Työ jatkuu kiinteän tilan akkujen parissa, kun tutkijat keskittyvät olennaiseen

Kiinteän tilan akut, joita käytetään älypuhelimissa, sähkötyökaluissa ja sähköautoissa, eroavat litiumioniakuista elektrolyyttien käytön osalta. Litiumioniakussa käytetään nestemäistä elektrolyyttiä, kun taas kiinteän tilan akussa käytetään kiinteää elektrolyyttiä. 

Litiumioniakuissa on erotin, joka pitää katodin ja anodin erillään. Kiinteän tilan akuissa kiinteä elektrolyytti toimii myös erottimena. 

Vaikka nämä ovat vain erottavia piirteitä, tieteellinen ja teknologinen yhteisö kehitti kiinteän tilan akkuja, koska ne tarjoavat parantunutta vakautta kiinteän rakenteen ja lisääntyneen turvallisuuden ansiosta. Niiden kehittämistä jatketaan, sillä nämä akut säilyttävät muotonsa, vaikka elektrolyytti vahingoittuisi.

Kiinteän tilan akku tarjoaa korkeamman energian tiheyden eikä juuri aiheuta räjähdys- tai tulipalon riskiä. Koska se ei tarvitse erillisiä turvakomponentteja, enemmän tilaa on käytettävissä aktiivisten materiaalien sijoittamiseen, mikä lisää akun kapasiteettia. Parannettu energian tiheys myös varmistaa, että akkujen tarve pysyy alhaisena, mikä johtaa optimaaliseksi EV‑akun järjestelmäksi moduulille ja pakille. 

Näiden etujen vuoksi markkina-asiantuntijat uskovat, että kiinteän tilan akut tulevat olemaan pelin muuttajia, jotka saavat sähköautot kilpailemaan polttomoottoriautojen kanssa ja lopulta johtamaan kilpailussa. Tämä ei kuitenkaan estä tutkijoita tutkimasta, miten kiinteän tilan akkuja voitaisiin tehdä hyödyllisemmiksi. Yhdessä tällaisessa tutkimuksessa tiedemiehet esittivät korkean energian tiheyden ultraohutun litiummetallisen kiinteän tilan akun, jonka mahdollistaa Li2CO3‑kestävä garniittityyppinen kiinteä elektrolyytti. 

Vaikka kaikki tämä saattaa kuulostaa liian tekniseltä, seuraavassa osiossa syvennymme tarkemmin siihen, mitä tutkimus pyrkii saavuttamaan!

Ultraohutun litiummetallisen kiinteän tilan akkualustan mahdollistaminen korkealla vakaudella ja energian tiheydellä

Professori Byoungwoo Kang ja tohtori Abin Kim POSTECHin materiaalitieteen ja -tekniikan laitokta kehittivät kiinteän elektrolyytin, joka mahdollistaa ultraohutun litiummetallisen kiinteän tilan akkualustan korkean vakauden ja energian tiheyden kanssa.

Läpimurto saavutettiin ratkaisemalla yksi kiinteän tilan akkuja koskevista yleisimmistä huolenaiheista. Mikä se ongelma oli, ja miten se voitaisiin ratkaista? Tarkastellaan sitä perusteellisesti alla!

LLZO‑huoli

Garniittityyppinen kiinteä elektrolyytti, jota käytetään kiinteän tilan akuissa ja jota kutsutaan myös nimellä Li7La3Zr2O12 tai LLZO, omaa korkean ionikonduktiivisuuden. Samanaikaisesti se on erittäin reaktiivinen ja muodostaa ilman altistuttaessa saastumiskerroksen (Li2CO3) pinnalleen. Tämä kerros aiheuttaa useita haittoja tai esteitä, kuten resistiivisen esteen muodostuminen kennon rakenteessa, kosketus- ja rajapintojen ominaisuuksien heikentyminen elektrolyyttien ja reaktanttien välillä, jne.

Innovaatio tarttui tähän esteeseen ja käänsi sen ympäri keskittymällä olennaisiin ominaisuuksiin sen sijaan, että haettaisiin ulkoista korjausta. Tutkijat kehittivät ilmankäsiteltävän LLZO‑tekniikan (AH‑LLZO), joka voi samanaikaisesti parantaa LLZO:n pinnan ja sisäiset ominaisuudet sekä estää saastumiskerrosten muodostumisen.

