Läpinäkyvät akut, tankattavat sähköautot – näistä puhuttiin vuonna 2011

Ulkomaat 14.12.2011 13:40
Stanfordin yliopiston tutkijat kehittävät läpinäkyviä akkuja. Kuva L.A. Cicero.

Uuden teknologian käyttökelpoisuutta rajoittaa kehityksen perässä laahaava akkutekniikka.

Yhä enemmän sähköä nielevät puhelimet pysyvät päällä hädin tuskin vuorokauden. Sähköautojen virta ei riitä mökille ajoon, ja kaupunkiajossa kolarista saattaa seurata vaarallinen tulipalo. Kaiken lisäksi akkujen lataaminen kestää tuntikausia.

Parempia ratkaisuja tarvittaisiin nopeasti, ja tutkimus onkin vilkasta. Akkuihin liittyviä teknologiauutisia julkaistaan viikoittain.

Mistä teknologialehdistössä kohuttiin vuonna 2011? Mullistavia tuotteita ei tänäkään vuonna syntynyt, mutta monta mielenkiintoista tutkimusta kylläkin.

Nopeampi lataus, enemmän energiaa

Tutkimusryhmät kehittävät tehokkaampia akkuja nanotekniikkaa hyödyntämällä ja kokeilemalla uusia materiaaliyhdistelmiä. Lupaavista tuloksista raportoidaan jatkuvasti, mutta arkielämään useimpia keksintöjä ei voi vielä soveltaa.

Useat viimeaikaisista oivalluksista pohjautuvat siihen, että tutkijat ovat keksineet uudenlaisen tavan hyödyntää piitä akun valmistamisessa. Nykyisin litiumioniakuissa käytetään grafiittia, mutta pii pystyisi säilömään energiaa moninkertaisesti.

Piin käytössä ongelmana on se, että vaikka akku varastoisi sen avulla paljon enemmän energiaa, akuista on vaikea tehdä pitkäikäisiä. Piistä valmistettu anodiksi nimitetty akun osa nimittäin paisuu jopa kolminkertaiseksi, kun akku ladataan. Kun akku purkautuu, anodi kutistuu jälleen, alkaa lohkeilla, ja hajoaa muutaman latauskerran jälkeen käyttökelvottomaksi.

Samaa paisumista ja kutistumista tapahtuu nykyisissäkin akuissa, mutta merkittävästi vähemmän.

Pii kiinnostaa tutkijoita. Syyskuussa Lawrence Berkeleyn laboratorio lupaili 30 prosenttia lisää kapasiteettia akkuihin. He olivat sekoittaneet piitä joustavaan materiaaliin, joka ei hajonnut turpoamisesta huolimatta – ainakaan 32 latauskerran jälkeen.

Marraskuussa Northwestern Universityn  tutkijat lupailivat jopa kymmenkertaista kapasiteettia nykyisiin akkuihin verrattuna. He olivat yhdistäneet piitä grafiittiin. Tämäkin keksintö kärsii ennenaikaisesta hajoamisesta: 150 latauskerran jälkeen akun kapasiteetti oli tippunut jo puoleen.

Tutkijat olivat myös saaneet latausajan pudotettua kymmenesosaan nykyisestä hyödyntämällä nanotekniikkaa. Kun akku latautuu tai purkautuu, litiumionit vaihtavat paikkaa kahden elektrodin, anodin ja katodin välillä. Tutkijat tekivät anodiin reikiä, jolloin litiumionit löysivät paikkansa paljon nopeammin.

Myös Illinoisin yliopiston tutkijat lupailivat ennätysnopeaa latausta ja purkamista, tällä kertaa 10-100 kertaa nykyistä nopeammin. Keksintö pohjautui nanokoossa tehtyyn kehikkomaiseen anodiin, jonka lävitse ionit sujahtavat nykyistä nopeammin. Sitä, kuinka nopeasti keksintö voisi päätyä markkinoille, ei yliopiston tiedotteessa arvioitu.

Tankattava sähköauto


MIT on kehittänyt prototyypin ”tankattavaan sähköautoon” soveltuvasta akusta. Kuva Dominick Reuter.

Sähköautojen yksi isoimmista ongelmista on pitkä latausaika. Massachusettsin yliopiston tutkijat esittelivät toukokuussa tekniikan, joka voi mahdollistaa sähköauton tankkaamisen hieman tavallisen auton tapaan.

MIT:n akussa ei ole samanlaisia kiinteitä elektrodeja kuin nykyisissä akuissa, vaan ne on korvattu puolikiinteillä seoksilla. Uudenlainen sähköauto ladattaisiin pumppaamalla tankki täyteen sähköisesti varattua seosta, joka voitaisiin taas nopeasti vaihtaa varauksen ehdyttyä.

Tutkijoiden mukaan keksintö mahdollistaa sähköauton akun valmistaminen puolella nykyisestä hinnasta. Samalla akun koko puolittuisi. Tutkijat toivovat saavansa toimivan, pienen mittakaavan prototyypin valmiiksi vuonna 2013.

Läpinäkyvät akut

Läpinäkyville akuille on löydetty käyttöä ainakin matkapuhelinvalmistajien konseptimalleissa. Esimerkiksi Nokia esitteli lokakuussa visiotaan tulevaisuuden puhelimesta, joka olisi kauttaaltaan läpinäkyvä ja taivuteltava. Sellaisen tekeminen on kuitenkin ollut käytännössä mahdotonta.

Heinäkuussa Stanfordin yliopiston tutkijat kertoivat kehittäneensä läpinäkyvän litiumioniakun, joka päästää lävitseen jopa 60 prosenttia valosta. Ne akun osat, jotka on valmistettu läpinäkymättömästä aineesta, ovat vain noin 35 mikrometrin levyisiä. Ihmissilmä ei pysty niitä havaitsemaan.

Keksinnön haittapuolena on, että energiatiheys jää toistaiseksi puoleen tavallisista litiumioniakuista.

Tulipalot hallintaan

Litiumioniakkujen ongelmana on, että ne voivat syttyä tuleen, jos niitä kohdellaan liian kovakouraisesti. Esimerkiksi autokolarista seuraava akun sisäinen oikosulku voi aiheuttaa kohtalokkaan tulipalon.

Helmikuussa Illinoisin yliopisto tiedotti tutkimuksesta, jossa kehitettiin turvallisempia akkuja. Tutkijat olivat lisänneet anodin sisään pieniä polyeteenistä valmistettuja muovipalloja, jotka sulavat 105 asteen lämpötilassa. Jos akku vikaantuu, sulavan muovin tulisi samalla katkaista sähkövirta ja estää suurempien vahinkojen aiheutuminen.

Uusiutuva energia talteen

Stanfordin yliopistossa kehitetään pitkäikäisiä akkuja, joita voisi käyttää esimerkiksi sähköverkossa kysyntäpiikkien tasaamiseen. Tutkijat tiedottivat lokakuussa lupaavista tuloksista, joiden mukaan uudet akut voisivat säilyttää 80 prosentin kapasiteetin jopa 40 000 latauksen jälkeenkin.

Tavallisten litiumioniakkujen käyttöiäksi sanotaan useimmiten jotain 400 ja tuhannen latauskerran väliltä.

Kuten muutkin uudet tutkimukset, myös tämä työ on kaukana kaupallistamisesta. Tutkijat ovat kehittäneet vasta akun kaliumiin pohjautuvan katodin. Toinen yhtä tärkeä osa, anodi, puuttuu.