Jos sähköautot aikovat koskaan täysin syrjäyttää bensankuluttajat maailman teillä, ne tarvitsevat täysin uudenlaisen akun. Vaikka litiumioniakkujen energiatiheys ja käyttöikä ovat parantuneet tasaisesti viime vuosikymmenen aikana, uusien sähköautojen kennot jäävät edelleen jälkeen polttomoottoreista lähes kaikilla suorituskykymittareilla. Useimpien sähköautojen toimintasäde on alle 300 mailia, niiden akkujen lataaminen kestää yli tunnin, kennot menettävät lähes kolmanneksen kapasiteetistaan vuosikymmenessä, ja ne muodostavat vakavan turvallisuusriskin syttyvien materiaaliensa vuoksi.
Ratkaisu näihin ongelmiin on ollut tiedossa vuosikymmeniä: Sitä kutsutaan puolijohdeakuksi, ja se perustuu petollisen yksinkertaiseen ajatukseen. Perinteisen nestemäisen elektrolyytin – aineen, joka kuljettaa litiumioneja elektrodien välillä – sijasta käytetään kiinteää elektrolyyttiä. Myös akun negatiivinen napa eli anodi on valmistettu puhtaasta litiummetallista. Tämä yhdistelmä nostaisi akun energiatiheyden kattoon, mahdollistaisi erittäin nopean latauksen ja poistaisi akun tulipaloriskin. Viimeisten 40 vuoden aikana kukaan ei kuitenkaan ole pystynyt valmistamaan puolijohteista akkua, joka täyttäisi tämän lupauksen – kunnes aiemmin tänä vuonna QuantumScape-niminen salamyhkäinen startup-yritys väitti ratkaisseensa ongelman. Nyt sillä on tiedot, jotka todistavat sen.
Tiistaina QuantumScapen toinen perustaja ja toimitusjohtaja Jagdeep Singh paljasti ensimmäistä kertaa julkisesti yrityksen puolijohdeakun testitulokset. Singhin mukaan akku ratkaisi kaikki keskeiset haasteet, jotka ovat aiemmin vaivanneet puolijohdeakkuja, kuten uskomattoman lyhyen käyttöiän ja hitaan latausnopeuden. QuantumScapen tietojen mukaan sen kenno voi latautua 80 prosenttiin kapasiteetista 15 minuutissa, se säilyttää yli 80 prosenttia kapasiteetistaan 800 lataussyklin jälkeen, se on palamaton ja sen tilavuuden energiatiheys on yli 1 000 wattituntia litrassa kennotasolla, mikä on lähes kaksinkertainen energiatiheys kaupallisiin litiumioniakkuihin verrattuna.
”Uskomme, että olemme ensimmäiset, jotka ratkaisevat kiinteän olomuodon”, Singh kertoi WIREDille ennen julkistusta. ”Mikään muu solid-state-järjestelmä ei pääse lähellekään tätä.”
QuantumScapen akkukenno on noin pelikortin kokoinen ja paksu. Sen katodi eli positiivinen pääte on valmistettu nikkeli-mangaani-kobolttioksidista eli NMC:stä, joka on nykyään yleinen kemia sähköautojen akuissa. Sen negatiivinen elektrodi eli anodi on valmistettu puhtaasta litiummetallista, mutta tarkemmin sanottuna siinä ei ole lainkaan anodia, koska se on valmistettu ilman sitä. Kun akku purkautuu käytön aikana, kaikki litium virtaa anodilta katodille. Anodin puolelle jäävä tyhjä tila, joka on ohuempi kuin ihmisen hius, puristuu tilapäisesti kasaan kuin harmonikka. Prosessi kääntyy päinvastaiseksi, kun akku ladataan, ja litiumionit tulvivat jälleen anoditilaan.
”Tämä anoditon rakenne on tärkeä, koska se on luultavasti ainoa tapa, jolla litiummetalliakkuja voidaan nykyisin valmistaa nykyisillä tuotantolaitoksilla”, sanoo Venkat Viswanathan, Carnegie Mellonin yliopistossa litiummetalliakkuja tutkiva koneinsinööri, joka toimii QuantumScapen teknisenä neuvonantajana. ”Anodittomuus on ollut suuri haaste yhteisölle.”
