Pala akkua: mistä pienet akut on tehty?

Litiumioniakku on kuin hyvä ja kaunis kakku. Syödessään sitä vaan arvostaa, että se on jo siinä valmiina ja sinun ei tarvitse murehtia, mitä sen tekeminen on vaatinut.

TEKSTI | Juho Heiska
Artikkelin pysyvä osoite http://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2022042931429

Akkujen maailma käy tällä hetkellä todella kuumana. Jos seuraat uutisointia, niin joka toinen päivä kerrotaan uudesta mullistavasta akkukeksinnöstä, mikä tulee muuttamaan koko sähkön varastoinnin kentän, joko hinnallaan, kapasiteetillaan, tehollaan tai kestävyydellään. Litiumioniakkujen kehitys on ollut vähintäänkin kohtalaista ja se on mahdollistanut sellaisten sähköautojen kehityksen, jotka ovat, ainakin allekirjoittaneen mielestä, ylivertaisia polttomoottoriautoihin verrattuna. Tämä on melko päinvastainen kehitys, kuin mitä litiumioniakun yksi Nobel palkitusta  keksijöistä ennusti vuonna 2004 katsausartikkelissaan (The Nobel Prize in Chemistry 2019, 2019):

”The all-electric consumer electric vehicle is probably dead, at least in the United States, because of its limited range and the user’s desire for instant heating and air-conditioning among other high-power consumption devices. However, there is still much interest in Asia, particularly for scooters as well as for all electric vehicles.” (Whittingham, 2004)  

Monet lehdet ovat tätä nykyä pullollaan uutisia erilaisista litiumioniakkuihin liittyvistä keksinnöistä, jossa uutisoidaan maailmaa mullistavista akkukeksinnöistä. Allekirjoittanut ei ole itsekkään syytön tähän trendiin. (Keränen, 2020) Miksi sitten ihmeessä käy usein niin, että keksinnöstä ei kuulla enää mitään? Hetki sitten uutisoitiin Tartton turveakusta, mikä otsikon perusteella kuulostaa siltä, että koko akku valmistetaan turpeesta. (Anonyymi, 2021; Tuohinen, 2021) Käytännössä turpeesta valmistettiin vain yhtä akun komponenttia; negatiivielektrodimateriaalia, joka tässäkin tapauksessa oli hiiltä. (Adamson et al., 2020) Erityisesti tutkittiin, miten turve pitää käsitellä, että saavutetaan haluttu morfologia. Kaikki kunnia perustutkimukselle, mutta tekniikkaan huonommin perehtynyt lukija on helppo johtaa harhaan, ja klikkiotsikot ovat paljon mielenkiintoisempia kuin faktuaaliset. Tieteen popularisointia on todella tärkeää ja usein täysin tehtävissä. Ongelmana on, että tiede etenee suunnilleen dHharppaus kokoisin askelin ja tipun askeleesta uutisoimisen sijaan on mielenkiintoisempaa kertoa siitä, mihin se tipu onkaan matkalla.  

Tässä ja tulevissa kirjoituksissa kerron akkujen ihmeellisestä maailmasta ja toivottavasti siitä on iloa teille lukijoille yhtä paljon kuin minulle itselle. Fyysikko Richard Feynmanin mallin mukaan, opettamalla muille oppii itse parhaiten. Eli olen vaan itsekäs paskiainen. Aloitetaan kuitenkin akkujen perusteista ja pääkomponenteista eli eletrodimateriaaleista. Tämä pala akkua on kaikkein helpoimmin nieltävä (kuva 1).

Sormipatterista leikattu pala kuin kakusta ja teksti pala akkua.
Kuva 1. Blogisarjan logo ja nimi – Pala Akkua.

Aivan ensimmäiseksi on hyvä erottaa käsitteet akku, akusto ja moduuli (engl. battery, battery pack, ja battery module) ja (akku)kenno (engl. cell). Akkukenno, myöhemmin vain pelkkä kenno, on akun, akuston tai moduulin yksinkertaisin rakennuspalanen tai komponentti. Kennot koostuvat kolmesta pääkomponentista negatiivisesta (anodi) ja positiivisesta elektrodista (katodi) ja niiden välillä olevasta elektrolyytistä. Kennoa ladattaessa litiumionit liikkuvat katodilta anodille, jonne sähköenergia säilötään kemialliseksi potentiaaliksi. Kennoa purettaessa tämä kemiallinen potentiaali vapautuu sähköenergiana. Filosofisessa mielessä, yksi kenno voi kuitenkin olla myös akku, mikäli sovelluksen voimanlähteeksi riittää yksi ainoa kenno. Esimerkiksi ladattava nappiparisto (esim. LIR2032) voi olla sekä kenno että akku. Yleisemmin kennoja kuitenkin liitetään sekä sarjaan ja rinnan. Sarjaan kytkennässä akkujen napajännite summataan yhteen, kun taas rinnan kytkennässä niiden kapasiteetti. Klassisesti kennoja on yhdistetty sarjaan ja rinnan, jotta saadaan moduulille haluttu jännite ja kapasiteetti. Moduulit taas yhdistetään useimmiten sarjaan, mikä muodostaa lopullisen akuston. Tätä kennoista akustoksi kokoonpanoa tekee suomessa mm. Valmet Automotive Oyj. Tässä on kuitenkin viime aikoina tapahtunut muutoksia ja ns. cell-to-pack on kasvava trendi akkuvalmistajien keskuudessa, koska se säästää tilaa. Täten siis teknisessä mielessä, sana akku on enemmänkin sateenvarjotermi, joka saattaa tarkoittaa akustoa, moduulia tai kennoa. Akku sanana kuitenkin tarkoittaa aina energiavarastoa, jota voi ladata ja purkaa.

