Veijo Hänninen

Akkutekniikan kirjo lavenee

Akkutekniikka on vahvan tieteellisen tutkimuksen kohteena. Kiinnostuksen johdattajina ovat kuluttajien suosimat kännykät sekä erilaiset johdottomat työkalut mutta erityisesti ympäristötietoisuuden esiin tuomat sähköautot ja aurinko- ja tuulienergian varastoinnin tarve.

Kuluttajarintamalla kaivataan nopeasti latautuvia ja turvallisia akkuratkaisuja.

Sähkökulkuneuvoissa kaivataan myös turvallisuutta mutta etsitään myös fyysistä keveyttä ja nopeaa latausta.

Sähkön suuren skaalan varastoinnissa kaivataan edullisia materiaaleja eikä tilankäyttö ole niissä niin kriittinen seikka.

Kaikissa näissä tavoitellaan luonnollisesti myös kaupallista kustannustasoa ja vähintään kohtuullista suorituskykyä.

Uusia materiaalikomposiitteja

Tällä hetkellä tutkimusmaailma etsii löytääkseen tapoja korvata kobolttia sisältävät materiaalit useimmiten nikkelillä valmistetuilla katodeilla. Nikkeliä tarjotaan akkuvalmistajille tulevaisuudessa myös suomalaisilta valmistajilta.

Kallista ja vaarallista kobolttia ovat esimerkiksi New Jersey Institute of Technologyn tutkijat onnistuneet hieman vähentämään niin, ettei akun suorituskyky juurikaan heikkene.

Lopulta nikkeli voidaan korvata mangaanilla. Jokainen näistä metalleista on halvempaa, runsaampaa ja turvallisempaa kuin sen edeltäjä. Mutta jostain täytyy tinkiä, koska näillä on kemiallisia ominaisuuksia, jotka lyhentävät akkujen elinikää tai muita tavoiteltavia arvoja.

Tutkijat etsivät uusia ratkaisuja myös elektrodien välillä liikkuvien litiumionien korvaamisella ja elektrolyyteillä, jotka voivat olla halvempia ja mahdollisesti turvallisempia, kuten natriumin, magnesiumin, sinkin tai alumiinin perustuvilla.

Dendriitit kuriin

Litium-ioni akun grafiittianodia pyritään korvaamaan suuremman kapasiteetin antavilla alkalimetalleilla kuten litium tai natrium mutta vahvasti reagoivina ne tuottavat helposti dentriittejä. Cornellin yliopiston tutkijat ovat kokeilleet näiden metallien stabilisointia tinapinnalla anodin ja elektrolyytin välissä.

Kuvassa vasemmalla skannauselektronimikroskoopin kuva natriumelektrodin lähtötilanteesta ja oikealla tinalla suojatusta natriumelektrodista akun testausjakson jälkeen.

Myös nykyaikaisia ohutkalvoratkaisuja elektrodiin liittäen yritetään hillitä dentriittien syntymistä.

Uusin konsti syntyi Rice yliopistossa, jossa tutkijat pistivät hiilinanoputkista muodostetun kalvon ehkäisemään litiummetalliakun dentriittien muodostumista. Sen myötä latausnopeutta voidaan parantaa ja muutenkin hyödyntää litium-metalliseen anodiin perustuvan akun suurempaa kapasiteettia kuin nykyisissä litium-ioni akuissa.

Turvallisuuteen pyritään myös esimerkiksi vaihtamalla elektrolyytti vesi-suola liuokseksi tai tukeutumalla polymeereihin perustuviin elektrolyytteihin.

Monissa laboratorioissa kehitellään myös erilaisia kiinteään elektrolyyttiin perustuvia akkutekniikoita, jolloin akku ei olisi kovin syttymisherkkä.

Korvaaja litiumille

Itse litiumin rajallisen saatavuuden vuoksi myös sille etsitään korvaavia ratkaisuja.

Yksi tutkimusaihe magnesiumakut, jotka onnistuessaan kasvattaisivat kapasiteetin kaksinkertaiseksi nykyisiin litiumioniakkuihin verrattuna.

