Teksti Marja Ollakka, kuva Teemu Kuusimurto
Marja Vilkman edistää VTT:llä entistä vastuullisempia ja tehokkaampia akkuja. Eurooppa ei pärjää globaalissa kilpailussa, jollei nyt panosteta akkututkimuksen ja teollisuuden yhteistyöhön, Vilkman sanoo.
VTT:n johtava tutkija Marja Vilkman koki omien sanojensa mukaan akkuherätyksen vuonna 2018 ja on sen jälkeen keskittynyt akkuteknologian kehittämiseen.
Yli 15 vuotta joustavien aurinkokennojen ja painetun elektroniikan parissa työskennellyt tutkija havahtui siihen, että yhteiskunnan sähköistyminen on avain ilmastonmuutoksen torjuntaan. Ja sähköistyminen ei onnistu ilman akkuja.
”Aluksi tavoitteenani oli kehittää taipuisa akku puettavan elektroniikan ja terveysteknologian tarpeisiin. Lähdin mukaan eurooppalaisten akkujärjestöjen toimintaan. Ymmärsin pian aihepiirin laajuuden. Mielenkiinto akkuihin kasvoi ja tutkimuksen aiheet laajenivat muihinkin sovelluksiin.”
Hän ryhtyi opiskelemaan akkuteknologiaa laajasti. Seuraavaksi hän rakensi esihenkilönsä tuella tutkimusryhmän ja perusti kollegojensa kanssa akkulaboratorion.
”Akut ovat avainasemassa, kun ihmiskunta pyrkii kohti vähähiilistä yhteiskuntaa”, Vilkman sanoo.
Akkuja tarvitaan kaikkialla. Aurinko- ja tuulivoimaa voi hyödyntää tehokkaammin, kun energiaa voi varastoida akkuihin.
”Yksi akkutyyppi ei kuitenkaan riitä, vaan tarvitsemme erilaisia akkuja eri käyttötarpeisiin.”
Natriumia ja biohiiltä akkuihin
Marja Vilkman korostaa akkutuotannossa vastuullisuutta. Se tarkoittaa esimerkiksi valmistuksen aikana käytetyn energian vähentämistä, myrkyllisten aineiden vähentämistä tuotannossa ja kaivannaisten korvaamista uusilla materiaaleilla.
VTT:llä on kymmeniä akkualan tutkijoita ja asiantuntijoita koko arvoketjun matkalla. Vilkman vetää yhtiön epävirallista Battery Node -ryhmää, jossa akkututkijat jakavat osaamistaan.
Vilkmanin oma tutkimus keskittyy uuden sukupolven akkutyyppeihin, joiden tuotanto kuormittaa ympäristöä litiumioniakkuja vähemmän.
Kiinteän elektrolyytin akut ovat käytössä sähköautoissa alle 10 vuoden sisällä.
”Johdan SOLiD-EU-projektia, jossa on mukana myös suomalainen Pulsedeon-yritys. Kehitämme Pulsedeonin kanssa kiinteän elektrolyytin akkuja, jotka olisivat myös energiatiheämpiä kuin nykyiset litiumioniakut.”
”Kehitämme projektissa kuivapäällystysprosessia, jossa elektrodit valmistetaan ilman liuottimia. Se vähentää energiankulutusta ja myrkyllisten aineiden käyttöä, mikä parantaa myös työntekijöiden turvallisuutta.”
Ryhmä tutkii myös biopohjaisia materiaaleja, joilla voi korvata kaivettuja raaka-aineita. Esimerkiksi biohiili voi korvata fossiilista grafiittia. Lisäksi kehitteillä on natriumioniakkuja, koska natriumia on paljon helpommin saatavilla kuin litiumia.
Marja Vilkman uskoo, että kiinteän elektrolyytin akut ovat käytössä sähköautoissa ja muissa sovelluksissa alle kymmenen vuoden sisällä. Niiden energiatiheys on suurempi kuin nykyisissä akuissa. Ne ovat myös pienempiä ja turvallisempia, koska ne eivät sisällä syttyviä liuottimia.
Vilkman myös odottaa biohiilen vakiintuvan standardiksi akuissa.
”Tutkijoiden kannattaa vähentää ajan käyttämistä materiaaliin, joka on liian myrkyllistä tai herkkää.”
Marja Vilkmanin mielestä Euroopan paras keino pärjätä globaalissa kilpailussa on nopeuttaa tutkimustulostensa siirtämistä teollisuuden käyttöön.
Jotta innovaatiot saadaan nopeasti kaupalliseen käyttöön, akateemisen ja teollisen maailma on tehtävä yhteistyötä. Hän kannustaa akkualan tutkijoita pohtimaan jo alkuvaiheessa, voisiko tuloksia skaalata myöhemmin teolliseen tuotantoon.
