Mobiililaskennan ja täyssähköautojen kysynnän kasvaessa nykyisen akkuteknologian rajoitukset muodostavat esteen. Italialaisen fyysikon Alessandro Voltan 1790-luvulla keksimä sähköakku on ollut lukuisten vempaimien, laitteiden ja koneiden kantava voima.
Kulutuslaitteiden pienentyessä ja niiden keskeytymättömän käytön ollessa yhä tärkeämpää ennen uudelleenlatausta myös akkujen miniatyrisoiminen ja energiatehokkuuden parantaminen on tullut yhä tärkeämmäksi. Tämä on kuitenkin osoittautunut teknologiseksi esteeksi, jonka ylittäminen on tärkeä ja kannattava kehitysaskel huomisen korkean teknologian taloudelle.
Akkuteknologia
Kaikki sähköakut perustuvat perustavanlaatuiseen kemialliseen pelkistymis- ja hapettumisreaktioon (redox), joka voi tapahtua kahden eri materiaalin välillä. Nämä reaktiot on sijoitettu suljettuun ja sinetöityyn säiliöön. Katodi eli positiivinen napa pelkistyy anodilla eli negatiivisella napalla, jossa tapahtuu hapettuminen. Katodi ja anodi on erotettu toisistaan fyysisesti elektrolyytillä, jonka ansiosta elektronit voivat helposti virrata yhdestä päätelaitteesta toiseen. Tämä elektronien virtaus aiheuttaa sähköpotentiaalin, joka mahdollistaa sähkövirran, kun virtapiiri sulkeutuu.
Kertakäyttöiset kuluttajaparistot (ns. primääriparistot), kuten Energizerin (ENR) kaltaisten yritysten valmistamat AA- ja AAA-kokoiset paristot, perustuvat teknologiaan, joka ei sovellu nykyaikaisiin sovelluksiin. Ensinnäkin ne eivät ole ladattavia. Näissä niin sanotuissa alkaliparistoissa käytetään mangaanidioksidikatodia ja sinkkianodia, jotka on erotettu toisistaan laimealla kaliumdioksidielektrolyytillä. Elektrolyytti hapettaa anodissa olevan sinkin, kun taas katodissa oleva mangaanidioksidi reagoi hapettuneiden sinkki-ionien kanssa tuottaen sähköä. Vähitellen elektrolyyttiin kertyy reaktion sivutuotteita, ja hapetettavan sinkin määrä vähenee. Lopulta akku sammuu. Nämä akut tuottavat tyypillisesti 1,5 voltin sähköä, ja ne voidaan järjestää sarjaan tämän määrän lisäämiseksi. Esimerkiksi kaksi AA-paristoa sarjassa tuottaa kolme volttia sähköä.
Latautuvat paristot (ns. sekundaariparistot) toimivat pitkälti samalla tavalla hyödyntäen kahden materiaalin välistä pelkistävää hapettumisreaktiota, mutta niissä reaktio voi tapahtua myös päinvastoin. Markkinoilla nykyään yleisimmin käytetyt ladattavat akut ovat litiumioniakkuja (LiOn), vaikka toimivaa ladattavaa akkua etsittäessä on kokeiltu myös useita muita tekniikoita, kuten nikkeli-metallihydridiä (NiMH) ja nikkeli-kadmiumia (NiCd).
NiCd olivat ensimmäiset kaupallisesti saatavissa olevat ladattavat akut massakäyttöön, mutta ne kärsivät siitä, että ne kykenivät vain rajalliseen määrään latauskertoja. NiMH korvasi NiCd-akut, ja niitä voitiin ladata useammin. Valitettavasti niiden säilyvyysaika oli hyvin lyhyt, joten jos niitä ei käytetty pian valmistuksen jälkeen, ne saattoivat menettää tehonsa. LiOn-akut ratkaisivat nämä ongelmat, sillä ne olivat pienessä pakkauksessa, niiden säilyvyysaika oli pitkä ja niitä voitiin ladata useita kertoja. LiOn-akkuja ei kuitenkaan käytetä yleisimmin kulutuselektroniikassa, kuten mobiililaitteissa ja kannettavissa tietokoneissa. Nämä paristot ovat paljon kalliimpia kuin kertakäyttöiset alkaliparistot, eikä niitä tyypillisesti ole perinteisiä kokoja AA, AAA, C, D jne.
