Kuulemme koko ajan ilouutisia akkutekniikan ”läpimurroista” – Oikeasti joudumme odottamaan ihmeakkuja ehkä vuosikymmeniä
8:03
TEKSTI Ismo Virta
KUVAT Reuters/Lehtikuva, iStock ja Linkker
Autoilun sähköinen vallankumous sekä lisävirtaa janoavat kännykät tai läppärit vaativat akuilta liki mahdottomia. Akkukehitys on tasapainoilua suorituskyvyn ja turvallisuuden välillä. Ja välillä roihahtaa.
Tämän ilouutisen ovat kaikki kuulleet ja vieläpä usein: akkutekniikassa on tehty läpimurto. Pian on luvassa akkuja, jotka ovat keveitä, halpoja tai antavat virtaa melkein rajattomasti. Todellisuus on karumpi.
Uuden Nissan Leafin koeajo (
TM 14/2018) paljasti, että maailman myydyimmän sähköauton todellinen toimintamatka on uudistuksen jälkeenkin perin vaatimaton, olosuhteista riippuen vähän yli tai alle 200 kilometriä. Se on pettymys, koska akun kapasiteetti on sentään kasvanut 10 kilowattituntia 40 kilowattituntiin.
Nissan on myös luopunut halvasta ja turvallisesta litium-mangaani-akustaan ja vaihtanut autoissa yleisemmin käytössä olevaan ja energiatiheämpään litium-koboltti-mangaaniakkuun.
Yksi Leafista yhä puuttuu: akun nestejäähdytys. Nissan luottaa yhä ilmajäähdytykseen. Mitä suurempi on akun energiatiheys, sitä olennaisempaa on kuitenkin hyvä lämmönhallinta sekä akun eliniän että yleisen turvallisuuden vuoksi. Ja nestejäähdytys on tehokkain jäähdytystapa.
Kännykän akku on energiatiheä ja roihahtaa herkästi. Paloriskiä lisää muun muassa väärän tai halvan yleislaturin käyttö.
Itse asiassa koko akkukehitys on tasapainoilua turvallisuuden ja suorituskyvyn välillä. 1990-luvun alusta lähtien käytössä olleet litiumioniakut eli Li-ion-akut ovat VTT:n tutkijan Ville Erkkilänmukaan ”termisesti stabiileja” vain kapealla jännitealueella. Ne siis voivat syttyä jopa itsekseen auton latauksen tai ajon aikana. Siksi energiatiheät akut vaativat hyvin tarkan ohjauselektroniikan.
”Litium-kobolttiakku on energiatiheä, mutta sen turvallisuus on heikoin”, sanoo Erkkilä. Litium-kobolttioksidiakkuja ei kukaan uskalla suuria akustoja vaativiin autoihin laittaakaan. Ne ovat jääneet lähinnä kännyköiden ja läppäreiden virtalähteiksi – eivätkä ne ole olleet niissäkään ihan ongelmattomia.
Hiljattain uutisoitiin Applen akkujen paloista Hollannissa. Samsungilla taas on miljardeja dollareita maksanut kokemus siitä, mihin äärimmäisen energiatiheyden tavoittelu Galaxy Note 7:n akuissa johti, kun valmistuksessa tuli pieni virhe.
Äärimmäisen energiatiheät akut vaativat valmistajalta ja käyttäjältä tarkkuutta samalla tavalla kuin esimerkiksi bensa. Kännykkä tai läppäri ansaitsee hellän kohtelun, vaikka palotapaukset ovatkin harvinaisia.
Kiinan autot jyräävät
Li-ion-akkujen markkinat ja käyttökohteet vuonna 2000 ja 2017
Lähde: Avidence Energy
Kolmesti syttynyt Tesla
Google-haulla ”
Tesla fire” löytää komean kuvakavalkadin palavista Tesloista. Osa paloista on johtunut onnettomuuksista, mutta esimerkiksi kesäkuussa amerikkalainen näyttelijä Mary McCormacktwiittasi miehensä ajaman Teslan syttyneen Los Angelesissa itsekseen, siis ilman onnettomuutta.