Magnesiumia on runsaasti luonnossa, se on myrkytön eikä heikkene ilmassa

Myös kalsium on otettu tutkittavaksi vaihtoehdoksi samoin kuin piin ja tinan komposiitti vaihtoehtoina grafiittianodeille. Grafiittiin verrattuna pii-tina nanokomposiitti tarjoaa varauksen kolminkertaistamisen ja vakautta monien lataus-purkausjaksojen ajan.

Uusvanhoja akkuratkaisuja

Oregon State Universityssä kumottiin vuonna 2015 tieteellinen vuosikymmeniä vanha dogmi, että kalium-ioni akku ei voisi olla toimiva ratkaisu. Aiemmin tätä mahdollisuutta tutkittiin 1932.

Nyt havaittiin, että kalium voi kuitenkin toimia grafiitin kanssa kalium-ioni-akussa - löytö, joka voisi olla haastava ja kestävä vaihtoehto laajasti käytetylle litiumioniakulle. Kalium on 880 kertaa runsaampaa maankuoressa kuin litium.

Energiatiheys kalium-ioni-akussa ei ehkä koskaan voi olla suurempi kuin litium-ioni-akuilla mutta ne voivat tarjota pitkän käyttöjaksojen eliniän, korkean tehotiheyden paljon halvemmalla ja on valmis hyödyntämään nykyisiä hiilianodimateriaalien valmistusprosesseja

Edelleen vuonna 2018 Georgia Institute of Technologyn tutkijat löysivät uusia todisteita siitä, että natriumin ja kaliumiin perustuvat akut tarjoavat lupauksen mahdolliseksi vaihtoehdoksi litiumakuille.

Tutkimustyöryhmä tutki, miten kolme erilaista ionia -litium-, natrium- ja kalium reagoivat rauta-sulfidi hiukkasten kanssa.

Kun akut latautuvat ja purkautuvat, ionit reagoivat jatkuvasti ja tunkeutuvat akkuelektrodin muodostaviin hiukkasiin. Tämä reaktioprosessi aiheuttaa suuria määriä muutoksia elektrodin hiukkasiin, usein hajottamalla ne pieniksi paloiksi. Koska natrium- ja kaliumionit ovat suurempia kuin litium, on perinteisesti ajateltu, että ne aiheuttavat merkittävämpää hajoamista, kun ne reagoivat hiukkasten kanssa.

Kokeissa elektronimikroskoopin alla rauta-sulfidi oli stabiilimpi natriumin ja kaliumin kanssa tapahtuvassa reaktiossa kuin litium, mikä viittaa siihen, että natriumiin tai kaliumiin perustuvalla akulla voisi olla paljon pidempi käyttöikä kuin odotettiin.

Litiumakut ovat houkuttelevin vaihtoehto tällä hetkellä, koska niillä on eniten energiatiheyttä. Mahdolliset natrium- ja kaliumakut eivät pärjää tässä suhteessa vaan siinä, että perustuvat tuhat kertaa runsaampiin maa-aineksiin kuin litium. Joten ne voivat olla paljon halvempia tulevaisuudessa, mikä on tärkeää suuren mittakaavan tuuli ja aurinkoenergian varastointiin, arvioivat tutkijat työstään tehtäviä johtopäätöksiä.

Lupaava litium-rikki

Litium-rikki -akut voivat olla tulevaisuuden energianvarastoinnin paketteja, jos niissä saadaan vältettyä kemiallinen ilmiö, mikä vähentää niiden kestävyyttä. Rikki on erittäin runsas, suhteellisen kevyt ja erittäin halpa akkumateriaali.

Drexel yliopiston tutkijat ovat äskettäin kertoneet menetelmästä rikkikatodin valmistamiseksi, joka voisi säilyttää akkujen poikkeuksellisen suorituskyvyn. Tutkijoiden läpimurto on poistanut myös merkittävän esteen, joka on estänyt tällaisen akun elinkelpoisuutta.

Tutkijat ja teknologiateollisuus odottavat Li-S akkujen lopulta korvaavan Li-ionit, koska tämä uusi kemia mahdollistaa teoriassa energiatiheämmät akut. Niiden kapasiteetti voi olla jopa 5-10 -kertainen verrattuna litium-ioni akkuihin.

