Nyt kun autonvalmistajat sähköistävät vauhdilla mallistojaan, on niiden tehtävä päätöksiä käytettäviin akkuteknologioihin liittyen: mitkä ovat lyhyellä ja pitkällä tähtäimellä parhaat akkukemiat ja kennotyypit? Tutkimuslaitos CIC energiGUNE uskoo, että katodisota käydään NCM-, NCA- ja LFP-akkukemioiden välillä.
Varmistaakseen veikkaavansa voittajateknologiaa akkuvalmistajat kehittävät rinnakkain useita eri ratkaisuja, jotka parhaiten vastaisivat autoteollisuuden tarpeisiin, kertoo CIC energiGUNE (CEG) artikkelissaan. Hyvä esimerkki tästä on tuore uutinen, jonka mukaan maailman suurin akkuvalmistaja CATL toimittaa etelä-korealaiselle autojätti Hyundaille sekä NCM- että LFP-pohjaisia ratkaisuja.
Solid-state-akkuja joudutaan odottelemaan vuosikymmenen lopulle
Akku- ja autoteollisuudella on CEG:n mukaan suuria odotuksia solid-state-akkujen osalta. Näyttää kuitenkin siltä, että solid-state-akkuja joudutaan odottelemaan tämän vuosikymmenen lopulle, ennen kuin tämä lupaava teknologia on otettu laajasti käyttöön teollisuudessa.
Tästä johtuen johtavat akkuvalmistajat joutuvat etsimään lyhyellä tähtäimellä parhaita mahdollisia ratkaisuja, jotka pohjautuvat perinteisiin litiumioniakkujen teknologioihin, kirjoittaa CEG.
Mitä katodien materiaaleihin tulee, markkinat eivät ole tehneet selkeää valintaa minkään tietyn teknologian suhteen. Kukin valmistajaa veikkaa omia suosikkejaan. CIC energiGUNE:n mukaan markkinoilla on kolme pääehdokasta ottamaan kärkipaikan lähivuosina.
Kolme kilpakumppania: NCM, NCA ja LFP
Nykyisten litiumakkujen teknologioiden, tai eri katodimateriaalien, välillä kaksi kaksi keskeistä trendiä kasvattavat suosiotaan ja ovat vedonlyönnin kärjessä: LFP-akku (lithium ferrophosphate) eli litiumrautafosfaattiakku ja NCM/NCA-akku (nikkeli-koboltti-mangaani / nikkeli-koboltti-alumiini).
CIC energiGUNE:n mukaan syy, miksi esimerkiksi sähköautoteollisuus ei ole vielä valinnut jotain tiettyä akkukemiaa, johtuu siitä, että teknologiat täydentävät toisiaan. Niillä on erilaisia vahvuuksia ja heikkouksia, jotka tekevät niistä enemmän tai vähemmän houkuttelevia vaihtoehtoja eri käyttötarkoituksiin.
Kuva 1. Benchmark arvioi, että NCM-akkukemia tulee hallitsemaan tällä vuosikymmenellä, vaikka LFP:n asema vahvistuukin. (Lähde: Benchmark Week, Dec 2021)
NCA- ja NCM-akkujen energiatiheys suurempi
Jos katsotaan esimerkiksi eri akkutyyppien energiatiheyttä, NCM-akuilla se on noin 150 – 250 Wh/kg –luokkaa riippuen siitä, missä suhteessa nikkeliä, mangaania ja kobolttia on niiden valmistuksessa käytetty. NCA-kennojen energiatiheys on tyypillisesti 200 – 260 Wh/kg –luokkaa, joskus jopa yli 300 Wh/kg.
LFP-akkujen energiatiheys on 150 – 170 Wh/kg –luokkaa, parhaissa tapauksissa 190 – 200 Wh/kg. Tästä johtuen LFP-akuista joudutaan tekemään suurempia kooltaan kuin NCM- tai NCA-akut, joten ne tarvitsevat enemmän tilaa.