@TESLA THIS IS WHAT HAPPENED TO MY HUSBAND AND HIS CAR TODAY. NO ACCIDENT,OUT OF THE BLUE, IN TRAFFIC ON SANTA MONICA BLVD. THANK YOU TO THE KIND COUPLE WHO FLAGGED HIM DOWN AND TOLD HIM TO PULL OVER. AND THANK GOD MY THREE LITTLE GIRLS WEREN’T IN THE CAR WITH HIM
PIC.TWITTER.COM/O4TPS5FTVO
— MARY MCCORMACK (@MARYCMCCORMACK)
16. KESÄKUUTA 2018
Ja kun Tesla on syttynyt joko itsekseen tai onnettomuuden seurauksena, sen sammuttaminen on viheliäistä. Pahimmillaan amerikkalaiset palomiehet ovat joutuneet sammuttamaan kolmasti saman Teslan, jonka palon luultiin jo talttuneen.
”Litiumioniakku vapauttaa palaessaan happea myös sisältään ja se ruokkii paloa. Siksi akkupaloa on vaikea sammuttaa. Esimerkiksi tukahduttaminen (eli palon sammuttaminen hapen puutteeseen) ei onnistu. Sammuttaminen vaatii valtavasti vettä, jotta palavan materiaalin lämpö saadaan alas”, selittää VTT:n Ville Erkkilä.
Tesla-sähköauto paloi poroksi kolarin jälkeen. Onnettomuus sattui A2-moottoritiellä Sveitsissä. Kuva on otettu toukokuussa Monte Cenerissä lähellä Bellinzonaa.
Tesla taas väittää, että suhteessa ajettuihin maileihin polttomoottoriauto palaa 11 kertaa niin usein kuin Tesla. Se on amerikkalaisten tilastojen mukaan totta, mutta ei kerro ihan koko totuutta. Erityisen palonarkoja ovat vanhat bensa-autot. Vanhoja Tesloja taas ei ole vielä liikenteessä.
Suomessakin Metropolia ammattikorkeakoulu on räätälöinyt palomiehille koulutusohjelman, joka opettaa sähköautojen sammutusta ja onnettomuuden uhrien turvallista pelastamista. Mistä tahansa ei kannata ryhtyä sähköautoa leikkelemään.
Valtavat investoinnit
Akkuteknisten ilouutisten ja sähköautojen todellisuuden ristiriitaa selittävät osittain juuri autotehtaiden kammoamat turvallisuusongelmat.
”Uuden tekniikan täytyy olla tyypillisesti neljä vuotta käyttötesteissä ennen kuin autotehdas hyväksyy sen tuotantoon”, sanoo Erkkilä.
Tiukkojen turvavaatimusten lisäksi akkutekniikan vallankumouksia hidastaa ihan normaali teollisen tuotannon logiikka.
”Jos jokin toimii laboratoriossa pienessä mittakaavalla, sen pitäisi toimia oikeasti myös isossa mittakaavassa”, sanoo Aalto-yliopiston professori Tanja Kallio. Matka laboratoriotuloksista suurtuotantoon on pitkä ja kuoppainen.
Lisäksi akkuteollisuus on jo sijoittanut ja sijoittaa varsinkin lähivuosina valtavia summia nykytekniikan Li-ion-akkujen valmistukseen. Gigafactoryja nousee kuin sieniä sateella. Nykyinen 120 GWh:n tuotantokapasiteetti kasvaa niin, että kymmenen vuoden päästä kapasiteettia on 1 200 GWh:n verran.