He saavuttivat tavoitteensa kehittämällä uuden hydrofobisen yhdisteen (Li‑Al‑O) sekä materiaalin pinnalle että sisälle. Tämä yhdiste esti saastumisen leviämisen sisäisesti tekemällä kerroksen reagoivan vain ilman kosteuteen.

Tämä kerros ratkaisuna, jossa on parantuneet kosketus- ja kostutettavuusominaisuudet, johti myös ultraohutten litiumkiinteän tilan akkujen kehittämiseen, joiden paksuus on noin kymmenesosa ihmisen hiuksen paksuudesta.

Klikkaa tästä saadaksesi luettelon kymmenestä parhaasta akkuosakkeesta sijoitettavaksi.

Miksi tutkimus katsotaan läpimurrokseksi?

Tulokset ovat johtaneet tilanteeseen, jossa on mahdollista valmistaa ultraohutja litiummetallikerroksia, mikä johtaa vähäiseen anodi‑katodi‑kapasiteettisuhteeseen, noin 0,176 kiinteän tilan akuissa.

Koe mahdollistaa myös merkittävän litiummetallin määrän vähentämisen, mikä pienentää akun kokonaispainoa ja -tilavuutta sekä parantaa energian tiheyttä huomattavasti.

Jos toteutetaan, tutkimus ja sen löydökset mahdollistavat varastoinnin ilmassa ilman erityisiä käsittely- tai tilavaatimuksia. Prosessin yksinkertaistamisen lisäksi innovaatio johtaa garniittityyppisten kiinteiden elektrolyyttien tuotantoon, jotka tarjoavat käytännöllisempaa käyttöä.

Puhuttaessa tulevaisuudesta professori Byoungwoo Kang totesi:

“Jatkamme ultraohutten litiummetallisten kiinteän tilan akkujen kehittämistä, jotka voivat saavuttaa korkean turvallisuuden ja korkean energian tiheyden.”

Tutkimus osoittaa, että keskittyminen olennaiseen voi auttaa meitä muuntamaan tuotteen heikkoudet vahvuuksiksi. Yritykset ja kaupalliset toimijat investoivat tutkimukseen ja resursseihin tehdäkseen kiinteän tilan akkuja suotuisammiksi ja hyödyllisemmiksi tulevaisuuden ajoneuvoille. Seuraavissa osioissa tarkastelemme näitä yrityksiä ja niiden innovaatioita.

#1. Solid Power

Yksi alalla poikkeuksellista työtä tekevä yritys on Solid Power (SLDP ). Sen kaikki-kiinteän tilan akut tarjoavat korkean energian, parannetun turvallisuuden, pidemmän käyttöiän ja merkittäviä kustannusetuja. 

Se mahdollistaa korkeamankapasiteettisten elektrodien, kuten korkea‑sisältöisen piin ja litiummetallin, käytön samalla kun se parantaa turvallisuusstandardeja poistamalla reaktiiviset ja haihtuvat nestemäiset ja geelimäiset komponentit. 

Tuloksena on akut, jotka kestävät ja toimivat tehokkaasti erittäin kuumissa lämpötiloissa. Yritys väittää, että sen tuotteilla on 15‑35 % kustannusetu litiumioni‑paketteihin verrattuna.

Solid Powerin kaikki-kiinteän tilan akkuvalikoima sisältää kolme päätuotetta: piisähköauton kennot, litiummetallikennot ja konversioreaktiokennot. 

Piisähköauton kenno

Siinä on korkea‑sisältöinen piianodi, mikä johtaa korkeisiin latausnopeuksiin ja alhaisempiin lämpötilakapasiteetteihin. Solid Powerin oma sulfidipohjainen kiinteä elektrolyytti antaa ratkaisulle voiman. Se käyttää teollisuuden standardeja, kaupallisesti kypsiä NMC‑katodeja. 

Litiummetalli

Tuote saa nimensä korkea‑energisistä litiummetallianodeistaan. Sillä on hieman parempi kapasiteetti kuin piisähköauton kennolla, jonka spesifikaatio on 390 Wh/kg, kun taas litiummetallikenno tarjoaa 440 Wh/kg.

Konversioreaktiokenno

Kaikkien Solid Powerin valikoiman tuotteiden joukossa sillä on suurin suorituskykykapasiteetti, 560 Wh/kg. Sen ainutlaatuisuus piilee ultra‑alhaisen kustannuksen ja korkean spesifisen energian konversiotyyppisessä katodissa.