LFP-akut ovat turvallisempia käytössä
Litiumrautafosfaattiakut ovat CEG:n mukaan turvallisempia käyttää, koska niiden sisältämät materiaalit eivät syty yhtä helposti tuleen kuin NCM- tai NCA-akkujen materiaalit.
LPF-akut kestävät myös paremmin korkeita lämpötiloja. Kovin kylmästä LFP-akku ei tykkää: noin -20 C asteen lämpötilassa LFP-akku voi menettää jopa puolet nimellistehostaan. NCA- ja NCM-akkujen kohdalla kylmästä johtuva hukka on 30 prosentin luokkaa, listaa CEG.
Latauksen tehokkuus
Myös lataus on NCM- ja NCA-akkujen osalta tehokkaampaa. Huoneenlämmössä eri tutkimusten mukaan niiden latausteho on viisi kertaa korkeampi kuin LFP-akkujen. Tämä tarkoittaa sitä, että NCM- ja NCA-akkujen latausaika on lyhyempi ja vähemmän energiaa menee hukkaan.
Akkujen kesto
Viimeisenä vertailun indikaattorina CIC energiGUNE mainitsee akkujen käyttöiän. Tällä mittarilla LFP-akku on parempi, sillä sen kapasiteetti säilyy 80 prosentin tasolla nimelliskapasiteetista 3 000 lataussyklin jälkeen.
Tämä luku on hieman korkeampi kuin esimerkiksi Teslan NCA-akuilla (70% 3 000 lataussyklin jälkeen), ja paljon korkeampi kuin NCM-akkujen teoreettinen käyttöikä (kokonaiskesto noin 2 000 lataussykliä, vaikka niiden kapasiteetti pienenee merkittävästi 1 000 lataussyklin jälkeen noin 60 prosenttiin nimellisestä).
NCM- ja NCA-akut henkilöautoihin
CIC energiGUNE:n mukaan LPF-akuilla ja NCA/NCM-akuilla on vastakkaisia ominaisuuksia eli toisen vahvuudet ovat toisen heikkouksia.
Akkujen ominaisuudet, raaka-aineiden saatavuus ja hinta alkavat ohjaamaan akkukemian valintaa eri sovellusten tai käyttökohteiden välillä.
Ominaisuuksiensa takia NCM- ja NCA-akut soveltuvat parhaiten sähköautoihin, koska ne tarjoavat suuremman tehon ja vievä vähemmän tilaa. Niiden haittapuolena on raaka-aineiden saatavuus ja hinta, mikä nostaa akkupaketin hintaa huomattavasti. CEG:n mukaan näyttää siltä, keski- ja premium-luokan sähköautot tulevat lähivuosina käyttämään NCM- ja NCA-akkuja.
LFP-akut isompiin ajoneuvoihin
Litiumrautafosfaattiakut soveltuvat CEG:n mukaan hyvin raskaisiin ajoneuvoihin, kuten busseihin ja kuljetusajoneuvoihin.
LFP-akkujen edullisempi hinta, turvallisuus ja mahdollisuus käyttää fyysisiltä mitoiltaan isompia akkuja tekevät niistä potentiaalisen ratkaisun tämän tyyppiseen käyttöön.
Ei selvää voittajaa lyhyellä tai pitkällä tähtäimellä
Yhteenvetona CIC energiGUNE:n Roberto Pacios toteaa, että vielä ei ole selvää, mikä akkukemia tulee mahdollistamaan akkuteollisuuden huomattavan kasvun tulevina vuosina. Esimerkiksi CATL on arvioinut, että vuonna 2025 markkinoilla tulee olemaan 295 GWh vajaus tuotantokapasiteetista – enemmän kuin yhtiön koko akkutuotanto tällä hetkellä.
Looking at future capacity demand and the company’s existing capacity, the company [CATL] told the Shenzen Stock Exchange it will have a capacity gap of about 430 GWh in 2025 unless it adds manufacturing capacity. “The company’s capital raise will be used to add lithium ion battery capacity of approximately 135 GWh, which is consistent with business development needs,” it said. Even at that, the company will still have a capacity gap of 295 GWh in 2025. (Cleantechnica, 18 Jan 2022)
Eri akkukennojen valmistajat, jotka toimittavat akkuja autoteollisuudelle, kehittävät rinnakkain molempia teknologioita. Pacioksen mukaan tämä kertoo siitä, että selvää voittajaa ei ole vielä löydetty.
