Akkujen aikakausi

Siirryttäessä fossiilisista polttoaineista uusiutuviin energianlähteisiin kaikki mikä on mahdollista sähköistää joko suoraan tai akkujen varaan, kannattaa sähköistää, sanoo VTT:n johtava tutkija ja Suomen akkustrategia -työryhmän jäsen Mikko Pihlatie.

– Päästöttömästi tuotettu uusiutuva sähkö voittaa biopolttoaineet päästöjen vähäisyydessä, mikä tasoittaa myös akun valmistuksen päästöt. Vaikka kaikkia liikkuvia sovelluksia ei vielä pitkään aikaan, tuskin koskaan, pystytä korvaamaan pelkällä sähköllä, akkujen käyttö laajenee vääjäämättä myös meri- ja lentoliikenteeseen.

Akkuun varastoidulla sähköenergialla on useita valtteja vetyteknologiaan ja synteettisiin sähköpolttoaineisiin verrattuna: sähköverkko on lähes kaikkialla, sähköä on helppo siirtää ja sille on valmis infrastruktuuri ja kehittyneet markkinat. 

– Lisäksi sähkön energiatehokkuus on suoraan sähkönä käytettynä vähintään kaksinkertainen verrattuna siihen, että sillä tehtäisiin ensin vetyä, jota sitten käytettäisiin liikenteessä. Mutta toki myös vetyä ja muitakin energianlähteitä, kuten biokaasuja ja biopolttoaineita, tarvitaan ainakin ylimenokauden ajan, todennäköisesti vielä pitempään. Lisäksi vedylle kemikaalina voi tulla huomattava merkitys teollisuudessa.

Vaikka valtavia yksittäisiä läpimurtoja ei ole tehty, käytännössä jokainen akkuteknologian osa-alue on viimeisten 10 vuoden aikana merkittävästi kehittynyt ja parantunut. Kehityksen ajurina toimii autoteollisuus, etunenässä Tesla. 

Kasvavan tuotannon tuoman mittakaavaedun ansiosta tuotantokustannukset ovat samalla pudonneet vuosittain yli 10 prosenttia – ja putoavat edelleen.

– Myös sähköauton koko voimalinja akusta taajuusmuuttajan kautta sähkömoottoreihin on kehittynyt. On tullut uusia materiaaleja ja parempia tapoja käämittää moottoreita. Autoliikenteelle keskeiset akkujen energiatiheys ja latausaika riittävät jo nyt useimpiin sovelluksiin ja mahdollistavat sähköajoneuvoille 400–500 ajokilometrin toimintasäteen yhdellä latauksella.

Kehittyvä Li-ion-akku

Litiumioniakku eli Li-ion-akku eri variaatioineen on syrjäyttänyt varhaisista kännyköistä tutut NiCad- ja NiMH-akut useimmissa sovelluksissa. Tärkein syy muutokseen on litiumakun aivan omaa luokkaansa oleva kennotason energiatiheys 150–200 Wh/kg, joka on noin viisinkertainen ranskalaisen Gaston Plantén vuonna 1859 kehittämään lyijyakkuun verrattuna. 

– Lyijyakut eivät nekään jää vielä täysin käytöstä, sillä ne ovat edelleenkin kapasiteettiin nähden edullisin sähkökemiallinen energiavarasto esimerkiksi tuuli- ja aurinkovoiman varastoimiseksi.

Ensimmäiset litiumakut tulivat markkinoille 1990-luvun alussa, mutta laajempaan käyttöön ne levisivät vasta uuden vuosituhannen puolella. Sen jälkeen on päivänvalon nähnyt jo useampi akkusukupolvi.  

– Miinusnapa eli anodi on perinteisesti ollut grafiittia eli hiiltä. Kidetasolle, jolla energiaa varastoivat kemialliset prosessit tapahtuvat, on alettu seostaa piitä kapasiteetin kasvattamiseksi. Se on tuonut haasteita kestävyydelle, Pihlatie kuvaa litiumakun materiaalikehitystä.

Akkujen vaihdon hintahaitari on leveä. Modernissa sähköautossa akut mitoitetaankin kestämään auton koko käyttöikä. 

– Plusnavan eli katodin puolella on autoteollisuudessa viime vuodet käytetty kobolttia, nikkeliä ja mangaania eri suhteissa, ja Tesla on käyttänyt mangaanin sijasta alumiinia. Viime vuosina on erityisesti pyritty korvaamaan kallis ja tuotannon kestävyyden näkökulmasta ongelmallinen koboltti nikkelillä.

Myös akkujen latauksen säätöjärjestelmät ovat kehittyneet ja kehittyvät kennoja paremmin suojaavaksi.

– Jossakin suuren akuston sähköajoneuvossa ajoakkuun liittyvä kustannus on kymmeniätuhansia euroja ja siten merkittävä kustannustekijä, joka karkeasti puolittuu elinkaaren yli, mikäli akun elinikä tuplaantuu. Nyt lupaillaan jo miljoonan mailin akkuja, jollaisella varustetun auton taksiautoilijakin jo uskaltanee ostaa.

Valtavirran teknologiaa

Akkujen kehityspanokset ovat ohittamassa tai jo ohittaneet perinteiseen moottoriteknologiaan suunnatut resurssit. Uusien materiaalien käyttöä tutkitaan tavoiteltaessa vieläkin suurempaa energiatiheyttä, korkeampaa kennokohtaista jännitettä ja vieläkin pidempää elinikää eli mahdollisten lataussyklien määrää. 

– Raaka-aine- ja valmistuskustannukset putoavat uusien materiaaliyhdistelmien ja ohuempien kennorakenteiden ansiosta. Myös ympäristövaikutukset vähenevät, kun aktiivinen materiaali käytetään aikaisempaa tehokkaammin. Kestäville, kierrätettäville ja ympäristömyötäisille akuille löytyy kasvava kysyntä, Pihlatie ennustaa.

– Akkujen hallintajärjestelmät ja diagnostiikat ovat selkeä alue, jossa osaaminen kehittyy. Tulevaisuudessa ymmärretään aikaisempaa paremmin akun elinkaari ja ominaisuudet ja millä alueella mitäkin akkutyyppiä kannattaa käyttää eri sovelluksissa.

Täyssähköauton akut painavat tyypillisesti noin neljänneksen koko auton painosta, ja sähköauto painaa hieman enemmän kuin vastaava bensiinikäyttöinen malli. 

Kun markkina kasvaa, käyttökohteet eriytyvät ja vaikuttavat aikaisempaa enemmän akkuteknisiin ratkaisuihin ja valintoihin. 

– Esimerkiksi energiajärjestelmää tukevissa kiinteissä energiavarastoissa energiatiheys tuskin tulee koskaan olemaan pääkriteeri. Toista ääripäätä edustavat raskas tieliikenne ja työkoneet, joissa haetaan mahdollisimman hyvää energiatiheyttä.