Sähköautojen konepeltien alla käydään kovaa kilpailua. Akkuteknologian kehittäminen paremman toimintasäteen ja latausnopeuden saavuttamiseksi sekä kestämättömien materiaalien käytön minimointi luo kuuman taistelukentän akku- ja autonvalmistajien välille.
Litiumioniakkujen ominaisuuksien laajentaminen
Suurin osa sähköautoista käyttää tällä hetkellä litiumioniakkuja, ja näin todennäköisesti on vielä muutaman vuoden ajan. Tämä siitä huolimatta, että ne eivät tarjoa huippuluokan suorituskykyä ja vaativat harvinaisten maametallien, kuten litiumin ja koboltin, käyttöä. Ne ovat myös alttiita jonkin verran heikkenemiselle ajan myötä.
Coloradon yliopiston Boulderin tutkijat ovat kuitenkin löytäneet uuden lähestymistavan litiumioniakkujen pitkäikäisyyden ja suorituskyvyn parantamiseksi, mikä lupaa merkittäviä edistysaskeleita sähköautoissa ja energian varastointiratkaisuissa.
Yhdysvaltain energiaministeriön Argonnen kansallislaboratoriossa Illinoisissa sijaitsevan tehokkaan röntgenlaitteen avulla tutkimusryhmä paljasti molekyylimekanismit, jotka vaikuttavat akun heikkenemiseen ajan myötä.
CU Boulderin kemian- ja biotekniikan laitoksen professori Michael Toneyn johtama tutkimus paljasti, että akun elektrolyytin vetymolekyylit estävät litiumionien liikkumisen katodiin, mikä on välttämätöntä sähkövirran ylläpitämiseksi. Tämä häiriö johtaa akun kapasiteetin heikkenemiseen – ilmiö, joka on hyvin tunnettu, mutta jota ei ole aiemmin täysin ymmärretty.
Yksityiskohtaisen analyysin avulla tutkimusryhmä havaitsi, että vetymolekyylit miehittävät katodilla paikkoja, joihin litiumionit tyypillisesti sitoutuvat, mikä vähentää sähkövirtaan osallistuvien litiumionien määrää. Tämän löydöksen perusteella tutkijat ehdottavat, että erityisen pinnoitteen levittäminen katodille voisi parantaa merkittävästi akun suorituskykyä ja mahdollisesti lisätä sähköautojen toimintamatkaa jopa 60 prosenttia.
Tämä edistysaskel on erityisen ratkaisevan tärkeä sähköautoteollisuudelle, jolla on haasteita, kuten rajalliset ajomatkat, korkeammat tuotantokustannukset ja nykyisen akkuteknologian lyhyempi käyttöikä. Tällä hetkellä tyypillinen täyssähköauto voi kulkea noin 250 kilometriä yhdellä latauksella, mikä on noin 60 % bensiinikäyttöisten ajoneuvojen toimintamatkasta.
Koska liikennesektorin osuus kasvihuonekaasupäästöistä on 28 %, sähköautojen toimintasäteen laajentaminen ja niiden kustannusten vähentäminen ovat kiireellisiä tarpeita. Monet autonvalmistajat ovat sitoutuneet luopumaan bensiiniautoista ja lisäämään sähköautojen tuotantoa ilmastonmuutoshuolien vuoksi.
CU Boulderin tutkimuksen lisäpainopiste on koboltin vähentäminen litiumioniakuissa. Koboltti, harvinainen ja kallis mineraali, on keskeinen osa nykyisiä akkusuunnitteluja, mutta siihen liittyy merkittäviä eettisiä ja ympäristöön liittyviä ongelmia. Suurin osa maailman koboltista on peräisin Kongon demokraattisesta tasavallasta, jossa kaivostoimintaan on liitetty vakavia ihmisoikeusloukkauksia, kuten lapsityövoiman käyttöä.
Tutkijat ovat tutkineet koboltin korvaavia aineita, kuten nikkeliä ja magnesiumia. Nämä vaihtoehdot ovat kuitenkin osoittaneet vielä suurempia itsepurkautumisnopeuksia, mikä vaikeuttaa entisestään kestävän ratkaisun löytämistä.