Miksi ihmeessä olen kiinnostunut litiumioniakkujen materiaaleista? Siitä voi syyttää varmasti osaksi taustakoulutustani, mutta ennen kaikkea siksi, koska litiumioniakun ominaisuudet määräytyvät pääasiassa positiivi- ja negatiivielektrodeilla käytetyistä materiaaleista. Tärkeä kysymys on myös miksi tämä kaikki haloo litiumioniakun ympärillä, eikä jonkin muun ioniakun? Litium on jaksollisen järjestelmän kevyin metalli ja sen hapetus/pelkistys potentiaali on todella matala (-3,04 V vs. standardivetyelektrodi). Akkuun kuitenkin tarvitaan aina anodi ja katodi, mutta litiumin matala potentiaali mahdollistaa sellaisen anodi ja katodi parin löytämisen, että saadaan aikaan mahdollisimman suuri jännite napojen välille. Litiumin keveys mahdollistaa myös sen nopean liikkumisen elektrolyytin lävitse (suhteellisen pieni resistanssi), jotta akkua voidaan ladata ja purkaa nopeasti. Nämä ominaisuudet tekevät litiumioniakuista energiatiheitä suhteessa siihen paljonko energiaa niihin voidaan säilöä jokaista grammaa tai litraa kohden. Akun sisältämä energia (Wh/kg) voidaan laskea yksinkertaisesti kertomalla akun ominaiskapasiteetti (mAh/g) purun aikaisella keskiarvo jännitteelle (V). Litiumioniakkuja kaupataan tällä hetkellä jokaiseen mahdolliseen sovellukseen, koska niiden edellä mainittu energiatiheys on korkea, mutta samalla niillä on vähintäänkin kohtalainen tehotiheys (W/kg, W/l), joka mahdollistaa hyvin monenlaiset sovellukset. Se on iso etu, että meillä on jo suhteellisen pitkälle kehittynyt tekniikka, mikä tarjoaa koko paketin sekä teho- että energiatiheyden. Tulevaisuudessa energiavarastoinnin mahdollisuudet tulevat varmasti monimuotoistumaan, mutta tällä hetkellä litiumioniakkujen monipuolisuus, tippunut hinta ja nopea vasteaika ovat selviä etuja.

Jos vedetään paljon mutkia suoraksi, anodien markkinajohtaja on tällä hetkellä pääasiassa grafiitista koostuva materiaali. Katodien markkinajohtaja on vielä litiumkobolttioksidi johdannainen (LiCoO2, (LCO)), mistä suurin osa koboltista on korvattu jollain muulla metallilla, kuten nikkelillä, mangaanille, tai alumiinilla. Tällä hetkellä yksi markkinoiden suosituimmista kemioista on niin sanottu NMC811 kemia, missä koboltista 80 % on korvattu nikkelillä ja 10 % mangaanilla, jättäen jäljelle vaan 10 % alkuperäisestä koboltista. Materiaalin kiderakenne (eli miten atomit ovat järjestyneet) on kuitenkin kaikilla näillä materiaaleilla samanlainen. Nämä trendit ovat kuitenkin alati kehittyviä ja esimerkiksi viime aikoina rautapohjainen katodikemia on nostanut uudelleen päätään. Elektrodit erotetaan toisistaan asettamalla niiden väliin huokoinen separaattori, joka on yleensä valmistettu polypropeenin ja polyeteenin sekoituksesta. Separaattori kastellaan nestemäisellä elektrolyytillä, joka koostuu orgaanisesta liuottimista ja siihen liuotetusta litiumsuolasta. Elektrolyytin tarkoitus on johtaa hyvin litiumioneja, mutta huonosti elektroneja. Tällöin litiumionit kulkevat elektrolyyttiliuoksen läpi, kun taas elektronit virrankeräimien välillä ulkoista virtapiiriä pitkin.

