Kuvittele, että olisi olemassa akku, jonka ansiosta voisit ajaa sähköautolla 1 000, 1 500 tai jopa 2 000 kilometriä lataamatta sitä välillä – ja joka olisi halvempi, kevyempi ja ympäristöystävällisempi kuin nykyään sähköautoissa, tietokoneissa, älypuhelimissa ja muissa mobiililaitteissa käytettävät litiumioniakut.
Tällainen akku ilmestyi näköpiiriin sen jälkeen, kun tutkijat onnistuivat sekoittamaan oikeanlaisen koktailin litiumista, rikistä ja ripauksesta sokeria.
Tuloksena oli litium-rikkiakku, joka on ollut tutkijoiden toivelistalla jo vuodesta 1962, jolloin se keksittiin ja patentoitiin. Vasta nyt, 60 vuotta myöhemmin, akun voidaan odottaa olevan pian arkipäivää.
Ratkaiseva läpimurto tehtiin Australiassa Monashin yliopistossa, eivätkä sen takana olevat tutkijat säästele sanojaan maalaillessaan litium-rikkiakun tulevaisuudenkuvia.
”Alle kymmenessä vuodessa tekniikka voi mahdollistaa ajoneuvot, kuten sähköbussit ja -kuorma-autot, joilla ajetaan Melbournesta Sydneyyn (n. 880 km, toim. huom.) lataamatta välillä”, ennustaa professori Mainak Majumder.
Monashin yliopistossa suunniteltu litium-rikkiakun koemalli osoittaa, että 60 vuotta vanha idea toimii käytännössä.
Vaihtoehto kestomenestyjälle
Kun uudenlainen akku tulee markkinoille, 1990-luvun alusta asti hyvin palvelleet litiumioniakut saavat vahvan kilpailijan.
Toimintaperiaatteeltaan akkutyypit vastaavat toisiaan. Kummassakin on kaksi elektrodia, jotka erottaa toisistaan elektrolyytiksi kutsuttu liuos. Siinä kulkevat elektronien sijasta ionit eli atomit, jotka ovat luovuttaneet elektronin. Kun akkua ladataan, positiivisesti varautuneet ionit liikkuvat litiumelektrodista toiseen elektrodiin, joka on yleensä grafiitiksi kutsuttua hiiltä. Siellä ionit varastoituvat hiiliatomien lomaan.
Kun akkua käytetään, se purkautuu tapahtumasarjan edetessä toisin päin. Tälläkin kertaa vain ionit kulkevat liuoksessa. Irralliset elektronit voidaan kuitenkin johtaa elektrodeihin liitetyillä johdoilla akusta virtapiiriin, josta esimerkiksi sähköauton moottori ottaa käyttövoimansa.
Mitä enemmän ioneja akku pystyy keräämään toiseen elektrodiin, sitä suurempi sen energiatiheydestä tulee. Energiatiheys ilmaisee, paljonko akkuun voi varastoitua sähköä.
Rikki pakkaa energian akussa tiukempaan
1. Ionit kulkevat elektrodista toiseen
Kun litiumioniakkua ladataan, siirretään elektroneja elektrodista toiseen. Silloin positiivisesti varautuneet ionit liikkuvat litiumelektrodista yleensä grafiittia eli puhdasta hiiltä olevaan elektrodiin.
2. Ionit puikahtavat piiloon
Hiilielektrodi kerää litiumioneja atomiensa lomaan ja säilyttää niitä siellä, kunnes akusta otetaan virtaa. Elektrodi voi varastoida ioneja rajallisesti, koska yhden ionin sitomiseen tarvitaan aina kaksi hiiliatomia.
3. Rikki vangitsee enemmän ioneja
Litium-rikkiakussa ionit kulkevat elektrodien välissä vastakkaiseen suuntaan. Olennaista on se, että jokainen rikkiatomi sitoo kaksi ionia. Siten energiatiheys kasvaa, ja akun kapasiteetti jopa viisinkertaistuu.
Rikkielektrodin energiatiheys on jopa viisinkertainen verrattuna tavallisissa litiumioniakuissa käytettäviin grafiittielektrodeihin. Juuri tästä syystä toimivaa litium-rikkiakkua on yritetty kehittää vuosikymmeniä.
Akun kestävyys on suuri ongelma. Kun litium-rikkiakku latautuu tai purkautuu, se turpoaa tai kutistuu. Siksi elektrodi menee nopeasti rikki. Kokeissa kesto onkin ollut vain noin 50 latauskertaa. Litium-rikkiakut kärsivät myös toisesta käyttöikää lyhentävästä vaivasta.
Kun litiumionit kulkevat edestakaisin elektrodien välillä, syntyy rikkiyhdisteitä, joita kutsutaan kemiassa polysulfideiksi.
Aineiden takia ionit kuljettavat mukanaan rikkiä litiumelektrodiin, joka on väärä osoite. Polysulfideista muodostuu pinnoite, joka vähitellen vahingoittaa elektrodia ja huonontaa akun toimintaa ja kestävyyttä.
