Feststoffakkut ja niiden tulevaisuus sähköautoissa

Sähköautot käyttävät tällä hetkellä energiaa litiumioniakuista, joissa elektrolyytti on nestemäisessä muodossa. Tämä on nykyteknologian taso, joka on käytössä suurimmassa osassa sähköautoja. Kehitysvaiheet ovat kuitenkin käyneet yhä pienemmiksi, ja fysiikan rajat asettavat haasteita erinomaisen akun löytämiseen. Kiinteät akut ovat nousseet esiin muutoksentekijöinä tai seuraavina suuriin saavutuksiin liittyvinä innovaatioina – niiden kompakti rakenne mahdollistaa enemmän energian varastoimista pienemmällä tilalla.

Perinteisten nestemäisten elektrolyyttien sijaan kiinteät akut käyttävät kiinteitä aineita sähkövirran kuljettamiseen anodilta katodille, mikä tekee niistä tunnettuja nimillä Solid State Battery tai All Solid State Battery (ASSB). Tällä hetkellä näitä akkuja on testattu vain laboratorio-olosuhteissa tai yksittäisissä testeissä, eikä massatuotantoa ole vielä käynnistetty. Kilpailu kuitenkin käy kuumana: useat valmistajat, mukaan lukien akkualan yritykset, ovat ilmoittaneet siirtyvänsä sarjatuotantoon.

Kiinteiden akkujen suurin etu on niiden suurempi energiasisältö ja turvallisuus. Tutkijat arvioivat, että litiumioniakkujen energiapitoisuudessa on fysiikan raja noin 350 Wh/kg, kun taas kiinteillä akuilla ennustetaan jopa 500 Wh/kg, mikä tarkoittaa yli 40 prosentin parannusta. Lisäksi materiaalit ovat kemiallisesti vakaampia ja palavat huonommin, mikä lisää turvallisuutta.

Tällä hetkellä haasteena on akun kyky kestää toistuvaa lataamista ilman kapasiteetin heikentymistä. Myös lämpötoleranssi ja edullinen tuotanto vaativat vielä kehitystä. Kun kiinteitä akkuja pystytään valmistamaan suuremmassa mittakaavassa, niiden käyttö tulee todennäköisesti kannattavaksi.

Yhdysvalloissa ja Saksassa, kuten myös Japanissa ja Kiinassa, kilpailee useita auto- ja akkuyrityksiä. Moni autonvalmistaja ostaa akkuja kumppaneiltaan. Porsche, jonka sähköautojen osuus on käsittääksesi nyt jo 28 prosenttia, hankkii akkuja muun muassa Taycan- ja Macan-malleihin, mutta ei paljasta akkujen valmistajaa.

Viimeisin tiedotus koeajosta, jossa käytetään kiinteää akkua, tuli BMW:ltä. Yhdysvaltalaisen Solid Power -akkuvalmistajan kanssa yhteistyössä BMW testaa kiinteää akkua i7-mallissa. Testissä käytetään suuren kapasiteetin konseptiakkuja, ja kokeilussa on prismamaisia soluja, joita käytetään modulaarisesti. Tätä rakennusperiaatetta on sovellettu jo vuodesta 2020 BMW iX3:ssa.

Testiautossa käytetään Solid Powerin ASSB-soluja, joihin BMW on investoinut vuodesta 2021 lähtien. Testin pääpaino on akun laajentumisessa ja sen käyttäytymisessä eri lämpötiloissa. Kiinteät materiaalit asettavat haasteita, sillä niiden laajentuminen lämmön lisääntyessä eroaa nestemäisten elektrolyyttien käyttäytymisestä.

BMW:n tavoitteena on kehittää kiinteistä materiaaleista koostuva akkupaketti, joka mahdollistaa suuremman energiadensiteetin ja siten paremman toimintamatkan samalla akuston laajentuessa. Toinen tavoite on tuotanto yrityksen sisällä, periaatteena ”Local for Local”. Teknisiä yksityiskohtia, kuten kapasiteetti tai latausteho, ei ole kuitenkaan paljastettu.

Mercedes on testannut kiinteällä akulla varustettua EQS-prototyyppiä Saksan teillä. Uuden teknologian ansiosta auto saavuttaa jopa 25 prosenttia pidemmän toimintamatkan verrattuna perinteiseen litiumioniakkuun. Testit osoittavat, että latauksella voi kulkea yli 1000 kilometriä. Ajoneuvoon on asennettu Factorial Energyn valmistamia akkuja, joiden kehityksessä on ollut mukana Formula 1 -asiantuntijoita AMG:ltä.