Ongelmana on, että Li-S -akut eivät ole pystyneet ylläpitämään ylivoimaista kapasiteettiaan muutaman ensimmäisen latauksen jälkeen. Rikki, joka on avaintekijä parantuneen energiatiheyden kannalta, siirtyy pois elektrodista polysulfidien välituotteina, mikä johtaa tämän tärkeän aineosan menetykseen ja suorituskyky haalistuu enempien latausten aikana.

Vuosien ajan tiedemiehet ovat yrittäneet vakauttaa reaktioita litium-rikki akun sisällä pitämällä fyysisesti kurissa näitä polysulfideita, mutta useimmat yritykset ovat aiheuttaneet muita komplikaatioita, kuten akun painon tai kalliiden materiaalien lisäämistä tai monimutkaisten käsittelyvaiheiden lisäämistä.

Mutta Drexelin tutkijoiden uusi lähestymistapa osoittaa, että se voi pitää polysulfideja paikallaan ylläpitäen akun kestoa samalla kun pienennetään kokonaispainoa ja niiden valmistamiseen tarvittava aikaa.

Tutkijat ovat luoneet huokoisen titaanioksidi nanokuitumaton käytettäväksi katodin perusmateriaalina litium-rikki akuissa. Havaittiin, että titaanioksidi-rikki katodi on sekä erittäin johtava että pystyy sitomaan polysulfideja voimakkaiden kemiallisten vuorovaikutusten kautta. Tämä tarkoittaa, että se voi lisätä akun ominaiskapasiteettia ja säilyttäen sen vaikuttavan suorituskyvyn satojen syklien aikana.

Tutkijat osoittivat myös sideaineiden ja virrankeräimen täydellisen eliminoimisen katodipuolelta, mikä vastaa 30 - 50 prosenttia elektrodin painosta. Lisäksi rikkikatodin luominen kestää vain muutaman sekunnin ajan kun nykyinen standarditapa voi viedä aikaa lähes puoli päivää.

Havainnot viittaavat siihen, että nanokuitujen matto on erinomainen alusta rikkikatodille, koska se houkuttelee ja salpaa polysulfidit, jotka syntyvät akun käytön aikana. Pitämällä polysulfidit katodirakenteessa estetään suorituskykyä heikentävä sukkulointi-ilmiö, joka ilmenee, kun ne liukenevat elektrolyyttiliuokseen.

Tämä katodisuunnittelu ei voine ainoastaan auttaa Li-S akkua ylläpitämään energiatiheyttään, vaan myös tekemään sen ilman lisäaineita, jotka lisäävät painoa ja tuotantokustannuksia.

Alumiinin ja elektrolyytin vaihtaen

Syksyllä korealaisen Ulsan National Institute of Science and Technologyn (UNIST) tutkijat esittelivät uuden sähköauton (EV) akkuteknologian, joka on energiatehokkaampi kuin bensiinikäyttöiset moottorit.

Uusi tekniikka mahdollistaa sen, että kuljettajat voivat yksinkertaisesti korvata akkujaan sen sijaan, että niitä ladattaisiin, mikä lopulta helpottaa hidasta latausongelmaa nykyisen EV-akkuteknologian parissa. Se tarjoaa myös kevyitä, suuritehoisia energialähteitä, joilla ei ole palovaaraa tai räjähdysvaaraa.

Tutkimuksissaan ryhmä on kehittänyt uuden tyyppisen alumiini-ilmavirta-akun. Nykyisiin litium-ioni akkuihin verrattuna uusi akku peittoaa sen suuremman energiatiheyden, alhaisempien kustannusten, pidemmän käyttöiän ja paremman turvallisuuden ansiosta.

Alumiini-ilma-akut ovat primäärikennoja, joten niitä ei voida ladata tavanomaisin keinoin. Kun sitä käytetään sähköautoihin, se tuottaa sähköä yksinkertaisesti korvaamalla alumiinilevy ja elektrolyytti.

"Bensiinin energiatehokkuus on 1 700 Wh/kg, kun taas alumiini-ilmavirtausparilla on huomattavasti suuremmat energia-arvot eli 2,500 Wh/kg vaihdettavalla elektrolyytillä ja alumiinilla", toteaa professori Cho. "Tämä tarkoittaa, että yhdellä kilogrammalla alumiinia voimme koota akun, jonka avulla sähköauto voi ajaa jopa 700 kilometriä."