Yhdysvaltain Coloradossa sijaitseva Solid Power uskoo vahvasti akkujensa mullistavaan kapasiteettiin. Se uskoo, että sen kaikki-kiinteän tilan akkukennot täyttävät OEM‑valmistajien volyymi- ja kustannusvaatimukset.

Viimeisimmässä saatavilla olevassa sijoitusdekkissa, yritys (Nasdaq: SLDP) väittää olevansa ainoa julkisesti noteerattu puhdas kiinteän tilan akkujen kehittäjä, joka on tähän mennessä kerännyt 700 miljoonaa Yhdysvaltain dollaria. Yritys menestyy yli vuosikymmenen mittaisella T&D‑investointihistoriallaan, jonka seurauksena on syntynyt lähes 50 globaalia patenttiperhettä ja kolme alaa johtavaa kehityskumppania (BMW, Ford, SK On).

#2. QuantumScape

QuantumScape (QS ), toinen merkittävä toimija alalla, julistaa olevansa tehtävässä ‘muuttaa energian varastointi kiinteän tilan litiummetalliteknologialla.’ Se myös väittää mahdollistavansa ‘korkeamman energian tiheyden, nopeamman latauksen ja parannetun turvallisuuden’ – kolme olennaista peruslaatua, joihin POSTECH‑tutkimuskin keskittyy.

Yksi QuantumScapen merkittävimmistä ominaisuuksista on se, että se on kehittänyt alan ensimmäisen anodi‑vapaan kennon suunnittelun, mikä johtaa korkeaan energian tiheyteen alhaisemmilla materiaalikustannuksilla ja yksinkertaistetulla valmistuksella.

QuantumScapen teknologia-alusta käyttää erilaisia katodikemiaa merkittävästi parantaakseen nykyisten nikkeli‑mangaani‑koboltti (NMC) ja litium‑rauta‑fosfaatti (LFP) -pohjaisten akkujen energian tiheyttä. Niiden pyrkimykset varmistavat optimoinnin monenlaisille energian varastointisovelluksille ja pitävät alan valmiina hyödyntämään tulevia katodikemian kehityksiä.

Toinen yrityksen ainutlaatuinen myyntiväri on sen erottimateriaali, joka on valmistettu keramiasta ja tarjoaa korkean johtavuuden, litiummetallille vakauden, vastustuskyvyn dendriittien muodostumista vastaan sekä alhaisen rajapintavastuksen. Keramiikan käyttö tuo myös lisäturvallisuutta, koska se on palamatonta ja siten turvallisempaa kuin perinteiset polymerierottimet, jotka koostuvat hiilivedyistä ja ovat alttiimpia palamiselle.

QuantumScape pyrkii saavuttamaan 800–1 000 Wh/L tavoitteensa kiinteän tilan litiummetallisilla soluillaan.

Taloudellisesti QuantumScape (NYSE: QS) saa tukea yli 2 miljardia Yhdysvaltain dollaria arvoisista pääomasijoituksista. Sillä on yli 300 patenttia ja patenttihakemusta.

Kiinteän tilan akkujen tulevaisuus

Kiinteän tilan akut eivät ole enää tulevaisuuden teknologiaa, sillä tulevaisuus on jo saapunut. Monet huippuluokan instituutioiden huippututkimukset edistävät niiden kehitystä päivittäin.

Esimerkiksi tammikuussa 2024 Harvardin School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) -tutkijat esittelivät kiinteän tilan akun, jossa on litiummetalli ja joka pystyy suorittamaan 6 000 lataus‑purkaussyklit – merkittävästi enemmän kuin mikään muu markkinoilla oleva pussisolu.

Tutkimus on samankaltainen kuin artikkelimme alussa mainittu, sillä Harvardin tutkijat käsittelivät myös tunnettua ongelmaa dendriittien muodostumisesta anodipinnalle.

Solid Powerin ja QuantumScapen lisäksi, joihin olemme viitanneet, alalla on mukana myös suuria toimijoita. Esimerkiksi lokakuussa 2023 Toyota ja Idemitsu Kosan ilmoittivat yhteistyöstä kiinteän tilan akkujen kehittämiseksi sähköautoille.

