Lisää ikää litiumakuille

24.9.2021
|
Uutinen

Juho Heiska kehitti väitöstyössään orgaanisia ohutkalvopinnoitteita, jotka voivat tulevaisuudessa ratkoa akkuvalmistuksen ympäristöongelmia – ja moninkertaistaa akkujen eliniän.

Nykyiset litiumakut ovat raskaisiin lyijyakkuihin verrattuna huima edistysaskel. Ne pyörittävät kannettavia sähkölaitteita kännyköistä porakoneisiin. Nyt entistä järeämmät laitteet, jopa kuorma-autot, kulkevat sähköllä.

1980-luvun innovaatio on silti vielä kaukana täydellisestä, vaikka se saikin vuonna 2019 Nobel-palkinnon.

Nykyiset akut kestävät ehkä tuhat sykliä. Jos akun kaikki rajapinnat olisi optimoitu, voisimme päästä10 000 tai ehkä jopa 100 000 lataussykliin.

Litiumakkuja ladattaessa ja purettaessa litiumionit vaeltavat nestemäisen elektrolyytin läpi elektrodilta toiselle. Samalla elektrodeilla tapahtuvat sähkökemialliset sivureaktiot kuluttavat niitä. Viimeistään muutaman tuhannen lataussyklin jälkeen akku alkaa olla entinen.

– Kun akkuja ladataan ja käytetään, anodille muodostuu monimutkainen SEI-kerros (solid electrolyte interphase). Sillä on suuri vaikutus akkujen elinikään, Aalto-yliopistosta väitellyt Juho Heiska kertoo.

SEI-kerros muodostuu aina akkua käytettäessä.

– Se on ehkä tärkein, mutta huonoimmin ymmärretty komponentti koko akussa, Heiska kärjistää.

Kaksi Juho Heiskan väitöskirjan viidestä artikkelista käsitteli atomikerroskasvatuksella luotuja keinotekoisia SEI-kerroksia.

Ajatus oli, että kemisti voi olla luontoa fiksumpi. Kun elektrodin pinnalle kasvatetaan orgaanisista materiaaleista keinotekoinen ohutkalvo, suojaa se elektrodia käytön aikana.

– Nykyiset akut kestävät ehkä tuhat sykliä. Jos akun kaikki rajapinnat olisi optimoitu, voisimme päästä10 000 tai ehkä jopa 100 000 lataussykliin, Juho Heiska arvioi.

Ei siis ihme, että akkujen pinnoitus ohutkalvoilla on kuuma tutkimusaihe.

– Tulevaisuudessa se tulee olemaan iso juttu akkuteollisuudessa, Heiska ennustaa.

Eroon akkujen ympäristöongelmista

Toinen puoli Heiskan väitöskirjaa pureutui orgaanisiin elektrodimateriaaleihin. Esimerkiksi sähköautoille nykyakkujen elinikä on aivan riittävä. Liikenteen sähköistymisen pullonkaulaksi näyttääkin muodostuvan akkumateriaalien saatavuus.

Kehityssuunta. Litiumista, koboltista ja nikkelistä on pian pulaa, sillä akkujen kysyntä kasvaa nopeasti. Juho Heiskan tutkimien orgaanisten elektrodimateriaalien tutkimus onkin saanut uutta vauhtia.

– Vuonna 2050 pelkästään akkuteollisuus tarvitsee litiumia, kobolttia, nikkeliä ja grafiittia moninkertaisen määrän niiden nykytuotantoon verrattuna, Juho Heiska kertoo väitöstilaisuutensa lektioluennon kuulijoille.

Epäorgaanisten akkumetallien hinnat ovat nousussa, ja niiden louhinta aiheuttaa ympäristöongelmia.

Todellinen ekoakku syntyisi vaihtamalla akun elektrodimateriaalit orgaanisiksi. Hiilestä, vedystä, hapesta, typestä ja rikistä ei ole pulaa, toisin kuin litiumista ja raskasmetalleista.

Orgaanisia akkuja tutkittiin jo 1980-luvulla. Into laantui, kun ensimmäiset kaupalliset litium-ioniakut saapuivat markkinoille 1990-luvun alussa. Akkumetallipulan uhatessa tutkimusinto on kuitenkin virinnyt uudelleen.

Vielä kymmenen vuotta sitten orgaanisia elektrodeja käsitteleviä tutkimuspapereita julkaistiin vain kourallinen vuosittain, nyt jo yli tuhat.

– Juho Heiska on ollut tutkimusalalla varhain liikkeellä, totesi vastaväittäjänä toiminut Oslon yliopiston professori Ola Nilsen väitöstilaisuudessa.

Uusia ohutkalvoreseptejä akuille

Uusinta uutta orgaanisten akkujen tutkimuksessa oli Aallon tutkijoiden käyttämä valmistusmenetelmä, atomi-molekyylikerroskasvatus (ALD/MLD). Suomessa kehitetty ohutkalvojen valmistusmenetelmä on tätä nykyä korvaamaton kännyköiden ja prosessorien valmistuksessa.

Tiedossa oli vain kaksi litiumia ja orgaanisia aineita yhdistävää atomikerroskasvatusreseptiä, kun Heiska aloitti väitöstyönsä. Heiskan väitöstyössä niitä syntyi kaikkiaan seitsemän lisää.

ALD/MLD-menetelmän ohutkalvot ovat huomattavasti saippuakuplaa ohuempia, joten käytännön akkuja niillä ei pysty valmistamaan.

Sen sijaan ohutkalvot ovat mainio työkalu orgaanisten elektrodimateriaalien perustutkimukseen. Täysikokoisten akkujen toimintaan vaikuttavat monet muuttujat, kuten elektrodien sähkönjohtavuutta parantavat materiaalit.