Viimeinen ladattavien paristojen tyyppi, jonka useimmat ihmiset tuntevat, on nestemäiset lyijyakut, joita käytetään yleisimmin auton akkuina. Nämä akut voivat tuottaa paljon virtaa (kuten auton kylmäkäynnistyksessä), mutta ne sisältävät vaarallisia aineita, kuten lyijyä ja rikkihappoa, jota käytetään elektrolyyttinä. Tällaiset akut on hävitettävä huolellisesti, jotta ne eivät saastuta ympäristöä tai aiheuta fyysisiä vammoja niitä käsitteleville henkilöille.
Nykyisen akkuteknologian tavoitteena on luoda akku, joka pystyy vastaamaan LiOn-akkujen suorituskykyyn tai parantamaan sitä, mutta ilman niiden valmistukseen liittyviä suuria kustannuksia. Litiumioniperheen sisällä on pyritty lisäämään lisäaineita akun tehokkuuden lisäämiseksi ja samalla hinnan alentamiseksi. Esimerkiksi litium-koboltti (LiCoO2) -järjestelyjä on nyt monissa matkapuhelimissa, kannettavissa tietokoneissa, digitaalikameroissa ja puettavissa tuotteissa. Litium-mangaani (LiMn2O4) -kennoja käytetään yleisimmin sähkötyökaluissa, lääketieteellisissä instrumenteissa ja sähköisissä voimansiirtolaitteissa, kuten sähköajoneuvoissa.
Tänään on olemassa ryhmiä, jotka tekevät tutkimus- ja kehitystyötä litiumpohjaisten akkujen suorituskyvyn lisäämiseksi. Litium-ilma-akut (Li-Air-akut) ovat jännittävä uusi kehityssuunta, joka voisi mahdollistaa paljon suuremman energiavarastointikapasiteetin – jopa 10 kertaa suuremman kapasiteetin kuin tyypillinen LiOn-akku. Nämä akut kirjaimellisesti ”hengittäisivät” ilmaa käyttämällä vapaata happea anodin hapettamiseen. Vaikka tämä tekniikka vaikuttaa lupaavalta, siihen liittyy useita teknisiä ongelmia, kuten suorituskykyä heikentävien sivutuotteiden nopea kertyminen ja ”äkkikuoleman” ongelma, jossa akku lakkaa toimimasta ilman varoitusta.
Lithium-metalliakut ovat myös vaikuttava kehityssuunta, sillä ne lupaavat lähes nelinkertaista energiatehokkuutta nykyiseen sähköautojen akkuteknologiaan verrattuna. Tämäntyyppiset akut ovat myös paljon halvempia valmistaa, mikä laskee niitä käyttävien tuotteiden hintaa. Turvallisuuskysymykset ovat kuitenkin suuri huolenaihe, sillä nämä akut voivat ylikuumentua, aiheuttaa tulipalon tai räjähtää, jos ne vaurioituvat. Muita uusia tekniikoita, joiden parissa työskennellään, ovat litium-rikki ja pii-hiili, mutta nämä kennot ovat vielä tutkimuksen alkuvaiheessa, eivätkä ne ole vielä kaupallisesti käyttökelpoisia. Myös aurinkoenergialla toimivien akkujen ympärillä on meneillään useita kehityshankkeita.
Sijoittaminen akkuteknologiaan
Jos ja kun akkuteknologia pääsee vauhtiin näillä jännittävillä uusilla suunnilla, se alentaa kulutuselektroniikan ja Tesla Motorsin (TSLA) kaltaisten sähköajoneuvojen tuotantokustannuksia. Tesla ilmoitti hiljattain rakentavansa ”gigatehtaan”, jonka tarkoituksena on paitsi tuottaa enemmän ajoneuvoja myös valmistaa itse LiOn-akkuja yhdessä japanilaisen elektroniikkajätin Panasonicin (ADR:PCRFY) kanssa. Ottamalla akkujen tuotanto-ongelman omiin käsiinsä Tesla on saattanut löytää loistavan tavan saada sijoitusalttiutta sekä sähköautoihin että akkuteknologiaan.