Mutta QuantumScapen kiinteän olomuodon läpimurron avain on joustava keraaminen erotin, joka on katodin ja anodin välissä. Tämä on materiaali, joka tekee ”kiinteästä” kiinteän olomuodon. Kuten tavanomaisen kennon elektrodien välissä oleva nestemäinen elektrolyytti, sen päätehtävänä on kuljettaa litiumioneja päätelaitteesta toiseen, kun akku latautuu ja purkautuu. Erona on se, että kiinteä erotin toimii myös esteenä, joka estää litiumdendriittejä – litiummetallien anodeille lataussyklien aikana muodostuvia metallisia jänteitä – kulkeutumasta elektrodien väliin ja aiheuttamasta oikosulkua.
Venkat Srinivasan, Argonnen energiavarastointitieteen yhteistyökeskuksen johtaja, on tutkinut kiinteän olomuodon akkuja lähes kymmenen vuotta Chicagon ulkopuolella sijaitsevassa kansallisessa laboratoriossa. Hän sanoo, että ylivoimaisesti suurin haaste on ollut sellaisen erotusmateriaalin löytäminen, joka antaa litiumionien virrata vapaasti elektrodien välillä ja estää samalla dendriitit. Tyypillisesti tutkijat ovat käyttäneet joko muovimaista polymeeriä tai kovaa keramiikkaa. Vaikka polymeerit ovatkin neste-elektrolyyttiakkujen erotusmateriaali, ne eivät sovellu kiinteän olomuodon kennoihin, koska ne eivät estä dendriittejä. Ja useimmat kokeellisissa kiinteän olomuodon akuissa käytetyt keraamiset ovat olleet liian hauraita kestääkseen muutamaa tusinaa lataussykliä kauemmin.
”Nämä dendriitit ovat kuin puun juuret”, sanoo Srinivasan, joka ei osallistunut QuantumScapen työhön. ”Ongelma, jota yritämme ratkaista, on, miten pysäytämme mekaanisesti tämän juuriston kasvun jollakin kiinteällä aineella?”. Siihen ei voi laittaa mitä tahansa, koska ioneita on syötettävä edestakaisin. Jos sitä ei tehdä, akkua ei ole.”
Lithiumioniakut ovat monimutkaisia järjestelmiä, ja syy niiden vaivalloiseen parantamiseen vuosien varrella on se, että kennon yhden osan säätämisellä on usein kaskadivaikutuksia, jotka muuttavat kennon suorituskykyä odottamattomalla tavalla. Paremman akun rakentamiseksi tutkijoiden on tutkittava järjestelmällisesti eri materiaaleja, kunnes he löytävät jotain toimivaa, mikä voi olla uskomattoman aikaa vievä tehtävä. Singh sanoo, että QuantumScapelta kesti 10 vuotta ja 300 miljoonaa dollaria T&K-toimintaan, ennen kuin yritys löysi sopivan kiinteän tilan erottimen. Hän ei paljasta, mistä se on tehty – se on yrityksen salainen kastike – mutta hän sanoo, että materiaali on halpaa ja helposti saatavilla. ”Meillä ei ollut mitään jumalallista ilmestystä, joka olisi sanonut: ’Tämä materiaali toimii, mene ja rakenna se'”, Singh sanoo. ”Jouduimme käymään läpi monia umpikujia. Mutta luonto tarjosi materiaalin, joka täyttää vaatimukset, ja onneksi systemaattisen etsintäprosessimme avulla pystyimme löytämään sen.”
Singh sanoo, että QuantumScapen akku on juuri sellainen suorituskyvyn muutos, joka vie sähköautot valtavirtaan. Hän ei ole ainoa, joka on sitä mieltä. Yrityksen sijoittajiin kuuluvat Bill Gates ja Vinod Khosla, ja sen hallituksessa istuu useita akkuparoneja, kuten Teslan toinen perustaja J. B. Straubel. Yksi yhtiön suurimmista tukijoista on maailman suurin autonvalmistaja Volkswagen, joka on sijoittanut QuantumScapelle yli 300 miljoonaa dollaria ja aikoo alkaa käyttää puolijohdekennoja joissakin omissa sähköautoissaan jo vuonna 2025.