Tämän yhteistyön taustalla oleva visio oli vähintäänkin kunnianhimoinen. Lehdistötiedotteessa sanottiin seuraavaa:

Tämän yhteistyön kautta kaksi yritystä, jotka johtavat maailmaa muun muassa kaikki-kiinteän tilan akkujen materiaalikehityksessä, pyrkivät varmistamaan kaikki-kiinteän tilan akkujen menestyksekkään kaupallistamisen vuosina 2027–28 – kuten ilmoitettiin Toyota Technical Workshopissa kesäkuussa 2023 – jonka jälkeen seuraa täysimittainen massatuotanto.

Toinen yritys, joka päätti ottaa suuren harppauksen tällä alalla, oli Honda. Yritys on ollut aktiivinen tällä alalla jo jonkin aikaa. Tammikuussa 2024 Hondan viranomaiset ilmoittivat, että tavoitteena on 50 % painon vähennys – toisin sanoen 50 % energian tiheyden kasvu painoon nähden.

Honda‑toimitusjohtaja Toshihiro Mibe selitti, että jos Honda haluaisi luoda 30 000 dollaria maksavan auton, se voisi harkita kiinteän tilan akkuja, koska akkujen kustannukset laskisivat, toimintasäde kasvaisi ja jäähdytysjärjestelmää voitaisiin yksinkertaistaa.

Kuitenkin maailmanlaajuiset pyrkimykset tehdä kiinteän tilan akkuja kestävämmiksi ja turvallisemmiksi kohtaavat edelleen haasteita. Tavoitteena on optimoida niiden perusominaisuudet, kuten turvallisuus, vakaus, energiatehokkuus ja elektrokemiallinen varastointitehokkuus. Esteitä ovat muun muassa pitkän aikavälin suorituskyvyn elinkelpoisuus, taloudellinen kannattavuus ja tarkka tiettyjen teho-standardeiden täyttäminen.

Jos syvennymme tarkemmin, huomaamme, että haasteisiin kuuluu myös nykyisten kiinteän tilan akkujen (SSB) riittämätön syklausuorituskyky materiaalien hajoamisen vuoksi anodeissa, katodeissa ja elektrolyyteissä. Yhdysvaltain Automotive Research -neuvosto on asettanut akkujen elinikätavoitteeksi 10 vuotta 1 000 sykliä 80 % purkaussyvyydellä.

Mikä estää kiinteän tilan akkuja usein saavuttamasta tätä tavoitetta, on varauskerrosten muodostuminen, mikä johtaa hitaaseen rajapintakinetiikkaan ja korkeaan impedanssiin, sekä dendriittien kasvu, joka aiheuttaa oikosulkuja ja turvallisuusriskejä.

Kuitenkin näihin haasteisiin on ratkaisuja. Valmistajien on keskityttävä tuottamaan korkean energian tiheyden SSB‑akut ja parannuksia. Loppujen lopuksi näillä tuotteilla on korkea lämmönkestävyys, mikä poistaa turvallisuusongelmat jopa yli 200 °C:n lämpötiloissa, kun taas nestemäiset elektrolyytit voivat aiheuttaa uhkia jo yli 70 °C:n lämpötiloissa. Kiinteän tilan elektrolyytit voivat tarjota vuotamattoman toiminnan ja parempaa elektrokemiallista vakautta kuin nestemäiset vastineet.

Kiinteän tilan elektrolyytit ovat myös suositumpia, koska ne voivat vähentää kapasiteetin heikkenemistä ja sisäisiä oikosulkuja. Niiden korkea ionikonduktio ja alhainen elektronikonduktio varmistavat myös, että ajoneuvot latautuvat nopeammin.

QuantumScapen arvioiden mukaan ajoneuvo, joka saa noin 350 mailin (560 km) toimintasäteen yhdellä latauksella käyttäen yhtä nykyisistä huippuluokan perinteisistä litiumioniakuista, joiden energian tiheys on ~700 Wh/L, voisi saavuttaa 400–500 mailin (640–800 km) toimintasäteen QuantumScapen kiinteän tilan soluilla.

Kaiken kaikkiaan kiinteän tilan akut ovat välttämättömiä tulevaisuuden liikkuvuudelle. Niiden tulisi olla tehokkaita, turvallisia, kustannustehokkaita ja pitkäikäisiä.

Klikkaa tästä saadaksesi selville, miksi on kannattavaa ostaa sähköauto nyt, vaikka kiinteän tilan akut ovat horisontissa.