”Autamme kehittämään litiumioniakkuja selvittämällä niiden hajoamiseen liittyviä molekyylitason prosesseja”, totesi professori Toney. ”Parempi akku on erittäin tärkeää siirrettäessä energiainfrastruktuuriamme pois fossiilisista polttoaineista kohti uusiutuvia energialähteitä.”
Myös Stanfordin yliopiston tutkijat ovat ahkerasti selvittäneet, miten litiumioniakkuja voitaisiin parantaa. SLAC-Stanfordin akkukeskuksen tiimi on tehnyt yhteistyötutkimuksen Toyota Research Instituten, Massachusetts Institute of Technologyn (MIT) ja Washingtonin yliopiston kanssa muuttaakseen litiumioniakkujen valmistustapaa niiden käyttöiän pidentämiseksi.
Perinteisesti litiumioniakkujen valmistusprosessiin kuuluu 10 tunnin alkulataus pienellä virralla. Tämän vaiheen katsotaan olevan välttämätön litiumin varhaisen hävikin lieventämiseksi, minkä uskotaan pidentävän akun käyttöikää. Tämä käytäntö on kuitenkin huomattavan aikaa vievä ja kallis, minkä vuoksi tutkijat kyseenalaistavat sen tehokkuuden ja etsivät vaihtoehtoja.
Stanfordin johtama tiimi teki kokeen, jossa akkuja ladattiin suurella virralla vain 20 minuutin ajan. Tämä menetelmä johti merkittävään litiumin alkuhäviöön. Yllättäen se kuitenkin pidensi sähköautojen akkujen käyttöikää huomattavasti, keskimäärin 50 %.
Hiilikuituakut?
Ruotsalaisen Chalmersin yliopiston tutkijat ovat tehneet merkittäviä edistysaskeleita hiilikuiturakenteisissa akuissa, jotka yhdistävät energian varastoinnin ja kuormankantokyvyn. Tämä innovaatio voisi mullistaa sähköajoneuvot integroimalla akut niiden rakenteisiin, mikä vähentäisi painoa ja parantaisi energiatehokkuutta.
Akun uusimman version energiatiheys on 30 Wh/kg ja jäykkyys verrattavissa alumiiniin, vaikkakin se on perinteisiä litiumioniakkuja alhaisempi. Painonpudotus kuitenkin kompensoi tätä ja voi pidentää sähköauton toimintamatkaa jopa 70 %.
Yhdistämällä energian varastointi ajoneuvon rakenteeseen minimoidaan raskaiden komponenttien, kuten virrankerääjien ja konfliktimetallien, kuten koboltin ja mangaanin, tarve. Tämä kaksikäyttöinen materiaali parantaa merkittävästi tehokkuutta, turvallisuutta ja kestävyyttä. Teknologia on tähän mennessä alan edistyneintä, ja se perustuu tutkimukseen, joka alkoi vuonna 2018, jolloin hiilikuidun osoitettiin ensimmäisen kerran toimivan elektrodeina litiumioniakuissa.
Rakenteelliset akut tarjoavat jännittävän tulevaisuuden sähköautoille, droneille ja muille laitteille, mahdollistaen kevyempiä ja tehokkaampia malleja, jotka tukevat siirtymistä puhtaampiin energiateknologioihin. Kehityksen jatkuessa näillä akuilla voi olla ratkaiseva rooli kestävän liikenteen edistämisessä.
Puolijohdeparistot
Puolijohdeakut ovat seuraavan sukupolven teknologiaa, joka on valmiina mullistamaan sähköautot. Toisin kuin perinteiset litiumioniakut, jotka käyttävät nestemäisiä elektrolyyttejä varauksen siirtämiseen anodin ja katodin välillä, puolijohdeakut käyttävät kiinteää elektrolyyttiä. Tämä rakenne tarjoaa useita etuja, kuten suuremman energiatiheyden, paremman turvallisuuden ja nopeammat latausajat.
Yksi puolijohdeakkujen keskeisistä eduista on niiden potentiaali pidempään toimintasäteeseen. Suuremman energiatiheyden ansiosta nämä akut voivat varastoida enemmän energiaa samaan tilaan, jolloin sähköajoneuvot voivat kulkea pidempiä matkoja yhdellä latauksella. Perinteisten litiumioniakkujen toimintasäde on tyypillisesti 320–480 kilometriä, kun taas puolijohdeakut voivat saavuttaa jopa 800 kilometrin tai pidemmän toimintasäteen teknologian kehityksestä riippuen.
