Akku on sähköautojen sydän. Sen toiminta perustuu positiivisesti varautuneen katodin ja negatiivisesti varautuneen anodin väliselle vuorovaikutukselle. Litiumioniakkua ladattaessa positiivisesti varautuneet ionit kulkevat katodista anodiin sähköä johtavan ja yleensä nestemäisen elektrolyytin kautta. Autoa ajaessa ionit kulkeutuvat vastavuoroisesti anodista katodiin. Sähköauton moottori muuntaa tästä prosessista syntyvän sähkön voimaksi, jolla auto liikkuu.
Nykyisin laajasti käytettyjen litiumioniakkujen haasteina ovat niiden verrattain alhainen energiatiheys, suuri koko sekä korkeat valmistuskustannukset. Akun energiatiheys määrittää suurelta osin, kuinka pitkälle autolla pääsee: mitä korkeampi energiatiheys, sitä pidempään auto kulkee. Kehno energiatiheys hidastaa siten osaltaan sähköautojen laajempaa käyttöönottoa, kun autokaupoilla saatetaan pohtia, riittääkö sähköauton akun lataus viemään mökille ja takaisin.
Sähköautojen kehitystyössä pohditaankin usein tapoja kasvattaa akun energiatiheyttä esimerkiksi tekniikkaa, akun rakennetta tai uusia raaka-aineita kehittämällä. Yksi akun keskeisistä rakenneosista on akun pinnoite. Pinnoite vaikuttaa energiatiheyteen, mutta sillä on lisäksi merkittävä rooli akkujen turvallisuuden varmistamisessa.
Tampereella ja Iissä toimiva Pulsedeon on keskittynyt juuri akkujen pinnoitemenetelmien kehitykseen. Vuonna 2018 perustetun yrityksen tavoitteena on kehittää yhtiön teknologiaan pohjautuva ja kustannustehokas akkujen pinnoitusmenetelmä, joka voitaisiin skaalata teolliseen tuotantoon.
Nanometrien ja mikrometrien tarkkuudella
Pulsedeonin kehittämä akkujen pinnoitusteknologia perustuu ultralyhyitä pulsseja hyödyntävään pulssilasermenetelmään (Ultra-Short Pulsed Laser Deposition, USPLD). Menetelmässä ammutaan laserpulssi kohti raaka-ainemateriaalia, kuten litiumia tai alumiinioksidia. Pulssin myötä kohdemateriaalista irtoaa raaka-ainetta, joka kerääntyy sen jälkeen pinnoitettavan osan, esimerkiksi anodin, pinnalle.
Päällystäminen on pikkutarkkaa työtä, sillä pinnoitteet ovat paksuudeltaan noin muutaman nanometrin tai kymmenien mikrometrien paksuisia. Vertailun vuoksi: esimerkiksi tuorekelmu on yleensä paksuudeltaan noin 10 mikrometriä.
”Pinnoitteilla parannetaan akkujen turvallisuutta. Koska pinnoitteet ovat keskeisessä osassa seuraavan sukupolven akkujen materiaaliratkaisujen luomisessa ja niiden käyttövarmuuden lisäämisessä, on pinnoitusteknologialla suuri merkitys myös energiatiheyden parantamisessa. Päällystämismenetelmämme on kustannustehokkaampi kuin nykyisin käytössä olevat menetelmät”, kuvaa Pulsedeonin toimitusjohtaja Jari Liimatainen.
Menetelmä on tarkoitettu hyödynnettäväksi erityisesti sähköautojen seuraavan sukupolven litium-ioniakuissa, joissa olennaisena osana ovat kiinteät elektrolyytit nykyisten nestemäisten sijasta. Kiinteitä elektrolyyttejä hyödyntävissä akuissa voidaan käyttää korkeamman energiatiheyden materiaaleja, jolloin niihin voidaan pakata paljon enemmän energiaa. Lisäksi ne ovat huomattavasti nestemäisiä elektrolyyttejä – joihin sisältyy aina räjähdyksen tai tulipalon riski – hyödyntäviä akkuja turvallisempia. Pulsedeonin menetelmä soveltuu myös kiinteiden elektrolyyttien valmistukseen.