Sokeri ratkaisee ongelmat
Kumpaankin pulmaan on ilmeisesti löydetty hyvä ratkaisu tavallisesta hiilihydraatista. Australialaistutkijat keksivät lisätä rikkielektrodiin sideaineeksi glukoosia eli rypälesokeria.
Litium-rikkiakusta on tehnyt ongelmallisen se, että litiumelektrodin (vas.) pinnalle syntyy ioneja pysäyttävä polysulfidikalvo. Ongelma voidaan ratkaista sokerilla (oik.).
Kun lisätään sokeria, rikki muodostaa rakenteen, joka sekä vahvistaa elektrodia että antaa litiumioneille enemmän sitoutumispaikkoja. Kokeiden mukaan sokeri myös ehkäisee litiumelektrodia peittävien polysulfidien syntymistä.
Kummankin vaikutustavan ansiosta koemalli on kestänyt noin tuhat latauskertaa. Näin akku on päässyt samaan sarjaan perinteisten litiumioniakkujen kanssa.
Sokerikikka äkättiin vuonna 1988 julkaistusta tutkimusartikkelista, johon australialaisyliopiston jatko-opiskelija Yingyi Huang oli törmännyt sattumalta. Siinä luki, että sokeri voi sitoutua maassa rikkiyhdisteisiin. Yingyi Huang ehdotti professori Mainak Majumderille, että keinoa kokeillaan rikkielektrodissa.
Uudella akulla sähköautot pääsevät polttomoottori- ja polttokennoautojen edelle.
Jo aikoja sitten toisella tieteenalalla tehdyn tutkimuksen innoittamina tutkijat alkoivat laatia reseptiä, jonka mukaan litium-rikkiakusta leivotaan menestystuote.
Etenkin uudenlaisen akun energiatiheydellä on suuri merkitys sähköautoille. Niiden valmistajat tähtäävät pitkään toimintamatkaan eli latausväliin mahdollisimman pienellä ja kevyellä akustolla.
Sähköautojen akustot vaihtelevat painoltaan. Esimerkiksi 80 kilowattitunnin akusto, jolla voi ajaa yhtä kyytiä jopa 500 kilometriä, painaa noin 500 kiloa, eli sen osuus auton painosta on noin 25 prosenttia.
Nykyisten litiumioniakkujen energiatiheys voi olla noin 250 wattituntia kiloa kohti. Litium-rikkiakkujen kaksin- tai kolminkertainen energiatiheys tarkoittaa 500–750 wattituntia kiloa kohti ja samalla toimintamatkan kaksin- tai kolminkertaistumista noin 1 500 kilometriin.
Toisin sanoen sähköauto kykenee ensimmäisen kerran kilpailemaan tasaväkisesti polttokennoautojen kanssa. Nehän ovat polttomoottoriautojen toinen vihreä vaihtoehto.
Litium-rikkiakku pidentää sähköautojen toimintamatkan nykyisestä 500 kilometristä 1 500 kilometriin. Siten ne ohittavat polttomoottori- ja polttokennoautot, joilla pääsee noin 1 300 kilometriä.
Ja ehkä kehitys menee eteenpäin. Teoriassa uusi akkutyyppi voi viisinkertaistaa toimintamatkan. Silloin se olisi 2 500 kilometriä.
Ympäristökuormitus pienenee
Litium-rikkiakku on vähintään nykyisten akkujen veroinen muutenkin kuin kestävyyden ja energiatiheyden osalta. Se aiheuttaa nykyvaihtoehtoja vähemmän ilmasto- ja ympäristöhaittoja.
Perinteiset litiumioniakut sisältävät harvinaisia alkuaineita, kuten kobolttia, joka vakauttaa litiumelektrodia ja parantaa sen kykyä luovuttaa ja vastaanottaa ioneja. Rikkiin perustuvissa akuissa ei ole pakko käyttää kobolttia, ja se on plussaa.
Kobolttia tulee avolouhoksista, joissa käytetään raskaita kaivinkoneita ja kuorma-autoja. Kaivostoiminta muuttaa rajusti ympäristöä ja aiheuttaa paljon hiilidioksidipäästöjä.
Lisäksi koboltti on niin harvinainen metalli, että sen riittävyydestä ei ole takeita. Kansainvälinen energiajärjestö (IEA) arvioi, että koboltin kysyntä ylittää tarjonnan jo vuonna 2030. Nykyään Kongon demokraattinen tasavalta tuottaa kaksi kolmasosaa koboltista, ja useat ihmisoikeusjärjestöt ovat raportoineet vaarallisista työolosuhteista ja lapsityövoiman käytöstä sikäläisissä kaivoksissa.
Kongon demokraattisen tasavallan koboltintuotantoon liittyy vaikeita eettisiä ongelmia epäinhimillisten työolosuhteiden vuoksi.
Kaikista näistä syistä olisi hyvä, jos uusi litium-rikkiakku vähentäisi koboltin tarvetta. Rikkiä on saatavilla yllin kyllin, sillä se on maapallon kymmenenneksi yleisin alkuaine ja tavallinen teollisuuden sivutuote ja jäte.
Litiumioniakut ovat lisäksi turvallisuusriski. Ne voivat syttyä itsestään sisäisen oikosulun takia esimerkiksi silloin, kun akusto on vaurioitunut. Vaarallisuutta ei ainakaan vähennä se, että toisessa elektrodissa on litiumin ja koboltin ohella happea.
Nykyisten litiumioniakkujen toisessa elektrodissa on happea. Se suurentaa akun syttymisriskiä. Uusi litium-rikkiakku on hapeton ja siten turvallisempi.
Litium-rikkiakun elektrodit eivät sisällä happea. Asiantuntijat pitävätkin niitä vähemmän palovaarallisina kuin edeltäjiä.
Tuotantoon viidessä vuodessa
Monashin yliopiston tutkijat joutuvat vielä painimaan parin ongelman kimpussa, ennen kuin he voivat kaupallistaa litium-rikkiakun koemallin. Esimerkiksi hakusessa on parempi keino estää pinnoitteen syntyminen litiumelektrodiin, mutta vallalla on optimismi – myös tutkijoiden kanssa yhteistyötä tekevässä yrityksessä Enserv Australiassa.
”Aiomme aloittaa litium-rikkiakkujen valmistamisen Australiassa noin viiden vuoden kuluessa”, kertoo johtaja Mark Gustowski.
Monet seikat puhuvat nyt sen puolesta, että juuri litium-rikkiakut haastavat pian nykyiset litiumioniakut.
Myös muita akkutyyppejä on kuitenkin kehitteillä. Niitä yhdistää se, että ne perustuvat toisiin alkuaineisiin kuin nykyiset. Se voi olla sekä etu että haitta.
Eri aineisiin perustuvia akkuja
Akkujen kestävyys ja nykyään akuissa käytettyjen metallien vähyys pakottavat turvautumaan muihin aineisiin. Lähitulevaisuudessa nähdään uudenlaisia akkuja, joilla on omat vahvuutensa ja heikkoutensa.
1. Rikki keventää ja vahvistaa akkua
Jo 5–10 vuoden kuluessa saadaan käyttöön litiumia ja rikkiä sisältäviä akkuja, joiden energiatiheys on jopa viisinkertainen verrattuna siihen, mihin on totuttu. Akut pienenevät ja kevenevät – ja sopivat hyvin puhelimiin, autoihin ja drooneihin.
2. Happi kymmenkertaistaa toimintamatkan
Noin 10–15 vuoden kuluttua käytetään myös akkuja, joissa toinen elektrodi on litiumia ja toinen ilmassa olevaa happea. Silloin saavutetaan kymmenkertainen energiatiheys nykyakkuihin verrattuna. Sähköautolla voi siis ajaa jopa 5 000 kilometriä yhdellä latauksella.
3. Natriumia litiumin sijasta
Natriumia voidaan erottaa määrättömästi merivedestä, ja useat yritykset kehittävät akkua, jossa natrium korvaa litiumin. Natriumakun energiatiheys on pienempi, mutta sitä voidaan ehkä hyödyntää esimerkiksi vihreän energian varastoinnissa.
Tutkimuksen kohteena on muun muassa litium-ilma-akku, jossa tavallisen ilman sisältämä happi toimii toisena elektrodina. Litium-ilma-akun energiatiheys voi olla teoriassa kymmenen kertaa niin suuri kuin litiumioniakun ja siten kaksi kertaa niin suuri kuin litium-rikkiakun.
Ongelmana on vain se, että akut on vaikea saada kestämään jatkuvaa lataamista ja purkamista.
Kehitettäviin vaihtoehtoihin kuuluu myös niin sanottu solid state -akku, jossa elektrolyyttiliuos on korvattu kiinteällä elektrolyytillä. Toistaiseksi akkutyyppiä on käytetty pienissä laitteissa, kuten sykemittareissa ja tahdistimissa, joissa energiatiheyden ja paloturvallisuuden kaltaiset tekijät ovat avainasemassa.
Pienelektroniikassa solid state -akkujen huonolla puolella, suurilla materiaalikustannuksilla, on vähemmän merkitystä.
Edullisuus tekee puolestaan natriumioniakusta erityisen kiinnostavan. Siinä on siis litiumin sijasta natriumia, jota on – toisin kuin litiumia – kirjaimellisesti kuin meren mutaa. Natriumia voidaan nimittäin erottaa merisuolasta. Natriumioniakun energiatiheys on kuitenkin pienehkö.
Siksi litium säilyttää asemansa keskeisenä akkujen raaka-aineena. Sen talteenottoa ja kierrätystä pyritään kehittämään riittävyyden varmistamiseksi. Jos hyvin käy, litium-rikkiakuista saadaan energiavarastoja, jotka liikuttavat meitä kymmeniä vuosia.