Litiummetalli-akku on vanha keksintö, jonka ongelmana oli aikanaan metallisen litiumin reaktiivisuus ja katodimateriaalien korkea hinta. Amerikkalaisyhtiö on nyt kehittänyt uudenlaisen 3D-rakenteen, jossa jokainen mikroskooppinen solu on kuin mikrokokoinen akku. Uusi teknologia lupaa jopa 10-kertaista kapasiteettia perinteisiin litiumioniakkuihin verrattuna. Kaupallinen tuotanto käynnistyy tänä vuonna.

Litiumioniakkuja on nykyään joka paikassa: kännyköissä, läppäreissä, autoisssa, roboteissa ja energiavarastoina. Li-ion-akkujen globaali vuosituotanto on noin 160 GWh. Viime vuonna kolme litiumioniakun keskeistä kehittäjää saivat Nobelin kemianpalkinnon.

Pitkästä historiasta ja laajasta käytöstä huolimatta litiumionakku on kaikkea muuta kuin täydellinen, kirjoittaa Jean Kumagai artikkelissaan ”The Return of Lithium-Metal Battery” (IEEE Spectrum, 2.1.2020). Li-ion-akut ovat liian kalliita sovellutuksiin, joissa energiaa pitäisi varastoida pitkiä aikoja. Lisäksi litiumioniakut ovat Kumagain mukaan myös herkkiä syttymään (tästä tosin voidaan olla montaa mieltä, ehjät li-ion-akut ovat osoittautuneet hyvinkin turvallisiksi).

Kumagai nostaa artikkelissaan esille myös litiumioniakkujen tarvitsemat, vaikeasti tuotettavat materiaalit, kuten koboltti ja nikkeli. Akkuasiantuntijat ovatkin yhtä mieltä siitä, että nykyisten li-ion-akkujen tilalle on saatava jotain parempaa.

Litiummetalli-akku

Litiumioniakun korvaajaksi artikkeli ehdottaa li-ion-akun edeltäjää litiummetalli-akkua. Sen kehitti 1970-luvulla M Stanley Whittingham, joka työskenteli kemistinä Exxonilla. Metallinen litium on houkutteleva akkumateriaali, koska se luovuttaa helposti elektroneita ja positiivisesti latautuneita litium-ioneja.

Whittinghamin suunnittelema rakenne osoittautui kuitenkin kaupallistamisen kannalta liian hankalaksi: metallinen litium on erittäin reaktiivista, lisäksi Whittinghamin katodissa käyttämä titaanidisulfiitti (titanium disulfide) oli kallista.  Whittingham ja muut tutkijat lisäsivät litiumiin grafiittia vähentääkseen sen reaktiivisuutta. He vaihtoivat myös halvempiin katodimateriaaleihin. Näin syntyi litiumioniakku. Sen sijaan akut, joiden anodeissa käytettiin metallista litiumia, näyttivät jäävän sivujuonteeksi matkalla kohti litiumioniakkuja.

Takaisin valtavirtaan

Artikkelin mukaan amerikkalaisyritys pyrkii nyt tuomaan litiummetalli-akut takaisin akkukehityksen ytimeen. XNRGI:n tutkijat ovat onnistuneet saamaan metallisen litiumin reaktiivisuuden kuriin sijoittamalla sen pii-pohjaiseen pohjamateriaaliin, joka on päällystetty ohuilla kalvoilla ja etsattu miljooniksi pieniksi kennoiksi.

3D-rakenne kasvattaa merkittävästi anodin pinta-alaa verrattuna perinteisten litiumioniakkujen kaksiulotteisiin anodeihin. Kun huomioidaan vielä metallisen litiumin käyttö yhdisteen sijaan, on XNRGI:n anodilla jopa 10-kertainen kapasiteetti verrattuna perinteiseen grafiitti-litium-katodiin. Näin XNRGI ainakin arvioi.

 

Kuva 1. XNRGI lupaa uudelle litiummetalli-akulle ylivertaiset ominaisuudet nykyisiin litiumioniakkuihin verrattuna. (kuva: ISE / XNRGI)

Kaupallinen tuotanto käyntiin 2020

XNRGI pyrkii saamaan kaupallisen tuotannon käyntiin pienemmässä mittakaavassa vuoden 2020 aikana. Ensimmäiset asiakkaat löytyvät sähköautojen ja kulutuselektroniikan valmistajista. Yhtiön tähtäimessä on myös sähköyhtiöiden energiavarastot.

 

Kuva 2.  XNRGI:n uuden PowerChip-teknologian käyttökohteita. (kuva: ISE / XNRGI)

Akkualaa seuraavat ovat tottuneet siihen, että lähes viikottain uutisoidaan koko akkumaailman mullistavista uusista teknologioista. IEEE Spectrum –artikkelin kirjoittaja Jean Kumagai muistuttaa kuitenkin, että hyvin harva näistä akkuinnovaatioista, jotka ovat näyttäneet lupaavilta tai jopa vallankumouksellisilta laboratorio-oloissa, on koskaan päässyt markkinoille asti.

Akkuteknologian kaupallistaminen on haastavaa

Argonne National Laboratoryn energiavarastoinnin asiantuntijan Venkat Srinivasanin mukaan uuden akkuteknologian pitää pystyä vastaamaan moniin haasteisiin. Sähköautojen akuilta odotetaan satojen kilometrien ajomatkaa, minuuttien latausaikaa, erilaisten lämpötilojen kestoa, 10 vuoden käyttöikää ja turvallisuutta esimerkiksi kolaritilanteessa.

Kaikkien toiveiden täyttäminen on vaikeaa. Siksi akkuteknologiat ovat tyypillisesti kompromisseja eri vaatimusten välillä. Lisäksi uusien haastaja-akkujen pitää olla vähintään yhtä hyviä kuin markkinoilla jo olevat akut.