Toinen yhtiön tekniikan kilpailuvaltti on sen joustavuus: sitä voidaan käyttää lähes minkä tahansa akkutyypin kanssa.
”Pinnoitusmenetelmää voi käyttää niin litium-sulfidiakun, hybridiakun kuin täysin kiinteänkin (all-solid-state) akun kanssa”, Liimatainen kuvaa.
Itse pinnoitustekniikan lisäksi Pulsedeon on kehittänyt menetelmään liittyvää mittaustekniikkaa, prosessinhallintaa sekä raaka-aineiden valmistusteknologiaa.
Yhtiön menetelmälle on ollut kysyntää, ja se tekeekin nykyisin tiivistä yhteistyötä usean merkittävän eurooppalaisen ja kansainvälisen akkuvalmistajan kanssa. Pulsedeon on esimerkiksi yksi 13:sta osallistujasta EU:n Horisontti-rahoitusta saaneessa LiSA-projektissa, jossa pyritään kehittämään litium-sulfaattiakkuja ja osoittamaan niiden käyttöpotentiaali.
Askel laboratoriosta kohti tehdasta
Pinnoitusmenetelmän tekninen kehitys on vain yksi osa Pulsedeonin suunnitelmia, sillä menetelmää on alusta alkaen suunniteltu niin, että se olisi skaalattavissa teolliseen tuotantoon. Pulsedeon haki ja sai EIC:n Accelerator -ohjelmarahoitusta juuri skaalausmahdollisuuksien selvittämisvaihetta varten. Accelerator-ohjelman tavoitteena on muovata vallankumouksellisista ideoista markkinavalmiita ratkaisuja sekä luoda edellytykset ratkaisujen skaalaamiseksi.
Pulsedeonilla nähtiin, että yhtiön kehityssuunnitelmat sopivat hyvin yhteen EU:n eurooppalaisen akkuteollisuuden laajentamiseen tähtäävien suunnitelmien kanssa.
”Accelerator-rahoituksen avulla voimme ottaa teknisen riskin ja lähteä kehittämään demonstraatiolaitetta. Tämä on askel laboratoriosta kohti tehdasta ”, Liimatainen toteaa.
Rahoitus mahdollistaa teollista tuotantoa pohjustavan demonstraatiolaitteen rakentamisen, jonka avulla pystytään todentamaan pinnoitusprosessin toimivuus sekä osoittamaan, että tuotteiden laatu riittää akkuteollisuuden tarpeisiin. Projektin kanssa on päästy jo hyvään vauhtiin.
”Laite on saatu suurilta osin jo suunniteltua, ja olemme käynnistäneet siihen tarvittavien moduulien rakentamisen. Testaamme kaikki suunnitellut tuotantotavat ja laitetta varten kaavaillut komponentit nykyisillä laitteillamme, ennen kuin lähdemme hankkimaan tarvittavia komponentteja esimerkiksi laseria varten. Tavoitteenamme on, että laite voitaisiin asentaa Iin laboratorio- ja teknologiakeskukseemme vuoden 2022 alussa”, Liimatainen kertoo.
Lisäksi osa projektin tarvitsemista laitteista sijoitetaan Tampereen yliopiston kampukselle, missä yhtiö kehittää esimerkiksi kiinteiden epäorgaanisten elektrolyyttien kaltaisia raaka-aineita yhdessä yliopiston kanssa.
EIC Accelerator -ohjelman varsinaisten hakemusten seuraava hakuaika umpeutuu 6.10. Esihakemuksen rahoitushakua varten voi jättää milloin tahansa. Lisätietoja on saatavilla Business Finlandin verkkosivuilta.
Tiedot
- Julkaisupäivä
- 15. kesäkuuta 2021
- Laatija
- Suomen-edustusto