Ohutkalvoilla voi sen sijaan tutkia puhtaiden elektrodimateriaalien sähkökemiaa ilman häiritseviä muuttujia.

Heiska esittelee väitöskirjansa elektronimikroskooppikuvia kahdesta orgaanisesta elektrodimateriaalista. 150 purkusyklin jälkeen toinen materiaaleista on pysynyt entisellään, toisen pinnalle taas on muodostunut akun ominaisuuksia heikentävä kalvo. Väitöskirja selittää ensi kertaa, mistä ilmiö todennäköisesti johtuu.

Orgaaniset elektrodit ovat kuitenkin vielä kaukaista tulevaisuutta, eikä Heiska päässyt esittelemään väitöskirjassaan sensaatiomaisia tutkimuslöydöksiä. Tutkija suhtautuu muutenkin kriittisesti lähes viikoittain julkaistaviin klikkiotsikoihin uusista akkuinnovaatioista.

– Uutiset viittaavat kyllä hyviin tutkimuksiin, mutta tiede menee eteenpäin pienen pienin harppauksin. Tutkimuspapereissa on yleensä ratkaistu yksi ongelma valtavien ongelmien kirjosta.

Pinnoitetutkimus alkumetreillä

Ensimmäinen sovellus atomikerroskasvatuksella valmistetuille orgaanisille akkumateriaaleille on todennäköisesti nykylitiumakkujen elektrodien pinnoitus. Joustavilla orgaanisilla pinnoitteilla voi hidastaa akkua vaurioittavaa anodien halkeilua.

Heiskan ALD/MLD-pinnoitetutkimus oli vasta ensi raapaisu uuteen tutkimusalaan. Mitä pitäisi tapahtua, että porakoneeni akku kestäisi 1 000 latauksen sijasta jopa 100 000 latausta?

– Tarvitaan paljon perustutkimusta. Potentiaalisia pinnoitteita on lukematon määrä. Optimaalinen pinnoite koostuu todennäköisesti useammasta kerroksesta. Jokainen akkukemia tarvitsee myös omanlaisensa pinnoitteet sekä anodille että katodille, Heiska pohtii.

Akkukeksintöjen matka tutkimuslaboratoriosta toimivaksi tuotteeksi on totisesti pitkä. Juho Heiskan ilonaihe on, että hänen käynnistämänsä pinnoitetutkimus saa jatkoa Aallossa. Seuraava väitöstutkija jatkaa siitä, mihin tuore tohtori jäi. 

Opettajaksi näköalapaikalle

Juho Heiskan kotiseudulle on nousemassa kokonainen uusi teollisuuden ala väitöskirjan tutkimusaiheesta.

– En tiedä voiko tällaista lottovoittoa sattua kohdalle, kertoo juuri uudessa työssään Vaasan ammattikorkeakoulun energiatekniikan lehtorina aloittanut Heiska.

Kun Heiskan tohtoriopinnot valmistuivat keväällä, kertoi GigaVaasa -hanke brittiyhtiö Johnson Mattheyn Vaasaan tulevasta katodimateriaalitehtaasta. Elokuisen väitöstilaisuuden jälkeen selvisi, että FREYR Batteryn kanssa oli solmittu aiesopimus naapuritontin akkukennotehtaasta.

– Tämä on hieno eturivin paikka päästä suunnittelemaan alan opetusta, Heiska kehuu.

Uusi koti on iso rivitaloasunto Seinäjoella. Se on juhlaa verrattuna väitöstyön korona-ajan kotikonttoriin. 60 neliön kerrostaloasunto kävi perheelle ahtaaksi kahden pienen lapsen myötä. Lasten päivähoito ja lääkäripuolison työpaikka järjestyivät nekin uudella kotiseudulla kitkatta. Lääkäreistä on vielä akkutohtoreitakin suurempi pula.

Juho Heiskan tie tekniikan tohtoriksi

1992. Juho Heiska syntyy Ylistarossa.

2008. Ylistaron lukion kemian-opettajan kemiainnostus tarttuu myös Heiskaan.

2011. Tuore ylioppilas pääsee opiskelemaan kemiaa sekä Helsingin yliopistoon että Aalto-yliopistoon.

– Aallon kemiantekniikka kuulosti mukavammalta.

2015. Tutkimusapulaiseksi Aallon epäorgaanisen kemian tutkimusryhmään.

2017. Mikroakkujen valmistusta atomikerroskasvatuksella käsitellyt diplomityö valmistuu. – Jatkoin siitä suoraan väitöskirjaan, kun paikkaa minulle tarjottiin.

2021. Heiskan väitöstyö ”Development of Li-Organic Battery Materials with Atomic/Molecular Layer Deposition” hyväksytään Aalto-yliopiston kemian tekniikan korkeakoulussa. Heiska aloittaa Vaasan ammattikorkeakoulussa energiatekniikan opettajana.

Mitä haluaisit saada aikaan tekniikan tohtorina?

– Hienoa opettaa ensi vuonna peruskemiaa, joka on monille opiskelijoille pakkopullaa. Haluan saada ihmiset innostumaan kemiasta ja ymmärtämään, että sitä on kaikkialla. Tieteen popularisointi on vaikeaa, mutta tykkään siitä.

Suosikkileikkikalu?

Kynänpyörityskynä. – Se on antistressilelu vailla vertaa.

Lempiharrastus?

Frisbeegolf. – Olen hyvä teoriassa: tiedän miten pitäisi heittää, mutta kroppa on usein toista mieltä.

Avainsanat: