Sähköautojen ja elektroniikan tulevaisuus saattaa olla muuttumassa pysyvästi – tai sitten kyseessä voi olla yksi teknologia-alan historian hurjimmista markkinapuheista.
Suomalainen startup Donut Lab on esittänyt sarjan hurjia lupauksia uudesta kiinteän olomuodon (solid-state) akustaan. Lupaukset ratkaisisivat toteutuessaan käytännössä lähes kaikki akkuihin liittyvät ongelmat.
Donut Labin mukaan heidän akkunsa energiatiheys on uskomattomat 400 Wh/kg, se latautuu täyteen alle viidessä minuutissa ja kestää jopa 100 000 lataussykliä. Eli käytännössä akku kestäisi jopa satoja vuosia.
Lisäksi akun väitetään toimivan lähes täydellä teholla vielä 30 asteen pakkasessa ja yli sadan asteen kuumuudessa. Lisäksi akut olisi edullista valmistaa ja raaka-aineet saataisiin läheltä. Eikä siinä vielä kaikki. Akut olisivat myös täysin paloturvallisia ja ekologisia.
Donut Labin taustalla on useita suomalaisia nimekkäitä enkelisijoittajia, kuten Risto Siilasmaa ja Taneli Tikka.
Aalto-yliopiston akkukemian ja -materiaalien professori Tanja Kallio on seurannut alaa vuosikymmeniä ja on yksi Suomen kovimmista akkututkijoista. Donut Labin luvut saavat hänet hämmentyneeksi.
– Se tuntuu ihan uskomattomalta. Se rikkoisi kaikkia niitä fysiikan ja kemian periaatteita, joita itse tunnen, Kallio naurahtaa.
Käydään suomalaisen huippututkijan kanssa startupin väitteet läpi. Donut Lab ei halunnut esittää kommentteja professori Kallion näkemyksiin.
1. Supernopea lataus
Keskeinen tiedeyhteisöä hämmentävä väite on latausnopeus. Donut Lab lupaa uuden kiinteän olomuodon akkunsa latautuvan nollasta sataan prosenttiin alle viidessä minuutissa. Nykytekniikalla pelkkä vastaavankokoisen akun huolellinen tyhjästä täyteen lataaminen vie usein tunnista kahteen.
Kallion mukaan alle viiden minuutin nopeus on tyypillistä superkondensaattoreille, ei akuille. Akuissa sähköenergia varastoidaan kemiallisesti, mikä vaatii ionien kulkeutumista materiaalin rakenteen sisään. Tämä on litiumioniakkujen ja metallihydridiakkujen toimintaperiaate. Muut akut, kuten lyijykakut ja alkaliset akut toimivat pintareaktioilla ja myös niiden latausajat lasketaan tunneissa.
– Tällaista latausnopeutta ei ole raportoitu kiinteän olomuodon akuille koskaan. Se vaatisi taustalle jonkin aivan uudenlaisen kemiallisen reaktion, mikä kuulostaa akkututkijan korviin uskomattomalta, analysoi Kallio.
Hänen mukaansa erityisen haastavaa on yhdistää korkea energiatiheys ja valtava teho. Tyypillisesti valmistajat joutuvat tekemään valinnan: joko akkuun mahtuu paljon energiaa (pitkä toimintamatka) tai se ottaa virtaa vastaan nopeasti. Donut Lab väittää saavuttaneensa molemmat huiput samanaikaisesti.
2. Energiatiheys 400 Wh/kg
Akun energiatiheydellä tarkoitetaan sitä, kuinka paljon energiaa akku kykenee varastoimaan suhteessa omaan tilavuuteensa tai painoonsa. Se kertoo siis sen kuinka tehokas akku on suhteessa kokoonsa, sanoo Kallio.
Donut Lab lupaa energiatiheydeksi peräti 400 Wh/kg. Professori Tanja Kallion mukaan lukema on todella kova ja se ylittää nykyiset ja lähitulevaisuuden akkututkijoiden tavoitteet kirkkaasti.
– Se on toki hieno saavutus, jos siihen on päästy, sanoo Kallio ja jatkaa, että monen tutkimusryhmän viiden vuoden päähän asettama tavoitearvo on hieman päälle 300 wattituntia kilolta. Kallion ryhmän tavoitearvo viiden vuoden päähän on 400 Wh/kg.
3. Toimii ilman ongelmia kylmässä ja kuumassa
Donut Labin mukaan heidän akkunsa säilyttää yli 99 prosenttia kapasiteetistaan vielä 30 asteen pakkasessa tai yli 100 asteen lämpötilassa.