QuantumScape ja VW eivät tietenkään ole ainoita yrityksiä puolijohdekennopelissä. Myös Toyota kehittää kiinteän olomuodon kennoa, jonka yhtiön edustajat aikoivat esitellä Tokion olympialaisissa tänä vuonna, ennen kuin sitä lykättiin pandemian vuoksi. VW:n tavoin Toyota aikoo saada kiinteän olomuodon akut markkinoille vuoteen 2025 mennessä. Aiemmin tänä vuonna Toyotan voimansiirto-osaston varajohtaja Keiji Kaita kertoi alan julkaisulle Automotive Newsille, että yhtiön on vielä parannettava akun rajallista käyttöikää. Toyotan edustajat eivät vastanneet WIREDin kommenttipyyntöön.
Kuusi vuotta vanha startup-yritys nimeltä Solid Power on myös valmistanut toimivan puolijohdekennon ja alkanut valmistaa prototyyppiakkuja, joissa on 10 päällekkäistä kerrosta, pilottitehtaalla Coloradossa. QuantumScapen tavoin näissä kennoissa on litiummetallianodi ja keraaminen kiinteän tilan elektrolyytti. Solid Powerin elektrolyytti on sulfidipohjainen, mikä on haluttu puolijohdeakkuihin, koska se on hyvin johtava ja yhteensopiva nykyisten valmistusprosessien kanssa. Yrityksellä on kumppanuuksia useiden autonvalmistajien, kuten Fordin, BMW:n ja Hyundain, kanssa, mutta sen johtajat eivät odota näkevänsä heidän kennojaan liikenteessä ennen vuotta 2026, koska autoteollisuuden kelpuutusprosessi on pitkä. Solid Power ei ole vielä julkaissut tietoja kennostaan, mutta yhtiön odotetaan esittelevän suuremman kennon ja julkaisevan sen suorituskykytiedot ensimmäisen kerran tänä torstaina.
”Kiinteän olomuodon akkujen kilpailumaisemasta on tulossa yhä täyteen ahdettu, koska kiinteän olomuodon akuilla on valtava potentiaali ajoneuvojen sähköistämisen mahdollistamisessa”, sanoo Solid Powerin toimitusjohtaja Doug Campbell. ”Tämä johtaa viime kädessä sähköautoihin, joiden kantama on suurempi, luotettavuus parempi ja kustannukset alhaisemmat.”
QuantumScapen suorituskykytiedot ovat vaikuttavia, mutta niihin liittyy tärkeä varoitus. Kaikki testitiedot on tuotettu yksittäisillä kennoilla, jotka eivät teknisesti ottaen ole kokonaisia akkuja. QuantumScapen esittelemä ohut kenno on tarkoitettu pinottavaksi yhteen noin sadan muun kennon kanssa, jotta se muodostaa kokonaisen, noin korttipakan kokoisen kennon. Sähköauton virransyöttö vaatii satoja tällaisia pinottuja akkuja, mutta toistaiseksi yritys ei ole testannut täysin pinottua kennoa.
Srinivasanin mukaan akun skaalaus yksittäisen kennon alayksiköstä täydeksi kennoksi ja lopulta täydeksi akkupaketiksi voi aiheuttaa paljon ongelmia. Kun akut valmistetaan pienissä erissä, on hänen mukaansa helpompi poistaa tuotantoprosessin aikana ilmenevät viat. Mutta kun akkuja aletaan valmistaa suuressa mittakaavassa, voi olla vaikeaa hallita vikoja, jotka voivat nopeasti heikentää akun suorituskykyä. ”Vaikka materiaali voi näyttää todella lupaavalta pienessä mittakaavassa, vioista voi mittakaavassa tulla suurempi ongelma, Srinivasan sanoo. ”Reaalimaailman toiminta on hyvin erilaista kuin laboratoriomittakaavan toiminta.”