Jokaisella sähkökemiallisesti aktiivisella materiaalilla, eli negatiivi/positiivi elektrodimateriaaleilla, on ominainen kapasiteettinsä (mAh/g) ja potentiaalinsa (V), jotka toimivat rajoittavin tekijöinä kennon energialle. Esimerkiksi grafiitti anodin keskiarvoinen hapetus/pelkistys potentiaali on noin 0,2 V vs. Li+/Li ja kapasiteetti noin 350 mAh/g, kun taas NMC811 katodin potentiaali on n. 3,9 V vs. Li+/Li ja kapasiteetti n. 200 mAh/g.  Tällöin näistä materiaaleista valmistetun kennon jännite on 3,9 V – 0,2 V eli 3,7 V. Jos halutaan saavuttaa materiaalitasolla katodin maksimi kapasiteetti 200 mAh/g tarvitaan jokaista katodimateriaali grammaa kohden vähintään n. 0,6 g anodimateriaalia, koska katodin ominaiskapasiteetti on pienempi kuin anodin. Massaa tulee kuitenkin lisää ja energiatiheys pienenee, kun otetaan huomion myös muita akun toiminnan kannalta elintärkeitä komponentteja, jotka eivät kuitenkaan ole sähkökemiallisesti aktiivisia.

Kuten sanottu, pelkillä elektrodimateriaaleilla ei siis vielä yksinään säilötä energiaa vaan tarvitaan myös iso kasa muita ei aktiivisia komponentteja, tarvikkeita ja insinöörisuunnittelua, että akku saadaan toimimaan. Elektrodimateriaalin sekaan pitää ensinnäkin sekoittaa hiiltä, jotta siitä saadaan hyvä sähkönjohde sekä hieman sideainetta (engl. binder), joka pitää sen kasassa. Nämä komponentit yhdessä muodostavat komposiittielektrodin. Anodi komposiittielektrodi päällystetään kuparifolion päälle ja katodi komposiittielektrodi päällystetään alumiinifolion päälle. Nämä metallifoliot toimivat virrankeräimenä hapetus/pelkistys reaktioille syntyville elektroneille. Yleensä nämä metallifoliot päällystetään kaksipuolisesti komposiitilla ja niitä joko pyöritetään rullalle tai kasataan päällekkäin siten, että jokaisen anodin ja katodin välissä on separaattori. Elektrolyytin lisäystä ei myöskään sovi unohtaa. Kolme yleisintä tapaa pakata elektrodit kennoksi on joko sylinterin muotoon, pussikennoksi, tai prismaattiseksi kennoksi (Kuva 2). Ja kuten ehkä tässä kohtaa jo saattaa arvata, kaikilla on omat etunsa ja haasteensa. Negatiivinen ja positiivinen virrankerääjä pitää vielä myös kontaktoida akun ulkokuoren terminaaleihin, mihin on sisään rakennettu mm. sulake ja muita turvallisuutta parantavia komponentteja. Vielä ennen kuin kennot voidaan lähettää asiakkaille ne pitää formatoida, jonka aikana kenno ladataan ja puretaan hallitusti muutamia kertoja, jotta se saadaan stabiloitua.

Sylinteri, pussikenno ja prismaattinen.
Kuva 2. Kolme tavallista kennotyyppiä.

Litiumioniakku on kuin hyvin monimutkainen tehdas, missä kaikki vaikuttaa kaikkeen ja se on täynnä kompromisseja. Jos haluat enemmän tehoa, energiatiheys laskee. Jos haluat suuremman energiatiheyden, akun elinikä laskee. Kaikkea ei voi saada, joten kennot pitää suunnitella tarkoin käyttökohdettaan varten. Tämä oli pala akkua.

Lähteet
  • Adamson, A., Väli, R., Paalo, M., Aruväli, J., Koppel, M., Palm, R., Härk, E., Nerut, J., Romann, T., Lust, E., & Jänes, A. (2020). Peat-derived hard carbon electrodes with superior capacity for sodium-ion batteries. RSC Advances, 10(34), 20145–20154. https://doi.org/10.1039/D0RA03212C

  • Anonymous. (2021). Estonians are turning soil into batteries. https://www.ut.ee/en/news/estonians-are-turning-soil-batteries

  • Keränen, M. (2020). Ensimmäisenä maailmassa: Aalto-yliopiston tutkijat käyttivät akun suojaukseen hiilidioksidia –”Lottovoitto olisi, jos akuissa pystyisi käyttämään metallista litiumia”. https://www.tekniikkatalous.fi/uutiset/ensimmaisena-maailmassa-aalto-yliopiston-tutkijat-kayttivat-akun-suojaukseen-hiilidioksidia-lottovoitto-olisi-jos-akuissa-pystyisi-kayttamaan-metallista-litiumia/ef2f320b-02fc-42ae-ae62-f4f506264a17

  • The Nobel Prize in Chemistry 2019. (2019). https://www.nobelprize.org/prizes/chemistry/2019/summary/

  • Tuohinen, P. (2021). Virossa kehitetään tekniikkaa, jolla voisi valmistaa akkuja turpeen avulla. https://www.hs.fi/talous/art-2000008328628.html

  • Whittingham, M. S. (2004). Lithium batteries and cathode materials. Chemical Reviews, 104(10), 4271–4301. https://doi.org/10.1021/cr020731c