Sähköauton tekniikkaa osa 1: Akkukemiaa

Sähköauton lataaminen ja siihen liittyvät väärinkäsitykset ovat yksi suurimmista esteistä sähköautojen yleistymiselle. Tässä jutussa valotetaan litiumioniakun (Li-ion) kemiaa.

Akkukemiaa

Sähkö on elektronien liikettä. Litiumioniakun toiminta perustuu muiden akkujen tapaan kemialliseen reaktioon, jossa elektroneja siirtyy atomista toiseen hapetus- ja pelkistymisreaktion kautta. Litiumioniakku koostuu kahdesta elektrodista (+ ja -) sekä niiden välisestä elektrolyytistä. Elektrolyytin tarkoitus on pitää elektrodit fyysisesti erillään toisistaan ja mahdollistaa ionion kulku niiden välillä.

Akun purkautuessa akun negatiivisesti varautuneessa elektrodissa eli katodissa vapautuu hapettumisen yhteydessä elektroneja. Ne kulkevat virtapiirin kautta positiivisesti varautuneelle elektrodille eli anodille, jossa ne taas pelkistyvät. Syntynyt sähkö voidaan hyödyntää halutulla tavalla, on kyseessä sitten taskulamppu tai sähköauto. Akkua ladatessa kemialliset reaktiot taas tapahtuvat päinvastaisessa järjestyksessä.

Materiaalivalinnat vaikuttavat akun energiatehokkuuteen, hintaan ja ominaisuuksiin, ja eri valmistajat ovat päätyneet erilaisiin akkukemioihin. Tesla käyttää NCA-kemiaa (LiNiCoAlO2) eli Litiumin lisäksi akussa on nikkeliä, kobolttia ja alumiinia. Tesla kulkee omia polkujaan, koska käytännössä kaikki muut valmistajat käyttävät NCM-kemiaa (LiNiMnCoO2) eli alumiinin sijaan käytetäänkin mangaania. Näiden lisäksi lähinnä kannettavissa laitteissa käytetään lukuisia muita materiaaleja, jotka eivät ole kuitenkaan riittävän pitkäikäisiä eivätkä anna riittävästi tehoa sähköautokäyttöä ajatellen. Sähköauton akkukemia ja akun lataaminen on täysin erilaista verrattuna lievällä väkivallalla nopeasti ladattavaan ja siksi vuodessa kuolevaan kännykänakkuun.

Katodimateriaaleja

Litium on yleinen akuissa sen keveyden ja yleisyyden ansiosta. Litiumilla kuten muillakin alkalimetalleilla on yksi valenssielektroni, joten ne sopivat akkuihin mainiosti. Litiumin huono puoli on sen reaktioherkkyys sekä veden että hapen kanssa. Kauhujutut akkujen räjähtämisestä johtuvat juuri litiumin aktiivisuudesta, mutta sähköautoissa akut on suojattu paljon paremmin kuin ainakin elokuvissa helposti räjähtävät bensatankit, vetyautoista nyt puhumattakaan…

Nikkeliä käytetään kaikissa sähköautotyypeissä. Teslan akussa sen osuus on tuplat muihin verrattuna akkukemiasta johtuen. Nikkeli on suhteellisen halpaa, joten Tesla saa tästä kustannusedun halvemman materiaalin ansiosta.

Koboltti on kallein akussa käytettävä materiaali. Sen hinta vaihtelee voimakkaammin kuin muilla metalleilla ja se on akkutuotannon heikoin lenkki. Siitä lisää myöhemmin artikkelissa.

Mangaani on halpaa tavaraa, mutta sen ongelma on siinä, että NCM-kemiassa se vaatii kaverikseen edellämainittua kallista kobolttia. Niinpä mangaanin hinnan edullisuus ei oikeastaan paina vaakakupissa. Teslan akussa ei ole lainkaan mangaania.

Alumiini on ylestä ja halpaa metallia, ja sitä taas käytetään NCA-kemiassa. Sen saatavuus ja hinta on niin halpa, ettei sillä ole käytännön merkitystä vaikka akkujen tuotanto kasvaisi moninkertaiseksi. NCM-akuissa ei siis ole lainkaan alumiinia.

Anodimateriaalit

Grafiitti on yleisin anodimateriaali. Grafiitti on hiilen yleisin ilmenemismuoto, joten sen saatavuus ei ole ongelma, vaikka esimerkiksi yhdessä Nissan Leafin akussa on 40 kg grafiittia. Täyteen ladatussa akussa grafiitti laajenee n. 10 %.

Pii on kiinnostava anodimateriaali, koska se kykenee sitomaan samaan tilavuuteen kymmenkertaisen määrän energiaa graffitiin verrattuna. Haittapuolena täyteen ladattu akku laajenee 3-4 kertaiseksi, joten käytännössä täysin piistä valmistettu anodi ei ole mahdollinen. Tesla on kyennyt käyttämään merkittävän osan piitä akuissa. Teslan akuissa on ollut piitä 10-15% osuus vuodesta 2016 alkaen, ja Model 3:n akussa arvioidaan piin osuuden nousseen jo yli 15% rajan.