Jeff Sakamoto, Michiganin yliopiston energian varastointiin keskittynyt koneenrakennusinsinööri, joka ei ollut mukana QuantumScapessa, on samaa mieltä. Hänen mukaansa litium-metallijähdeakkujen mekaanisista perusominaisuuksista on vielä huomattavia tietämyspuutteita, mikä voi aiheuttaa ongelmia teknologian kaupallistamisessa. Hän viittaa maailman ensimmäiseen kaupalliseen matkustajakoneeseen, De Havilland Cometiin, joka koitui onnettomuudeksi, esimerkkinä seurauksista, joita aiheutuu, jos teknologia lanseerataan ennen kuin sen materiaaliominaisuudet tunnetaan täysin. Pian sen jälkeen, kun Comet oli noussut ilmaan, se koki useita katastrofaalisia hajoamisia ilmassa, koska insinöörit eivät täysin ymmärtäneet sen rungossa käytettyjen metallien hajoamisprosessia. Vaikka kiinteän olomuodon kennojen panokset ovat jonkin verran pienemmät kuin kaupallisten suihkukoneiden – akuthan on suunniteltu ultraturvallisiksi – markkinoille tuleva akku, jossa ilmenee odottamattomia suorituskykyongelmia, voi hidastaa liikenteen sähköistymistä.
”Olen hämmästynyt siitä, miten vähän tiedetään litiummetallin mekaanisesta käyttäytymisestä ja siitä, miten litiumin fysiikka vaikuttaa kiinteän olomuodon akkujen toteuttamiskelpoisuuteen”, Sakamoto sanoo. ”En tiedä, missä määrin nämä tietämyksen puutteet vaikuttavat litiummetallia sisältävien kiinteän olomuodon akkujen yleistymiseen. Mutta mitä enemmän tiedämme perustavanlaatuisesta käyttäytymisestä, sitä paremmin voimme siirtyä laajamittaiseen käyttöönottoon.”
Singhiä eivät lannista ne haasteet, jotka QuantumScapen on ratkaistava, ennen kuin sen akut pääsevät laboratoriosta autoon. Hänen mielestään yritys on ratkaissut ne vaikeat perustieteelliset ongelmat, jotka ovat jarruttaneet kiinteän akun kaupallistamista. ”En halua vähätellä jäljellä olevaa työtä”, Singh sanoo. ”Kyse ei kuitenkaan ole siitä, toimiiko tämä vai ei. Kyse on insinööritaidoista.”
Aiemmin tänä vuonna QuantumScape listautui pörssiin erityisen ostoyhtiön kautta ja lisäsi noin 700 miljoonaa dollaria jo ennestään mittavaan taseeseensa. Singh sanoo, että yhtiöllä on nyt yli miljardi dollaria sotakassassaan, mikä on enemmän kuin tarpeeksi viedä se tuotantoon. Tuntuu mahdottomalta, että yritys voisi epäonnistua, mutta niin ajattelivat sijoittajat myös A123 Systemsistä ja Envia Systemsistä, kahdesta yrityksestä, jotka keräsivät valtavia summia rahaa vanhoilta autonvalmistajilta lupaamalla mullistavia sähköautojen akkuja – mutta jotka sitten romahtivat, kun niiden kennojen suorituskyky ei vastannut odotuksia. QuantumScapesta voi hyvinkin tulla ensimmäinen startup-yritys, joka toimittaa kaupallisen puolijohdeakun, mutta yrityksellä on vielä pitkä tie edessään.
More Great WIRED Stories
- 📩 Haluatko viimeisimmät uutiset teknologiasta, tieteestä ja muusta? Tilaa uutiskirjeemme!
- Yksi miehen etsintä DNA-datasta, joka voi pelastaa hänen henkensä
- Kilpailu akkujen kierrätyksen murtamiseksi – ennen kuin on liian myöhäistä
- AI voi hoitaa työpalaverejasi jo nyt
- Loihduta kissaasi joulunpyhinä suosikkivehkeillämme
- Hakkerin sanakirja: Mikä on Signal-salausprotokolla?
- 🎮 WIRED Games: Uusimmat vinkit, arvostelut ja paljon muuta
- 🏃🏽♀️ Haluatko parhaat työkalut terveenä pysymiseen? Tutustu Gear-tiimimme valintoihin parhaista kuntoseurantalaitteista, juoksuvarusteista (mukaan lukien kengät ja sukat) ja parhaista kuulokkeista