Tutkimus

Ympäristöä säästävä kiinteä litiumakku syntyy tutkijoiden ja teollisuuden yhteistyönä

Tutkija valmistelee laserablaatiota yliopiston materiaalitekniikan laboratoriossa.
Tutkijatohtori Amandeep Singh valmistelee laserablaatiota materiaalitekniikan laboratoriossa Tampereella. Kuva: Jonne Renvall / Tampereen yliopisto
Sähköautoilu ja teollisuuden tarpeet lisäävät akkujen tarvetta moninkertaiseksi jo lähivuosina. Tampereen yliopiston tutkijat kehittävät uusia materiaaleja tulevaisuuden kiinteisiin litiumakkuihin tutkimuslaitosten ja yritysten yhteisessä hankkeessa. Uudet materiaalit ja valmistustekniikat tekevät akuista kevyempiä, tehokkaampia ja turvallisempia ja samalla pienentävät valmistuksen hiilijalanjälkeä.

Sähkön varastointi on tulevaisuuden avaintekniikoita. Litiumakkujen kysyntä kasvaa vuosittain jopa 25 %, kun niitä tarvitaan yhä enemmän sähköisen liikenteen, teollisuuden ja kuluttajaelektroniikan tarpeisiin. Akkujen valmistamiseen käytetään rajallisia ja kalliita raaka-aineita kuten litiumia, kobolttia ja nikkeliä, joiden louhiminen rasittaa ympäristöä.

Tampereen yliopisto tutkii ja kehittää uusia materiaaleja ja valmistustekniikoita neljännen ja viidennen sukupolven kiinteäelektrolyyttiakkuihin Aalto-yliopiston koordinoimassa useiden tutkimuslaitosten ja yritysten NextGenBat-yhteistyöhankkeessa. Projektissa tutkitaan erityisesti akkujen valmistuksessa käytettyjä laserhöyrystys- ja atomikerroskasvatus-ohutkalvotekniikoita, joissa suomalaiset ovat maailman huippua.

Tampereen yliopiston keraamisten materiaalien tutkimusryhmän asiantuntijat tuovat tutkimukseen vahvan tietotaitonsa keraamisten materiaalien prosessoinnista ja herkille akkumateriaaleille käytetystä pulssilaserpinnoitustekniikasta (PLD, pulsed laser deposition).

Tampereen yliopiston tutkimusryhmää johtava professori Erkki Levänen arvioi, että kiinteissä akuissa raaka-aineita tarvitaan noin kolmannes tai jopa puolet vähemmän kuin nykyisissä akuissa.

– Kiinteiden litiumakkujen suurin potentiaali on niiden energiatiheydessä. Litiumin osalta kehitämme mahdollisimman ohuita ja virheettömiä kerroksia, jolloin iso määrä energiaa voidaan tiivistää pieneen kokoon. Uudenlaiset kiinteät akut ovat nykyisiä nesteakkuja kevyempiä ja niiden valmistamiseen tarvitaan vähemmän kallisarvoisia raaka-aineita, sanoo Levänen.

Joustavat materiaalit voivat lisätä akun luotettavuutta

Tamperelaistutkijoiden tuore läpimurto plastisen keraamisen materiaalin tutkimuksessa tuo lupaavia mahdollisuuksia myös uusien akkumateriaalien kehittämiseen.

– Tutkijamme Erkka Frankberg on kehittänyt ohuita lasikalvoja, joilla on plastinen muodonmuutoskyky. Näitä joustavia materiaaleja voitaisiin hyödyntää myös kiinteissä akuissa, joissa ne voisivat parantaa akun luotettavuutta, Levänen visioi.

Uusien akkumateriaalien osalta pyrkimys on tehostaa kaikkia komponentteja. Tähän päästään eri akkukomponenttien ohentamisella, mikä taas on mahdollista kehittämällä valmistustekniikoita ja materiaaleja siten että virheiden määrä vähenee.

– Nestemäiset elektrolyytit tekevät nykyisistä akuista painavia ja räjähdysherkkiä. Kiinteät akut olisivat siten paitsi kevyitä myös paloturvallisia, Levänen lisää.

Toistaiseksi uusien akkujen kehittämistä ovat hidastaneet valmistustekniset haasteet. Tutkimuksessa selvitetään, millaiset akkukennojen pinnoitteet ovat optimaalisimmat, miten eri komponenttien rajapinnat käyttäytyvät, ja miten akkujen ikääntymistä voidaan paremmin kontrolloida ja hidastaa.

Akkujen volyymi moninkertaistuu vuoteen 2030 mennessä. Kunhan kiinteiden akkujen ikääntymisongelmat ja valmistustekniikka saadaan hiottua kuntoon, konkreettisia sovelluksia on lupa odottaa markkinoille nopeastikin.

– Sanoisin, että muutaman vuoden päästä ollaan jo lähellä, Levänen lupaa.

Yliopiston ja yritysten yhteistyö mahdollistaa konkreettiset sovellukset

NextGenBat-hanke tiivistää Tampereen yliopiston ja Pulsedeon Oy:n välistä yhteistyötä entisestään.

– Pulssilasereiden käyttö pinnoitukseen ja pintojen modifiointiin on erittäin mielenkiintoinen alue. Menetelmää on ryhmässäni tutkittu jo muutamassa projektissa ja on erinomaisen hienoa kehittää sitä edelleen yhdessä Pulsedeonin kanssa kohti konkreettisia sovelluksia. Suunnitelmissa on tutkimusyhteistyön laajentaminen edelleen, Levänen kertoo.

Tutkimushankkeessa ovat mukana Aalto-yliopisto, Tampereen yliopisto, VTT, Pulsedeon Oy, Beneq Oy ja Tervakoski Oy. Tampereen yliopisto tekee omalla osaamisalueellaan yhteistyötä Italian Institute of Technologyn ja amerikkalaisen University of Virginian kanssa. Tutkimus on saanut Business Finlandilta rahoitusta 1,2 miljoonaa euroa vuosille 2021-24, ja se on osa rahoittajan Smart Mobility and Batteries from Finland -ohjelmaa.

Työ-ja elinkeinoviraston kansallisen akkustrategian tavoite on nostaa Suomi akkutuotannon kärkimaaksi.

Ota yhteyttä

Erkki Levänen
040 849 0191
erkki.levanen [at] tuni.fi


Teksti: Anna Aatinen
Kuva: Jonne Renvall

Aiheeseen liittyviä uutisia

Uusimmat uutiset kategoriassa Tutkimus

Uusimmat uutiset