Yliopistoihin teollisten prosessien ymmärrystä
”Yliopistojen tulee aktiivisesti kouluttaa opiskelijoitaan ja tutkijoitaan ymmärtämään teollisia prosesseja ja skaalautuvuuden vaatimuksia.”
Akkututkijoita hän kannustaa priorisoimaan rohkeasti esimerkiksi tutkimusmateriaalinsa valinnassa.
”Kannattaa vähentää ajan käyttämistä materiaaliin, joka on liian myrkyllistä tai herkkää – vaikka sillä olisi hyvä sähkökemiallinen suorituskyky.”
Tärkeää on myös muuttaa näkökulmaa siihen, millä aiheilla on uutuusarvoa tutkimusjulkaisuissa.
”Myös skaalautumista käsittelevillä julkaisuilla on uutuusarvoa. Keskimääräisen sähkökemiallisen suorituskyvyn materiaalin uutuusarvo voi olla juuri se, että sitä on erittäin helppoa ja turvallista käsitellä. Samalla kehitetään prosessi, joka johtaa toistettaviin tuloksiin.”
Akkujen kokonaisvaikutus on plussalla
Monia huolettaa, että akkujen valmistus ja kaivostoiminta tuottavat negatiivisia ympäristövaikutuksia.
Kun yhteiskunta sähköistyy, akkujen käyttö kokonaisuudessaan pienentää hiilijalanjälkeämme, Vilkman sanoo.
”Täytyy huolehtia, että akkuja ja materiaaleja tuotetaan vastuullisesti koko valmistusketjussa. Euroopan tutkimuksella, lainsäädännöllä ja teollisuudella on siinä tärkeä rooli. Kun käytämme eurooppalaisia raaka-aineita, voimme paremmin valvoa, miten vastuullista tuotanto on.”
Suomessa akkuarvoketju kattaa koko elinkaaren raaka-aineiden louhinnasta kierrätykseen ja uudelleenkäyttöön.
Vahva tutkimusosaaminen, kehittynyt teknologiaympäristö ja kattava kierrätysinfra tekevät Suomesta edelläkävijän.
”Jo nyt on käytössä monia hyviä ratkaisuja ja akkuteknologia kehittyy koko ajan. Toivoa siis on, hyvinkin.”
Lue myös: ”Akkujen valmistus on vielä kaukana vihreästä teknologiasta”
Kun akut kehittyvät, riippuvuus litiumista ja muista harvinaisista metalleista vähenee.
Akkuteknologioita nyt ja tulevaisuudessa
Litiumioniakut (Li-ion)
- Yleisin ladattava akkuteknologia.
- Käytössä älypuhelimissa, kannettavissa tietokoneissa, sähköajoneuvoissa ja energian varastointijärjestelmissä.
Natriumioniakut (Na-ion)
- Kehittyvä teknologia. Osin jo tuotannossa. Käy sovelluksiin, joissa energiatiheys ei ole kriittinen tekijä, kuten sähköverkkojen energiavarastoihin.
- Edullisempi ja ympäristöystävällisempi kuin kuin litiumioniakku. Natriumia saatavilla helposti.
Kiinteän elektrolyytin akut
- Seuraavan sukupolven teknologia. Perinteinen nestemäinen tai geelimäinen elektrolyytti on korvattu kiinteällä elektrolyytillä.
- Suurempi energiatiheys ja tavoitteena pidempi käyttöikä litiumioniakkuihin verrattuna.
Litiumrikkiakut
- Lupaava teknologia. Voi tarjota merkittäviä parannuksia energiatiheyteen ja kustannuksiin.
- Keveä ja korkea energiatiheys. Sopii ilmailuun ja avaruusteknologiaan.
Orgaaniset akut
- Edulliset materiaalit ja kierrätettävyys.
- Haasteina alhaisempi energiatiheys ja syklinkestävyys, mutta tutkimus voi selättää ongelmat.
Metalli-ilma-akut
- Suuri energiatiheys, edulliset raaka-aineet ja kevyt rakenne
- Ladattavia versioita tutkittu vasta labora-
toriotasolla. Käytössä jo pienissä laitteissa, kuten kuulokojeissa.
Kalium-, sinkki-, magnesium- ja kalsiumpohjaiset akut
- Kehitysvaiheessa. Teknologiat mahdollistavat kestävämpiä, edullisempia ja turvallisempia energian varastointiratkaisuja.
- Näiden akkujen kehitys voi vähentää riippuvuutta litiumista ja muista harvinaisista metalleista.
Lähde: VTT