Karu koboltti

Molemmissa kemioissa käytetään kobolttia, jonka kysyntä ja siten myös hinta ovat moninkertaistuneet sähköautojen yleistyessä. Esimerkiksi vuoden 2017 aikana koboltin hinta nousi kolmanneksen, joten uhka raaka-ainekulujen noususta on edelleen on suuri. Koboltin käytön arvoidaan ainakin kolminkertaistuvan vuoteen 2026 mennessä [2].

Koboltin tuotanto on keskittynyt kriisiherkkään Kongoon, joka tuottaa liki 60% koko maailman koboltista. Toiseksi suurin tuottaja Venäjä vastaa reilun 5% osuudesta, eikä sekään mikään lintukoto ole; Australia pääsee pronssille noin 4% siivulla. Kongon kaivosten lapsityöläiset ja muut lieveilmiöt ovat mainioita astaloita sähköautojen vastustajien käsissä, vaikka koboltti syntyy lähinnä muiden metallien, kuten kuparintuotannon sivutuotteena joka tapauksessa. Koboltti on kuin uraani Talvivaarassa; kun sitä prosessissa syntyy joka tapauksessa, niin se nyt vaan kannattaa ottaa talteen sen sijaan, että se dumpattaisiin kuonakasaan ja jätettäisiin hyödyntämättä.

NCM vai NCA?

NCM-tekniikassa lähdettiin liikkeelle NCM111-seoksesta, jossa nikkelin, koboltin ja mangaanin osuudet olivat yhtä suuret. Koboltin määrää on onnistuttu vähentämään ensin NCM523-materiaalin myötä (5 osaa nikkeliä, 2 osaa kobolttia ja 3 osaa mangaania) ja nyttemmin NCM623-materiaalin myötä (6 osaa nikkeliä, 2 osaa kobolttia ja 3 osaa mangaania). NCM-kemian huipentumana nähdään NCM811 (8 osaa nikkeliä, 1 osa kobolttia ja 1 osa mangaania), jossa koboltin osuus kutistuu kolmasosasta kymmenykseen (70% vähennys materiaalissa) – kunhan näitä akkuja vain saadaan rakennettua. Nykytekniikalla tämä akkutyyppi ei vielä ole kaupallisesti hyödynnettävissä, vaan kehitystyötä tarvitaan.

NCA-tekniikan puolella Tesla ja Panasonic ovat tehneet hyvää kehitystyötä koboltin osuuden pienentämisessä: vuosina 2012-2018 Tesla on onnistunut vähentämään koboltin kulutusta liki 60%! Ensimmäisten Tesla Model S -mallien akuissa kobolttia oli noin 11 kg, kun nykymallissa sitä tarvitaan enää 7 kg. Model kolmosen akussa energiatiheys on parantunut entisestään ja uuden tekniikan myötä kobolttia on akussa 4,5 kg.

Tekniikan paremmuus on tällä hetkellä selvä. NCM-tekniikka ei kykene vastaamaan Panasonicin ja Teslan asettamaan haasteeseen edes NCM811-akkujen lopulta saapuessa. Vaikka Teslan kehityspotentilaali on jo tehtyjen suurten parannusten ansiosta niukempi, säilyy Teslan ylivoima akuissa näillä näkymin vielä pitkään.

Teslan muut edut akuissa

Teslan etumatka ei rajoitu pelkkään akkukemiaan, vaan toinen merkittävä tekijä akkukemian rinnalla on itse kennon rakenne. Muista sähköautoista poiketen Tesla käyttää vakiomuotoista kennoa, jonka ansiosta akun valmistaminen on suoraviivaisempaa kuin jos jokaisessa automallissa olisi varta vasten siihen suunniteltu akku. 18650 kennoa käyttäessä akun kapasiteettia on helppo muuttaa kennojen määrää muuttamalla, ja kennoja voidaan myös asentaa sarjaan tai rinnan halutulla tavalla. Sylinterinmuotoinen kenno on myös kilpailijoiden suosimia neliömäisiä kennoja järkevämpi myös valmistusprosessin ja käyttövarmuuden kannalta.

Teslan ensimmäinen malli, alkuperäinen Roadster, käytti suoraan Panasonicin 18650 kennoa, ja myös Model S: n ensimmäiset versiot käyttävät samaa akkutyyppiä. Tämä ensimmäinen akkuversio oli käytössä vuosina 2009-2015, ja akkukemia on siis NCA.

Uudessa akkutyypissä 2016 koboltin osuutta pienennettiin. Anodimateriaaliin lisättiin samalla piitä, jolla on 10-kertainen energiatiheys, mutta joka laajenee täysin ladattuna 3-4 kertaiseen tilavuuteen. Kun grafiitti laajenee vain 10%, on piin kohdalla mietittävää.

Panasonicin ja Teslan yhteistyö on ollut hyödyllistä molemmille. Ennen Gigafactorya huonossa tuloskunnossa ollut Panasonic löysi uuden kannattavan liiketoiminta-alueen ja Tesla sai uskottavan kumppanin massiiviselle hankkeelleen. Vaikka Panasonicin rooli on suuri, niin itse tehdas ja akkutekniikka on Teslan omistuksessa. Tällä hetkellä Tesla hyötyy saadessaan ainoana autonvalmistajana käyttää energiatehokasta, kobolttiniukkaa ja edullista tekniikkaa.

Seuraavassa osassa paneudumme akun lataamiseen.