– Sekin kuulostaa aika hurjalta väittämältä. Varsinkin, jos puhutaan kiinteän olomuodon akuista.
Yleinen fysiikan lainalaisuus on, että aineiden kulkeutuminen yleensä hidastuu merkittävästi, kun mennään lämpötilassa alaspäin, ja lämpötilassa ylöspäin mentäessä ongelmana on materiaalinen pysyminen vakaana.
– Jos tuolla lämpötilavälillä pystytään säilyttämään akun kapasiteetti, niin siinä on tehty melkoisia edistysaskeleita, joista en kyllä tiedä, miten on saavutettu, pohdiskelee professori Kallio.
Tyypillisesti sähköauton akku hyytyy kylmässä, mutta uutuusakun luvataan säilyttävän lähes kaiken tehonsa.
Kuuntele professori Tanja Kallion arvio siitä, miksi väite sotii fysiikan perusperiaatteita vastaan:
4. Elinkaari jopa satoja vuosia
Akun elinkaari mitataan lataussykleissä eli siinä, kuinka monta kertaa akku voidaan ladata ja purkaa ennen kuin sen kapasiteetti heikkenee merkittävästi. Tyypillinen litiumioniakku kestää joitakin tuhansia lataussyklejä.
Donut Lab lupaa peräti 100 000 lataussykliä, mikä tarkoittaisi, että akku kestäisi satoja vuosia tai miljoonia kilometrejä. Kallion mukaan tämä olisi ainakin litiumakkukemialla täysin mullistava ajatus.
– Superkondensaattoreilla on tällaisia syklejä, koska niissä ei tapahdu varsinaisia kemiallisia sivureaktioita, jotka kuluttavat akkua. On olemassa ratkaisuja, joissa akkua ja kondensaattoria yritetään yhdistää, mutta tällöin on yleensä jouduttu tinkimään energiatiheydestä, sanoo Kallio varovaisen positiivisesti.
5. Vihreitä materiaaleja läheltä
Vaikka suorituskykyarvot herättävät epäilyksiä, yrityksen lupaukset ekologisuudesta ja hinnasta ovat teoriassa mahdollisia. Donut Lab ilmoittaa käyttävänsä 100-prosenttisesti ”vihreitä” ja yleisiä materiaaleja ilman kriittisiä raaka-aineita, kuten kobolttia.
Kallion mukaan Suomesta löytyy raaka-aineita, kuten nikkeliä ja biohiiltä, joilla voitaisiin rakentaa edullisempia ja turvallisempia akkuja. Myös mangaani on yleinen alkuaine ja melko helposti saatavilla. Haasteena on kuitenkin se, ettei näillä materiaaleilla ole perinteisesti päästy Donut Labin ilmoittamiin huippuarvoihin.
– Olisi hyvin uskomatonta, että joku ryhmä pystyy yhtäkkiä kehittämään kemian, joka toimii näillä parametreilla. Odotan mielenkiinnolla verifiointia, jos se pystytään todistamaan, olen hyvin hämmästynyt.
6. Täysin paloturvallinen
Nykyisten litiumioniakkujen suurin turvallisuusriski on nestemäinen, syttyvä elektrolyytti, joka voi vaurioituessaan syttyä vaikeasti sammutettavaan paloon. Donut Labin mukaan heidän kiinteä akkunsa on täysin paloturvallinen.
Tämä on väitteistä se, jolle Kallio antaa eniten tukea.
– Kiinteää elektrolyyttiä pidetään nimenomaan näiden akkujen suurena etuna. Kemiallinen intuitio sanoo, että se on huomattavasti turvallisempi, koska siitä puuttuvat herkästi syttyvät orgaaniset nesteet. Tästä on jo olemassa viitteitä ja todisteita.
7. Halvempi kuin nykytekniikka
Yleensä uusi huipputeknologia on aluksi kallista. Donut Lab kuitenkin väittää, että heidän akkunsa on perinteistä litiumioniakkua halvempi jo nyt.
Kallio näkee myös tässä mahdollisuuden, jos valmistusprosessi on onnistuttu yksinkertaistamaan.
– Litiumioniakut vaativat erittäin kalliita kuivahuoneolosuhteita, koska litium reagoi ilman kosteuden kanssa. Jos joku on kehittänyt akkukemian, joka voidaan koota huoneolosuhteissa, valmistus on oletettavasti huomattavasti edullisempaa.