Panasonic ja muut isot akkukennojen tai välituotteiden valmistajat eivät ihan heti halua eivätkä voi vaihtaa teknologiaa. Esimerkiksi entisten Tesla-johtajien perustaman Northvoltin Ruotsiin kaavailema tehdas maksaa kaikkiaan viisi miljardia euroa – siis muutaman jättisellutehtaan verran.
Siksi vallankumousuutisilla voi olla käytännön merkitystä vasta kymmenien vuosien kuluttua, jos silloinkaan.
Hinnat laskevat
Li-ion-akkujen tuotantokustannukset ovat laskeneet nopeasti, mutta energiatiheyden paraneminen taas on hidastunut.
”En usko, että Li-ion-akuissa päästään tässä suhteessa enää paljon eteenpäin”, sanoo Tanja Kallio. Akkutekniikan viime vuosien kehitys on viime vuodet ollut lähinnä ”optimointia ja pientä parantelua”. Se siis laskee hintoja, mutta Li-ion-akkujen suorituskyvyn rajat saattavat olla jo lähellä.
”Meillä on jo käytössä kaikkein kevein metalli eli litium, jonka avulla saadaan mahdollisimman suuri määrä energiaa pieneen painoon.”
Kallion näkemys on varmasti pettymys innokkaimmille vallankumouksen odottajille.
Näitä aineita akuista löytyy
Litium-rautafosfaatti on käytetyin akkukemikaalien yhdistelmä
Lähde: Avidence Energy
Halpenemisen ansiosta esimerkiksi autoihin voi kyllä laittaa enemmän akkuja, mutta se ei vähennä vaan lisää sähköautojen tila- ja paino-ongelmia.
Ville Erkkilä kuitenkin luottaa Li-ion-akkuihin.
”Li-ion on se tekniikka, jolla autoilun sähköinen vallankumous tapahtuu, jos se yleensä tapahtuu.”
Tutkijat kyllä yrittävät ja rahaa kehitykseen pannaan paljon.
Akku koostuu elektrodeista eli anodista ja katodista sekä väliaineesta eli elektrolyytistä. Kaikkien näiden kehityksen avulla pyritään parantamaan myös ominaisuuksia, mutta kehitys on hidasta.
Katodimateriaali kännykkäakuissa on litiumkobolttioksidi (LiCoO2), autojen akuissa yleensä nikkeli, mangaani ja koboltti (alkukirjaimista lyhenne NMC). Litiumia on sekä katodissa että elektrolyytissä.
Koboltti on moniongelmainen materiaali. Sitä louhitaan pääosin Kongossa, osittain kehnoissa oloissa. Koboltin hinta on myös rajusti kasvaneen kysynnän vuoksi pompannut pilviin.
Kobolttia tuotetaan tosin parissa suomalaisessakin kaivoksessa, ja Kokkolassa toimiva Freeport Cobalt on maailmanluokan jätti sen jalostuksessa. Litium-kaivosta Suomeen taas suunnittelee Keliber-niminen yritys ja saksalainen Basf selvittää akkukemikaalitehtaan rakentamista Harjavaltaan.
”Koboltti on saatavuudeltaan kriittinen, ja sen hinta pysynee korkealla”, arvioi Tanja Kallio.
Siksi akkuteollisuus pyrkiikin pienentämään koboltin osuutta ja kasvattamaan nikkelin osuutta katodimateriaaleissa. Alkujaan nikkeliä, mangaania ja kobolttia oli NMC-akuissa yhtä paljon. Nykyisin suhteet ovat 6–2–2 ja tavoite on 8–1–1. Siis kahdeksan osaa nikkeliä, yksi osa sekä kobolttia että mangaania.
Anodipuolella taas yksi kehityshanke on hiilen korvaaminen piillä. Elektrolyytissä taas haaveena on kiinteä elektrolyytti liuoksen sijaan.