Kuva 2 alla kertoo, millaisia akkukemioita eri kennovalmistajat tällä hetkellä käyttävät tai kehittävät. Kuten kuva osoittaa, osa johtavista akkuvalmistajista tarjoavat vähintään kahta vaihtoehtoista teknologiaa, joista voidaan valita kunkin asiakkaan tarpeisiin sopivin.
Kuva 2. Eri akkuvalmistajien käyttämiä akkukemioita. (Kuva: CICenergiGUNE, Jan 2022)
Toim.huom. LFP-akkujen suosio kasvaa vauhdilla, mikä selittyy LFP-akkujen ominaisuuksien kehittymisellä sekä akkujen raaka-aineiden saatavuuteen ja hintaan liittyvillä kysymyksillä. Tosin myös litiumrautafosfaattiakut ovat riippuvaisia litiumin saatavuuden ja hinnan kehityksestä. Teslan päätös käyttää LFP-akkuja teki teknologiasta hovikelpoisen ja nyt muutkin autovalmistajat seuraavat esimerkkiä. Joidenkin asiantuntijoiden näkemys on, että LFP-akut tulevat valtaamaan markkinat, mutta analyytikkofirmojen konsensusnäkemys tuntuu olevan, että NCM/NCA-perhe tulee säilyttämään johtoasemansa tämän vuosikymmenen loppuun. Akkumarkkinoita dominoivat aasialaiset CATL, LG Chem ja Panasonic, joista erityisesti CATL on aktivoitunut LFP-akkujen osalta. Isoille akkutehdashankkeille kysymys voittavasta akkukemiasta on varmasti juuri nyt erittäin ajankohtainen, kuten artikkelissa edellä kerrottiin. Kierrätyksen kannalta LFP-akut ovat iso kysymysmerkki, koska niiden materiaalien arvo ei ole lähellekään samaa luokkaa kuin NCM-akuissa. Myös EU:n uuden akkuasetuksen näkökulmasta tilanne on mielenkiintoinen, onhan EU määrittelemässä materiaalikohtaiset kierrätysvelvoitteet ja kierrätysmateriaalien sekoitevelvoitteet hyvin pitkälle NCx-kemian pohjalta. Suomen kansallisen akkustrategiahankkeen lähtöoletukseksi otettiin asiantuntija-arvioiden sekä konsultti- ja analyytikkofirmojen näkemysten mukaisesti NCM-akkukemia, jonka katsottiin olevan vallitseva akkuteknologia strategiakaudella 2021 – 2025. LFP-akkujen markkinatilanteen kehittymistä seurataan varmasti tarkasti silläkin suunnalla.
Kriittisemateriaalit.fi-sivusto on Huoltovarmuuskeskuksen Teknologiapoolin hallinnoima sivusto, joka seuraa suomalaisen teollisuuden kannalta kriittisten metallien ja mineraalien sekä elektroniikkakomponenttien markkinoiden kehitystä erityisesti jatkuvuudenhallinnan ja huoltovarmuuden näkökulmasta. Lisätietoja: jarkko.vesa(at)notinnovatedhere.fi
(Julkaistu 19.1.2022)
Lähteet:
- Cathode composition of battery cells: A three-way war. CIC energiGUNE, 17 Jan 2022.
- CATL Warns on Solid-State Batteries, Sees Supply Shortfall Ahead. Cleantechnica, 18 Jan 2022.
- This is Why I Want an EV With an LFP Battery Pack – and Battery Swapping Capacity. Autoevolution, 30 Dec 2021.
- The Surging LFP Battery. EE Times, 20 Sep 2021.
- Lithium-ion batteries: LFP cathode materials market share forecast to increase in 2021. Roskill, 21 Jan 2021.
Lisää aiheesta:
LFP 2.0: Koboltti- ja nikkelivapaan litiumrautafosfaattiakun vahva meno jatkuu