaita. Tällä hetkellä massakaupallistukseen valmiita ovat kehittyneet hunajakenno‑rakenteiset LFP- ja natrium‑ioniakut.

Pitkällä aikavälillä sekoitukseen lisätään todennäköisesti eksoottisempia ratkaisuja, kuten sulavia metallia, sinkkiä, polymeerejä tai lämpöakuja. Lopulta kestävyys, materiaalien hinta ja valmistuskustannukset tulevat todennäköisesti määrittämään, mikä on ultra‑kestävän energian varastoinnin “lopullinen ratkaisu”.

Siis, jos kiinteän tilan akut eivät osoitu tarpeeksi edullisiksi valloittaakseen koko energian varastointimarkkinan, mikä on merkittävä mahdollisuus.

Erittäin Kestävä Akkuyritys

QuantumScape

Vuodesta 2010 lähtien kalifornialainen QuantumScape on ollut merkittävä startup kiinteän tilan akkujen alalla, huomattava varhaisen aloituksen ja riippumattomuuden ansiosta suuremmista akkuvalmistajista, jotka myös kehittävät kiinteän tilan teknologiaa, kuten CATL (300750.SZ), Samsung tai LG Energy Solution (373220.KS).

Lähde: QuantumScape

Yksi QuantumScape‑akkujen ainutlaatuinen ominaisuus, jota pidettiin tuolloin vallankumouksellisena, on anodi‑vapaat rakenne. Se mahdollistaa noin 15‑minuutin nopean latauksen (10‑80 % 45 °C:ssa) ja erotin on palamaton ja palamattomuus.

Lähde: QuantumScape

Tämä asettaa QuantumScape‑akut omaan sarjaansa energiatehokkuuden ja latausnopeuden osalta, ylittäen massiivisesti johtajat kuten Tesla (TSLA ) (sekä oma suunnittelu että CATL:n valmistamat).

Lähde: QuantumScape

Kuitenkin nämä merkittävät suorituskyvyt ovat säännöllisesti hidastuneet tuotannon skaalaamisongelman takia. Se on myös pakottanut yrityksen kuluttamaan kassavarat, mikä on johtanut aikaisempien sijoittajien laimennukseen ja osakekurssien laskuun.

Tämä näyttää muuttuvan vuoden 2024 sopimuksen PowerCon kanssa, Volkswagen‑ryhmän akkuosaston, lisenssisopimuksen myötä QuantumScape‑akkujen suunnittelun ja massatuotannon osalta PowerColta.

Ei-yksinomaisen lisenssisopimuksen puitteissa PowerCo voi valmistaa jopa 40 gigawattituntia vuodessa sähköautojen akkuja, mahdollisuudella laajentaa 80 GWh:iin vuodessa.

QuantumScape‑tuotannon äkillinen skaalaus näyttää liittyvän Cobraan, yrityksen seuraavan sukupolven kiinteän tilan akkujen erotinlaitteeseen, joka on läpimurto keramiikkavalmistuksessa.

Kaiken kaikkiaan Cobran odotetaan integroituvan tuotantoon vuonna 2025, ja ensimmäinen valmis sähköauto, jossa käytetään QuantumScape‑akuja, tulisi valmistua vuonna 2026.

Lähde: QuantumScape

Tämä voi olla käännekohta yritykselle, joka 16 vuotta perustamisen jälkeen siirtyy lupaavasta startupista, jolla on mielenkiintoista immateriaalioikeutta, kasvaviin tuloihin yhteistyön kautta yhden maailman suurimman autonvalmistajan kanssa.

Sillä välin sijoittajien tulisi edelleen odottaa osakekurssin volatiliteettia, mutta tuotteen kehitystunnelin lopussa on valoa.

Uusimmat tiedot QuantumScapesta

Tutkimusviite:

^{1. Da Lei, et al, (2024) Ion-Transport Kinetics and Interface Stability Augmentation of Zinc Anodes Based on Fluorinated Covalent Organic Framework Thin Films. Advanced Energy Materials. 13 lokakuu 2024}

^{2. Bosun Roy-Layinde, et al. (2024) High-efficiency air-bridge thermophotovoltaic cells. Joule. Volyymi 8, Numero 7, s.2135-2145. 17. heinäkuuta 2024.}