Akkuteknologian kehitys on noussut yhdeksi aikamme merkittävimmistä teknologisista ja ekologisista haasteista. Mikä akkututkimuksessa juuri nyt on ajankohtaista?
Akkujen tarve on päästövähennystavoitteiden vuoksi valtavassa kasvussa. Samaan aikaan akkutuotannolle välttämätön kaivostoiminta kohtaa voimakasta vastustusta eri puolilla maailmaa.
Kierteitä tilanteeseen lisää länsimaiden pyrkimys taistella irti riippuvuudestaan Kiinan akkutuotannosta. Euroopan akkutuotanto painii kannattavuushaasteiden kanssa, ja Euroopan onkin löydettävä vahvimmat aseensa pysyäkseen kilpailussa mukana.
“VTT:llä akkuteknologian parissa työskentelee noin 100 tutkijaa. Heidän tutkimuksensa keskittyvät muun muassa liikenteen sähköistämiseen, akkujen valmistukseen, kierrätykseen ja kierrätysmateriaalien käyttöön, lainsäädännön valmisteluun ja vaikutuksiin sekä akkujen valmistuksen ja käytön digitalisointiin ja diagnostiikkaan”, kertoo johtava tutkija Marja Vilkman VTT:ltä.
Akkututkimuksen tavoitteena on kehittää ratkaisuja, jotka pidentävät akkujen elinikää, nostavat akkujen energiatiheyttä, parantavat suorituskykyä ja luotettavuutta sekä pienentävät akkujen valmistuksen hiilidioksidipäästöjä. Lisäksi niiden tulisi hyödyntää mahdollisimman turvallisia, jopa biopohjaisia raaka-aineita ja vastata kaivostoiminnan ja kierrätyksen haasteisiin.
Kiinalaisista litiumakuista kohti biopohjaisia, paikallisesti tuotettuja akkuja
Tällä hetkellä valtaosa akuista on litiumioniakkuja. Niiden lisäksi eri kehitysasteilla on muitakin akkuteknologioita, kuten natriumioniakkuja, kiinteän elektrolyytin akkuja, litium-rikkiakkuja, metalli-ilma-akkuja ja orgaanisia akkuja, jotka eivät sisällä lainkaan kaivosmateriaaleja. Eri akkukemioilla on omat etunsa.
“Esimerkiksi kiinteän elektrolyytin akut eivät sisällä syttyviä liuottimia, joten ne ovat siltä osin turvallisempia kuin litiumioniakut. Natriumioniakkujen etuja ovat litiumioniakkuja nopeampi lataus, materiaalin parempi saatavuus ja alhainen hinta”, Vilkman sanoo.
Nykyisiin akkuihin verrattuna kiinteän elektrolyytin akkujen energiatiheys on lähes kaksinkertainen ja kuivapäällystyksen ansiosta niiden valmistus kuluttaa jopa 40 prosenttia vähemmän energiaa. Toisaalta tuotannon skaalaamisessa on haasteita. Natrium-pohjaisiin akkuihin voidaan puolestaan tuottaa materiaalia paikallisesti esimerkiksi metsäteollisuuden sivutuotteesta ligniinistä, mutta niissä energiatiheys jää litiumakkuja pienemmäksi.
”Kauempana tulevaisuudessa häämöttävät puupohjaiset akut. VTT kehittää parhaillaan ligniinistä erilaisia hiilimateriaaleja, joilla voidaan korvata vaikkapa akuissa käytettävää grafiittia. Kehitettäviä materiaaleja ovat esimerkiksi aktiivinen hiili, kovahiili ja biografiitti. Tällä hetkellä ylösskaalaamme materiaaliratkaisuja akkuihin ja etsimme kiinnostuneita yhteistyökumppaneita teknologian siirtoon”, tutkimuspäällikkö Katariina Torvinen kertoo.