Mercedes on jo julkaissut ensimmäiset tiedot uudesta akusta: koon ja painon pitäisi vastata sarjavalmisteista EQS:ää. Tehon arvoja ei ole vielä kerrottu. Stuttgartilaisilla on kuitenkin myös toinen projekti työn alla: yhteistyö taiwanilaisen ProLogiumin kanssa on jo tuottanut esituotantomallin kiinteistä akuista, jonka odotetaan valmistuvan 2024.

Stellantis-konserni, johon kuuluvat muun muassa Opel, Fiat, Peugeot ja Citroën, suunnittelee käyttävänsä kiinteitä akkuja Dodge Charger Daytona -testiflotillansa vuodesta 2026 alkaen. Energiavarastot kehitetään yhteistyössä Factorial Energyn kanssa, ja Stellantis on mukana myös tässä projektissa. Ensimmäiset suorituskykytiedot ovat tiedossa: akkujen odotetaan saavuttavan 390 Wh/kg kapasiteetin, ja niiden nimeksi on annettu FEST (Factorial Electrolyte System Technology).

Akku on tarkoitettu Stellantis'n uudelle STLA-alustalle, joka on monikäyttöinen ja soveltuu useille erilaisille voimalinjoille, ei vain sähköautoille. Tälle alustalle tullaan rakentamaan niin SUV:ita kuin suorituskykyautomallejakin – kuten Dodge-demoflottille. Stellantis nimeää STLA:n tavoitteiksi Alfa Romeon, Chryslers, Dodgen, Jeeppien ja Maseratin. Milloin sarjatuotannon aloittaminen tapahtuu, siitä ei ole tällä hetkellä tietoa.

VW testasi ensimmäisiä kiinteitä akkuja vuonna 2024. Testitulokset suosit ovat lupaavia: akkuja, jotka kehitettiin QuantumScapen kanssa, voi ladata 1000 kertaa vain viiden prosentin kapasiteettikadolla. Tämä on lupaava alku kiinteille akuille ja laskennallisesti voisi korvata jopa 500 000 km ajomatkan elinkaaren aikana.

Kuitenkin viimeinen päivitys QuantumScapelta saatiin jo heinäkuussa 2024, jolloin VW ja QuantumScape ilmoittivat yhteistyöstä, jonka tavoitteena on tuottaa akkuja, joiden kapasiteetti voi olla jopa 80 GWh. Tämä on ollut jo yli vuosi sitten, pitkä aika akkujen kehityssykleissä. Sarjatuotannon osalta on kuitenkin jo julkaistu aikaraja: vuonna 2030 Volkswagen-konserni odottaa ensimmäisten kiinteiden akkujen siirtyvän asiakkaille.

Toyota tunnetaan drivereistään ja tekniikastaan, joten se on ollut edelläkävijä myös hybridien (Prius) ja polttokennoautojen (Mirai) saralla. Ensimmäiset raportit kiinteästä akkuautosta maailman suurimmalta autonvalmistajalta kuultiin jo 2023. Akusta väitetään, että se voi ladata 1000 km vain kymmenessä minuutissa. Vuonna 2021 Toyota esitteli prototyypin kiinteästä akusta ja tekee täysillä investointeja akkujen tuotantoon. Kiinteän akun aikarajaksi on ilmoitettu 2027-2028. Vaikka Toyota on tullut markkinoille suhteellisen myöhään, se on silti vakavasti otettava kilpailija.

Vuoden 2024 loppupuolella kiinalainen autonvalmistaja SAIC (jolla on markkinoilla MG-nimi) teki rohkean ilmoituksen, että se tuo markkinoille kiinteällä akulla varustetun auton jo vuonna 2025. Aika loppuu! Kaavailtu malli on kaksipaikkainen Cyber GTS -roadster, joka saattaa saapua Eurooppaan nimellä Cyberster.

Kilpailussa kiinteiden akkujen tuotannon aloittamisesta saattaa kuitenkin olla etumatkalla kiinalainen akkugigantti CATL. Vaikka maailman suurin akkuvalmistaja, joka myös toimii Thüringenissa, on pitänyt saavutuksensa tiukasti omassa hallinnassaan ennen äskettäistä pörssilistoitustaan, kiinalaiset valtiolliset mediat raportoivat loppuvuodesta 2024 testisoluista, joiden kapasiteetti on 20 Ah. Tämä vastaa esimerkiksi BMW i3:n tavanomaisissa käytössä noin 7 kWh:n kapasiteettia.

Yli 1000 työntekijän tiimi työskentelee tähän projektiin, ja reports mukaan CATL aikoo aloittaa kiinteiden akkujen tuotannon pienessä mittakaavassa vuonna 2027, ja voisi olla ensimmäinen, joka tuo ne markkinoille.

Kommentti: Jos akku, joka ei voi syttyä, on kompakti ja sen lataaminen on helppoa, odotamme kiinteiden akkujen mukanaan tuomaa sähköautouudistusta. Uskon siihen!