Akkuteknologiamarkkinat ovat jokseenkin lyhytnäköiset, sillä uudet teknologiat, kehitystyöt ja yhteistyökumppanuudet katapultoivat alaa eteenpäin. Visiongainin ”Top 20 Lithium-Ion Battery Manufacturing Companies Report 2018” tarjoaa paljon tietoa akkuteknologiamarkkinoista ja niiden huippuvalmistajista. Raportin yritykset ovat muun muassa seuraavat:
- A123 Systems Inc.
- Automotive Energy Supply Corporation (AESC)
- Aviation Industry Corporation of China (AVIC)
- BYD Company Ltd.
- CBAK Energy Technology Inc.
- Comtemporary Amperex Technology Ltd (CATL)
- GS Yuasa Corporation
- Hefei Guoxuan High-tech Power Energy Co.., Ltd
- Hitachi Chemical Co., Ltd.
- Johnson Controls International Plc.
- LG Chem
- Microvast Inc.
- Panasonic Corporation
- Saft Batteries
- Samsung SDI Co. Ltd.
- TDK Corporation/Amperes Technology Ltd (ATL)
- Tesla Inc.
- Tianjin Lishen Battery Joint-Stock Co.., Ltd.
- Tianneng Power International Ltd
- Toshiba Corporation
Muita merkittäviä nimiä akkualalla ovat muun muassa seuraavat:
- Arotech Corp (ARTX) kehittää ja jakelee litium- ja sinkki-ilma-akkuja, ja sen asiakkaisiin kuuluu muun muassa USA:n armeija.
- PolyPore Inc. (PPO) valmistaa pitkälle erikoistuneita litiumpolymeeriakkuja pääasiassa teolliseen ja lääketieteelliseen käyttöön.
- Ener1 (OTCMKTS:HEVVQ) on vaihtoehtoista energiaa tuottava yritys, jolla on Delphi Automotiven (DLPH) kanssa enemmistöomistuksessa oleva yhteisyritys, jonka tarkoituksena on luoda akkuratkaisuja sähköautoihin.
- Haydale Graphene Industries PLC (LON:HAYD) on brittiläinen yritys, joka hyödyntää nanoteknologiaa ja grafeenimateriaalia tuottaakseen muun muassa grafeenipohjaisia akkuja.
- Applied Graphene Materials (OTCMKTS:APGMF) tutkii myös grafeenipohjaisia sovelluksia.
- EnerSys on puhdas akkuihin keskittyvä yritys. Se on tällä hetkellä maailman suurin teollisuusakkujen valmistaja.
On olemassa myös Global X Lithium & Battery Tech ETF (LIT).Tämä ETF pyrkii seuraamaan Solactive Global Lithium -indeksiä ja tarjoaa altistumisen hajautetulle salkulle julkisesti noteerattuja yhtiöitä, jotka keskittyvät ensisijaisesti litiumiin, mukaan lukien litiumin louhinta, litiumin jalostus ja litiumin käyttö akkutuotannossa. LIT ETF:n suurimmat omistukset lokakuussa 2018 olivat seuraavat:
- FMC CORP 18.06%
- ALBEMARLE CORP 17.64%
- SAMSUNG SDI CO LTD 7.40%
- ENERSYS 6.91%
- QUIMICA Y MINERA CHIL-SP 6.62%
- LG CHEM LTD 5.41%
- GS YUASA CORP 4.95%
- PANASONIC CORP 4.60%
- TESLA INC 4.37%
- SIMPLO TECHNOLOGY CO LTD 4.24%
The Bottom Line
Voimanlähteenä käytettävät akut ja paristot ovat aina olleet tärkeitä nykyaikana. Mobiilin tietojenkäsittelyn ja sähköautojen myötä niiden merkitys kuitenkin vain kasvaa entisestään. Juuri nyt esimerkiksi Tesla-auton hinnasta yli puolet muodostuu akuista.
Tämän kasvavan merkityksen vuoksi uusien ja parempien ladattavien akkujen tutkimus on vauhdittumassa. Litiumilma- ja litiummetalliakut saattavat osoittautua ratkaisevaksi edistysaskeleeksi. Jos nämä teknologiat osoittautuvat kannattaviksi, sijoitukset akkujen tuotantoon osallistuviin suuriin yrityksiin, puhtaasti litiumioniakkujen valmistajiin tai epäsuora altistuminen litiummetallien tuottajien kautta voi auttaa vahvistamaan salkun tulevaa tulosta.