Olemassa olevaa tuotantoteknologiaa hyödynnetään

XNRGI kertoo artikkelissa hyödyntäneensä puolijohdevalmistajien käyttämää, hyväksi todettua tuotantoteknologiaa. Esimerkkinä 20×20-mikrometrien kolojen etsaus ja ohutkalvojen käyttö.  Tästä uuden akkuteknologian nimi – PowerChip. Jokainen mikroskooppinen solu on kuin mikrokokoinen akku. Toisin kuin litiumioniakuissa, kennojen puhkaisu ei aiheuta PowerChip-kennoissa ketjureaktiota. Kennoihin ei näytä myöskään syntyvän dendriittejä, joka perinteisesti aiheuttavat li-ion-akkujen vikaantumisen.

Katodimateriaaleja tutkitaan

XNGRI kehittää myös katodimateriaaleja, jotka pysyisivät uusien anodien vauhdissa. Tällä hetkellä yhtiö käyttää litium-kobolttioksidi- ja nikkeli-mangaani-koboltti-pohjaisia katodeja, joiden kanssa käytettynä uusi anodiratkaisu tarjoaisi tuplatehot perinteisiin litiumioniakkuihin verrattuna. Yhtiö testaa myös asiakkaiden toimittamia katodimateriaaleja. Ilman katodimateriaaleja, jotka pystyvät toimimaan tehokkaasti uusien anodimateriaalien kanssa, ei uusista akuista saada parasta mahdollista tehoa irti.

Tällä viikolla Finnish Mineral Group kertoi käynnistäneensä ympäristölupien hakuprosessin kahdelle prekursori- ja katodiaktiiivimateriaaleja valmistavalle tehtaalle Suomessa. Prekursorilla tarkoitetaan akun katodiaktiivimateriaalin esiastetta.

About XNGRI: 

XNRGI (exponential energy) is a next generation energy storage company for lithium batteries. It has developed PowerChip®, the first-ever silicon chip-based Lithium Metal rechargeable battery technology, whose performance is exponentially more efficient than any other lithium battery.

XNRGI has 15 Patented Technologies, 12 Patents Pending, and several years of development with investment and grants from Intel, Motorola, Energizer, the United States Navy, the US Department of Energy, and others. 

XNRGI’s technologies enable scalable, high-volume manufacturing at the industry’s lowest cost, by using existing semiconductor wafer manufacturing and contract assembly, which have been perfected in Silicon Valley over the past 20 years. The semiconductor industry has been a dominant driving force behind modern technology advancement for PV and LED light technologies  over the last five decades.

(Source: XNGRI)

 

Toim. huom. Viimeiset viisi vuotta sähköauto- ja akkumarkkinoita tiiviisti seuranneena poistan aina varmistiminen, kun näen uutisen jostain mullistavasta uudesta akkuteknologiasta. Toki uutisten joukossa on ihan oikeastikin merkittäviä innovaatioita. Akkualan konferensseissa korostetaan usein, että uuden akkuteknologian saaminen labrasta kaupalliseksi tuotteeksi vie vähintään kymmenen vuotta. Akut ovat aina kompromisseja eri ominaisuuksien välillä, kuten edellä kerrottiin. Autonvalmistajat eivät halua ottaa riskejä uusien akkuteknologioiden kanssa, joten varsinkin sähköautojen ajovoima-akuiksi valikoituu hyväksi ja luotettavaksi koettua teknologiaa. Akkualaa seuraavat analyytikot korostavat myös, että jo tehdyt ja tulossa olevat (Benchmark Mineral Intelligencen mukaan joulukuussa 2019 putkessa oli jo 115 megaluokan litiumioniakkutehdasta) miljardi-investoinnit akkutehtaisiin pitää kuolettaa, joten nämä tehtaat tulevat tuottamaan seuraavan vuosikymmenen ajan litiumioniakkuja. Kierrätyksen kannalta XNGRI:n teknologia kuulostaa haastavalta. Metallinen litium voi tuoda kierrätysvaiheessa omat haasteensa ja materiaalien erottelu tällaisessa mikrorakenteessa on vaikeaa. Ehkä Suomessa kehitetty 3D-printattu metallisieppari voisi auttaa tässä. Kaikesta huolimatta XNGRI:n kehittämä ratkaisu kuulostaa erittäin mielenkiintoiselta. Ja mikä parasta, yhtiö on jo käynnistämässä pienimuotoista kaupallista tuotantoa. Kannattaa ottaa XNRGI ja PowerChip seurantaan.

Lähteet:

  • The Return of the Lithium-Metal Battery. IEEE Spectrum, 2 January 2020.
  • XNGRI has developed the first lithium metal battery on the basis of porous silicon chips. Institut für seltene Erden und Strategische Metalle.
  • Valtionyhtiö kaavailee jopa 500 miljoonan euron investointia akkumateriaalien valmistukseen – kaksi tehdasta rannikolle. Kauppalehti, 3.1.2020.
  • ProLogium presents solid state battery at CES. Electrive.com, 6 Jan 2020.
  • Tesla patents new chemistry for better, longer-lasting and cheaper batteries. Electrek, Dec 26, 2019.
  • Mielenkiintoinen väitöskirja Jyväskylästä: Jalometallien talteenotto elektroniikkaromusta 3D-tulostettujen metallisieppareiden avulla. Kriittisetmateriaalit.fi, 3.1.2019.

 

 

Mielenkiintoinen väitöskirja Jyväskylästä: Jalometallien talteenotto elektroniikkaromusta 3D-tulostettujen metallisieppareiden avulla