Toinen etu on turvallisuus. Litiumioniakut aiheuttavat ylikuumenemis- ja tulipaloriskin nestemäisten elektrolyyttiensä vuoksi, jotka ovat syttyviä. Kiinteän olomuodon akut ovat sitä vastoin vähemmän alttiita näille riskeille, koska kiinteä elektrolyytti on palamatonta, mikä parantaa yleistä turvallisuutta ja pitkäikäisyyttä.
Useat yritykset ovat johtavassa asemassa kiinteän olomuodon akkujen kehittämisessä, ja jotkut pyrkivät kaupallistamaan niitä vuosikymmenen loppuun mennessä. Toyota on tehnyt merkittäviä investointeja teknologiaan ja pyrkii lanseeraamaan kiinteän olomuodon akkukäyttöisiä sähköajoneuvoja vuoteen 2027 mennessä. Yhdysvaltalainen startup-yritys QuantumScape on toinen keskeinen toimija, joka on edistynyt pitkäikäisten ja käyttökelpoisten kiinteän olomuodon akkujen kehittämisessä. Myös Volkswagen ja BMW ovat investoineet voimakkaasti teknologiaan ja tekevät yhteistyötä startup-yritysten ja akateemisten laitosten kanssa tutkimuksen ja kehityksen nopeuttamiseksi.
Akkuvalmistuksen markkinajohtajat CATL ja BYD työskentelevät myös puolijohdeakkujen kehittämisen parissa. Molemmat yritykset keskittyvät kuitenkin lähitulevaisuudessa enemmän litiumioni- ja litium-rautafosfaattiteknologioihin, kun puolijohdeteknologia kypsyy.
Latausaika
Toinen kilpaileva akkujen osa-alue on supernopea lataus.
StoreDot on edelläkävijä sähköautojen erittäin nopeaan lataukseen (XFC) perustuvien piiakkujen kehittämisessä. Se on äskettäin onnistunut luomaan prismaattisen akkukennon, joka pystyy lataamaan akun 10 prosentista 80 prosenttiin vain 10 minuutissa.
StoreDotin insinööritaidon ansiosta nämä XFC-kennot pystyvät lataamaan 100 kilometriä vain viidessä minuutissa, ja tulevaisuuden tavoitteina on lyhentää tämä aika neljään minuuttiin vuoteen 2026 mennessä. Ainutlaatuista on, että näissä akuissa ei ilmene nopeutettua heikkenemistä, mikä on yleinen ongelma, joka liittyy yleensä pikalataukseen.
StoreDotin XFC-kennot lupaavat yhdistelmän korkeaa energiatiheyttä, joka on kriittistä tehokkaille sähköautojen akuille, ja vankkaa luotettavuutta ilman lisäkustannuksia. Tämän teknologisen edistysaskeleen on määrä tehdä sähköautoista edullisempia valmistajille ja sitä kautta kuluttajille.
Lisäksi StoreDot on tehnyt yhteistyötä 15 alkuperäisen laitevalmistajan (OEM) kanssa testatakseen ja integroidakseen laajasti prismaattisia XFC-akkukennojaan olemassa olevaan sähköautoarkkitehtuuriin, mikä saattaa mullistaa markkinamaisemaa.
Uusi akkuteknologia tulee olemaan ratkaisevassa roolissa potentiaalisten sähköautoasiakkaiden "latausahdistuksen" vähentämisessä. Isossa-Britanniassa ja Saksassa tehdyt tuoreet kyselyt osoittavat, että yli puolet vastaajista epäröi siirtymistä sähköautoihin pääasiassa latausaikoihin liittyvien huolenaiheiden vuoksi. Tämä siitä huolimatta, että maat ovat tehneet merkittäviä investointeja latausinfrastruktuurin laajentamiseen kasvavan kysynnän tyydyttämiseksi.
Nämä ovat vain muutamia esimerkkejä akkusektorilla tapahtuvasta innovaatiosta. Koska valmistajien on nopeutettava sähköautojen käyttöönottoa tämän vuosikymmenen loppupuolella, kaikki, mikä voi saada kuljettajat siirtymään sähköautoihin, on varmasti erittäin tärkeää. Latausmatka ja -nopeus ovat ehdottoman tärkeitä tämän saavuttamiseksi.