Sähköbussi tulee
Kaikissa kehityspoluissa on hyvät ja huonot puolensa. Yksi ongelmakohta on akkujen kestävyys. Kun elektrodille ladatessa ja purkaessa välillä tulee tulee lisää elektroneja ja välillä niitä poistuu, se tarkoittaa käytännössä turpoamista ja kutistumista. Eri materiaalit kestävät tätä jatkuvaa muodonmuutosta eri tavoin.
Sähköbussit ajavat vakioreittejä, joiden varrelta löytyvät latauspisteet. Suomalaisen Linkkerin valmistamia sähköbusseja kulkee muun muassa Kölnissä.
”Esimerkiksi nikkelin lisäämisen ongelma kobolttioksidin kustannuksella on, että silloin akku kestää vähemmän lataussyklejä”, sanoo Kallio.
Myös piin ongelma anodimateriaalina on juuri kestävyydessä.
Akun kestävyys, energiatiheys, turvallisuus ja hinta ovat asioita, joissa yhden korostaminen johtaa usein huononnuksiin toisessa. Kaikkea hyvää kaikkiin käyttötarkoituksiin tarjoavaa akkukemikaaliyhdistelmää ei vaan ole löytynyt.
Sähköbusseihin on kuitenkin VTT:n mukaan löytynyt optimiratkaisu anodimateriaaliksi, litiumtitanaatti. VTT:n mukaan toimivin sähköbussijärjestelmä on sellainen, jossa akut ovat pieniä ja niitä ladataan usein. Tässä mallissa iso sähköbussi pärjää vain 55 kilowattitunnin akulla, siis puolet pienemmällä kuin isolla akulla varustettu Tesla.
Litium-titanaattiakkua voi ladata jopa 350 kilowatin latausteholla jopa 20 000 kertaa.
Pikalatauksen ongelma henkilöautoissa on, että pikalataus syö aina akun elinikää, eikä akku kestä hitaammin ladattunakaan kuin 1 000–2 000 lataussykliä.
VTT:n laskujen mukaan sähköbussi on jo kokonaistaloudellisempi ratkaisu kuin dieselbussi. Miksei titanaatti sitten sovi henkilöauton akkujen ratkaisuksi?
Titanaattiakun energiatiheys on NMC-akkuun verrattuna surkea, eli suuri paino sulkee titanaattiakun pois henkilöautojen valikoimasta. Henkilöautoilla ei myöskään ajeta aina vakioreittiä, joissa nopeita pikalatuspurskeita on tarjolla yhtenään.
Hieno ratkaisu siis, mutta vain busseille.
Kierrätys ontuu
Sähköautoja halutaan lisää ennen kaikkea ympäristösyiden vuoksi: paikallisia, ihmiselle myrkyllisiä päästöjä ei tule lainkaan. Hiilidioksidipäästötkin ovat pienet, ainakin jos kulutettu sähkö on tuotettu vähäpäästöisesti.
Akkujen kierrätys on kuitenkin vielä alkutekijöissään. Akkuja kyllä kerätään, mutta se ei tarkoita, että kaikki niiden materiaalit kiertäisivät oikeasti takaisin käyttöön.
”Esimerkiksi litiumia ei oteta litiumakuista käytännössä lainkaan talteen, ei myöskään harvinaisia maametalleja nikkeli-metallihydridiakuista”, sanoo Aalto-yliopiston apulaisprofessori Mari Lundström.
Jos kierrätysprosessissa tavoitellaan esimerkiksi kuparia, menee suuri osa muista metalleista usein kuonaan eli jätteeseen – ja litium siis kokonaan. Kyse on paljolti murskatun akun metallien erotustehokkuudesta. Isojakeinen murske on kuparirikasta, hieno taas koboltti- ja litiumrikasta.
Sähköautojen ajoakkuja ei toisaalta ole vielä kierrätykseen merkittävästi edes päätynyt.
Akkutekniikassa yksi akkutyyppi on kierrätettävyydeltään huippua: perinteinen lyijyakku. Lyijyakun lyijystä kiertää peräti 99 prosenttia uudelleen käyttöön.