Uusi akku toimii paljolti kuin metalli-ilma akut, koska se tuottaa sähköä hapen reaktiosta ilmassa alumiinin kanssa. Metalli-ilma akut, erityisesti alumiini-ilma akut, ovat kiinnittäneet paljon huomiota seuraavan sukupolven akkuina niiden energiatiheyden vuoksi. Itse asiassa akut, jotka käyttävät alumiinia, kevytmetallia, ovat kevyempiä, halvempia ja kapasiteettia suurempi kuin perinteinen litium-ioni akku.

Vaikka alumiini-ilma-akuilla on yksi kaikkien parien korkeimmista energiatiheyksistä, niitä ei silti käytetä laajalti, koska ongelmat ovat suuria anodikustannuksissa ja sivutuotteiden poistossa käytettäessä perinteisiä elektrolyyttejä.

Professori Cho on ratkaissut tämän ongelman kehittämällä virtauspohjaista alumiini-ilma akkua kennon sivureaktioiden lievittämiseksi, jossa elektrolyyttejä voidaan jatkuvasti kierrättää.

Suuria akkuja jakeluverkkoihin

Virtausakkuja on jo pitkään pidetty todennäköisenä ehdokkaana uusiutuvien energialähteiden tuoton varastoinnille

Virtausakussa energia on varattu elektrolyyttiin, eikä elektrodimateriaaliin kuten tavanomaisissa akuissa. Virtausakussa latautuminen ja purkautuminen tapahtuu kalvon läpi, jonka vastakkaisilla puolilla virtaa varauksenkantajat sisältäviä nesteitä.

Nesteitä voidaan varastoida ladattuna suuriakin määriä joten akku sopii erityisesti kiinteään käyttöön eli sähkönjakeluverkostoon vaihtelevaa aurinko- ja tuulivoimaa varastoimaan.

Redox (pelkistys-hapetus) -tyyppisessä virtausakussa elektrokemialliset komponentit ovat liuenneina elektrolyyttiin. Koska ne käyttävät heterogeenistä elektroninsiirtoa kiinteän tilan diffuusion tai interkalaation sijaan, niitä sopii kutsua pikemminkin polttokennoiksi akkujen sijaan.

Lisäksi virtausakkuja on erilaisina hybrideinä, orgaanisina ja laminaarisen virtauksen tyyppeinä.

Virtausakuissa on tähän asti pitänyt käyttää sellaisia nesteitä, jotka rajoittavat niistä saatavan energian määrä tai vaativat erittäin korkeita lämpötiloja tai erittäin myrkyllisiä tai kalliita kemikaaleja ja materiaaleja.

Vaihtoehdoksi on löydetty muun muassa kinoneja, jotka ovat luonnossa esiintyviä kemikaaleja, jotka ovat osa biologisia prosesseja, kuten fotosynteesi ja soluhengitys.

Nestemäisiä metalleja

Stanfordin tutkijoiden kesällä 2018 julkistama uusi materiaalien yhdistelmä voi auttaa kehittämään virtausakkua, joka sisältää nestemäisen metallin, joka kaksinkertaisti tavanomaisten virtausakkujen maksimijännitteen ja voisi johtaa uusiutuvan energian edulliseen varastointiin käyttäen maapallon runsaita materiaaleja.

Stanfordin tutkijat kokeilivat natriumia ja kaliumia, jotka sekoittuvat nestemäiseksi metalliksi huoneenlämmössä virratessaan elektronin luovuttajalle eli akun negatiiviselle puolelle.

Teoreettisesti tällä nestemäisellä metallilla on vähintään kymmenen kertaa enemmän käytettävissä olevaa energiaa grammaa kohti kuin muissa virtausakkujen negatiivisen puolen virtauksissa. Nestemäisen metallin negatiivisen puolen käyttämiseksi ryhmä löysi myös sopivan kalium- ja alumiinioksidista tehdyn keraamisen kalvon.

Kyseiset kaksi edistystä yhdessä yli kaksinkertaistivat tavanomaisten virtausakkujen maksimijännitteen ja prototyyppi pysyi vakaana tuhansia tunteja.

Natrium-kalium seos on huoneenlämpöinen nestemetalli, joka voi toteuttaa korkeamman jännitteen tuottavan virtausakun. (Image credit: Antonio Baclig)

Marraskuu 2018