Kierrätys ja uusiokäyttö kehittyvät, mutta eivät ratkaise kaikkea
Akkualan regulaatio kiristyy. Kriittisten materiaalien kierrätysvaatimukset kasvavat ja EU on kieltämässä kokonaan fluorattujen PFAS-materiaalien eli “ikuisuuskemikaalien” käytön. Tulossa on myös akkupassi, josta kävisi ilmi esimerkiksi akussa käytetyt raaka-aineet, niiden alkuperä ja akun hiilijalanjälki.
“Akkujen uusiokäyttöön on olemassa hyviä ratkaisuja. Esimerkiksi Volvo kerää vanhoja akkuja takaisin ja liittää niitä energiavarastotuotteisiin, joissa ne toimivat vielä vallan hyvin. Vasta sitten akut päätyvät kierrätykseen”, VTT:n tutkimusprofessori Mikko Pihlatie kertoo.
Osa akkumateriaalien kulutuksesta voidaan kattaa kierrätyksellä. Parhaillaan tutkitaan, miten vanhoista akuista, elektroniikkajätteistä, jätteenpolton pohjatuhkasta ja kaivosten rikastushiekoista saataisiin metalleja talteen.
Akkujen tarve kasvaa tulevina vuosina kuitenkin niin vauhdikkaasti, että myös uusia metalleja on väistämättä kaivettava. Se on tehtävä ympäristöystävällisesti ja mahdollisimman tehokkaasti. Myöhemmin kierrätyksen osuuden odotetaan kasvavan.
“Akkuarvoketju on Suomessa kehittymässä. Suomi tulee olemaan Keski-Pohjanmaalle rakentuvan Keliber-litiumhankkeen myötä Euroopan ensimmäinen akkulaatuisen litiumhydroksidin tuottaja. Suomessa on myös muiden kriittisten raaka-aineiden esiintymiä – nämä on voitava hyödyntää, jotta EU:n kaivannaistoiminnan omavaraisuustavoite olisi saavutettavissa”, VTT:n tutkimusprofessori Päivi Kinnunen sanoo.
Yhtä voittavaa akkuteknologiaa ei ole
Akkumarkkina on moninkertaistumassa. Akkuja kehitetään niin raskaaseen liikenteeseen, kaivosteollisuuteen, lastauslaitteisiin, metsäkoneisiin, maatalouteen, laivaliikenteeseen, raideliikenteeseen ja energiavarastoihin. Materiaalikehityksestä on kuitenkin pitkä matka sovelluksiin.
“Eri sovelluksiin tarvitaan erilaisia akkuja. Joka autoon ei kannata laittaa ylisuurta superakkua, koska kriittisiä raaka-aineita on vain rajallisesti tarjolla. Aurinko- ja tuulienergian varastointiin taas akun energiatiheys ei ole kaikkein olennaisin tekijä, koska tontille mahtuu hyvin suurempikin kontti", Vilkman kertoo.
Tarpeista ja käyttökohteesta riippuen akussa painotetaan esimerkiksi alhaista hintaa, latausnopeutta, sykli-ikää, turvallisuutta tai energiatiheyttä. Siksi ei tule olemaan yhtä täydellistä akkukemiaa. Akkuteknologian kehitys edellyttää jatkuvaa tutkimustyötä ja pilotointia.
“Suomessa on erittäin vahvaa osaamista akuissa hyödynnettävän ohutkalvoteknologian, automaation, mallinnuksen, raaka-aineiden saatavuuden, kierrätyksen ja valmistuksen osa-alueilla. Nyt se osaaminen on valjastettava tehokkaasti käyttöön”, Vilkman sanoo.
VTT kehittää uutta akkuteknologiaa esimerkiksi seuraavissa tutkimushankkeissa: LITHOS, Nextbat, Escalate, BigLeap, Hidden, SOLiD, Fastest ja Batmax.
Lue Marja Vilkmanin näkemys, mitä ovat Pohjoismaiden valttikortit globaalissa akkukilpailussa.
