Akkumateriaaleja voidaan nyt tutkia kattavasti Itä-Suomen yliopiston uudessa akkutestauslaboratoriossa.
Akkumateriaalien kehittäminen alkoi Itä-Suomen yliopistossa yli kymmenen vuotta sitten anodi- ja katodimateriaalien tutkimuksella.
– Omassa tutkimusryhmässäni keskityttiin aluksi Li-ioniakkujen anodissa käytettävän grafiitin korvaamiseen piillä. Nykyään tutkimus kohdistuu myös Na-ioniakkuihin ja katodimateriaaleihin, kertoo professori Vesa-Pekka Lehto teknillisen fysiikan laitokselta.
Marraskuussa toimintansa aloittanut akkutestauslaboratorio on merkittävä etappi alan tutkimus- ja kehitystyössä. Uudessa laboratoriossa on mahdollista valmistaa erilaisia nappi- ja pussikennoja, sekä testata niiden toimintaa sähkökemiallisin menetelmin. Akkumateriaalien rakennetta ja ominaisuuksia voidaan tutkia kattavasti yliopiston laitteistoilla.
– Nappi- ja pussikennot voivat olla niin sanottuja puoli- tai kokokennoja. Tämä mittaskaala on riittävä, kun halutaan tutkia eri aktiivimateriaalien toimivuutta akuissa. Emme pysty testaamaan kokonaisia akkumoduuleja tai akkupaketteja, Lehto toteaa.
Lehdon tutkimusryhmässä kehitetään edelleen entistä kestävämpiä piimateriaaleja käytettäväksi Li-ioniakkujen anodeissa.
– Toisaalta pyrimme parantamaan NMC-katodimateriaalien toimintaa. Yksi johtoajatuksista on pyrkiä parantamaan akkujen aktiivimateriaalien ympäristönäkökulmia (sustainability). Yksi mielenkiintoinen tutkimussuunta on myös akkujen ja kondensaattorien hyvien ominaisuuksien yhdistäminen litiumioni‑superkondensaattorissa, hän sanoo.
Noin 50 neliön laajuisessa akkulaboratoriossa voi työskennellä yhtä aikaa useita tutkijoita.
– Tällä hetkellä meillä toimii akkututkimuksen ja -kehityksen parissa kymmenisen henkilöä. Toivomme pystyvämme tuplaamaan tämän määrän tulevina vuosina.
Akkualan diplomi-insinööriopiskelijoille opetetaan laboratoriossa pääperiaatteet akkukennojen kokoamisessa myös käytännön tasolla, sekä sähkökemiallisen testauksen perusteet.
Laboratorion varustelussa on kiinnitetty erityistä huomiota myös yritysyhteistyön mahdollistamiseen.
– Jos yrityksellä on esimerkiksi materiaali, jonka suorituskyvyn se haluaa testauttaa, järjestyy se helpoiten tilaustutkimuksen kautta. Tällöin työn tilaaja saa raportin, jonka sisältö on etukäteen sovittu. Jos taas yritys haluaa tehdä esimerkiksi materiaaliin liittyvää kehitystyötä, paras tapa on sopia luottamuksellisesta kehitysprojektista, Lehto kuvailee.
Miksi akkuja pitää kehittää?
– Vihreän siirtymän myötä akkujen tarve tulee moninkertaistumaan tulevaisuudessa. On oleellisen tärkeää pystyä parantamaan akkujen ominaisuuksia, kuten kapasiteettia ja latausnopeutta tiettyjä käyttötarkoituksia varten. Tällöin esimerkiksi sähkökäyttöiset autot tulevat kuluttajalle houkuttelevammaksi, Lehto sanoo.
– On huomattava, että eri sovelluksissa painotetaan eri akkujen ominaisuuksia. ”One-size-fits-all” -akkua pystytään tuskin siis kehittämään. Toisaalta kehitystyön pitää tähdätä akkumateriaalien ja kennojen valmistuksen luontoystävällisyyteen ja vähähiilisyyteen. Hinnalla on iso merkitys kuluttajamyönteisyyteen.
Tällä hetkellä käytetään ylivoimaisesti eniten Li-ioniakkuja, ja niiden valta-asemaa tuskin horjutetaan seuraavan kymmenen vuoden aikana. Näiden akkujen haasteina ovat korkea hinta, kohtuullisen pieni kapasiteetti ja korkea hiilijalanjälki.
– Koska akut vielä lähes poikkeuksetta sisältävät nestemäistä elektrolyyttiä, on syttymisriski reaalinen. Tämä materiaali erottaa anodin ja katodin, ja Li-ionien on pystyttävä liikkumaan sen läpi mahdollisimman vaivatta.
Akkujen sammutus on hyvin haastavaa ja käytännössä se tehdään akkua jäähdyttämällä.
Vesa-Pekka Lehto
Professori
Ympäristö- ja biotieteiden laitoksen professori Anna Lähteen mukaan uuden sukupolven akut ovat jo täällä.
– Na-ioniakkujen markkinat ovat jo kasvamassa, ja myös muiden uusien akkuratkaisujen, kuten esimerkiksi Li-rikkiakkujen on ennustettu tulevan laajemmin markkinoille vuoden 2030 tienoilla, hän kertoo.
– Tavoitteena on, että tulevaisuuden akkuratkaisut eivät sisällä lainkaan kriittisiä metalleja, vaan ne koostuvat esimerkiksi biohiilestä ja natriumista. Tutkimme ja kehitämme muun muassa näitä akkuja yhteisessä EKOAKKU-hankkeessamme, hän kertoo.
Millainen sitten olisi täydellinen akku?
– Tähän voisi vastata puoli-ironisesti, että Donut Labin alkuvuodesta lanseeraama akku olisi lähestulkoon täydellinen. Jos heidän lupaustensa mukainen akku pystyttäisiin teollisessa mittaskaalassa valmistamaan, muita akkuja ei juurikaan tarvittaisi, Lehto toteaa.
