Akkukennojen valmistuksesta
By Helena Laavi
Sähköautot ja niihin tarvittavat akut tulevat ryminällä, mutta mitä niiden valmistamiseen Suomessa oikeasti tarvitaan?
Jotta akkuja, tai tarkemmin nyt himoittuja litiumioniakkuja, valmistettaisiin Suomessakin, täytyy monen akkujen valmistuksen perusedellytyksen toteutua. Ensinnäkin raaka-aineita eli arvokkaita mineraaleja kuten nikkeliä, kobolttia ja litiumia täytyy olla riittävästi saatavilla joko omista kaivoksista tai muualta maailmasta ilman, että kilpailijat ostavat mineraalivarastot tyhjiksi. Seuraavaksi mineraalit täytyy jalostaa sopiviksi kemikaaleiksi ja suoloiksi joka nikkelin ja koboltin kohdalla tyypillisesti tarkoittaa sulfaattisuoloja ja litiumin kohdalla karbonaattia tai hydroksidia. Jos näitä kemikaaleja on saatavilla, voidaan valmistaa tarvittavia akkumateriaaleja kuten prekursoreita, katodiaktiivimateriaaleja ja anodiaktiivimateriaaleja. Näistä saadaan tehtyä varsinaisia akkukennoja, jotka täytyy vielä työstää ja pakata, jotta syntyvien akkujen laatu ja kestävyys saadaan vakioitua halutulle tasolle. Ei pidä unohtaa Suomen tarjoamia luotettavia oloja energian saatavuuden, henkilökunnan osaavuuden, logistiikan toimivuuden sekä poliittisesti vakaiden olojen osalta.
Akkujen valmistus ei periaatteiltaan ole käsittämättömän monimutkaista, mutta se sisältää sähköKEMIAA, jonka ymmärtäminen on edellytys toimivan prosessin aikaansaamiselle. Prosessiolot eivät vaadi hankalan korkeita lämpötiloja tai kovia paineita, mutta valmistustilojen olosuhteille on tarkat speksit, sillä epäpuhtaudet ja liuotinjäämät pilaavat tuotteen laadun. Me Chemitecissä olemme jo pitkään neuvoneet akku- ja mineraalialan toimijoita, joten meillä tarvittavaa osaamista löytyy.
Mitä akkujen valmistukseen tarvitaan?
Kukaan tuskin ryhtyy suuremmissa määrin litiumioniakkuja valmistamaan, ellei niille ole olemassa markkinoita ja sovelluksia, joissa näitä akkuja käytetään. Suuret eurooppalaiset autonvalmistusmaat ovat näppärästi vain laivamatkan päässä. Elinkaariajattelussa tulee huomioida vielä akkujen elämä niiden varsinaisen käyttöajan jälkeen eli miten käytettyjä akkuja saadaan kierrätettyjä, jotta mm. rajallisia luonnonvaroja saadaan säästettyä ja ympäristön pilaantumista estettyä.
Prekursorit
Prekursorit ovat katodiaktiivimateriaalin esiaste ja niiden valmistuksessa on äärimmäisen tärkeää, että seoksen ei pääse epäpuhtauksia. Lopputuote on tahnamainen ja se käytetään katodiaktiivimateriaalin valmistukseen.
Katodiaktiivimateriaali
Tyypillisesti katodiaktiivimateriaali on kemiallisesti litiumin ja muiden metallien oksidiseos ja materiaalina jauhemainen. Katodiaktiivimateriaaleilla on nimiä, kuten NMC (Ni, Co, Mn), NCA (Ni, Co, Al) tai NMCAM (Ni, Mn, Co, Al, Mg), jotka perustuvat materiaalin koostumukseen. Se onkin järkevä nimeämistapa, sillä katodiaktiivimateriaalin koostumus määrää pitkälti katodin ominaisuudet.
Elektrodit
Katodilla eli positiivisella elektrodilla virranjohtimena käytetään litiumioniakuissa alum iinia, jonka päälle katodiaktiivikerros kiinnitetään. Anodilla eli negatiivisella elektrodilla käytetään virranjohtimena kuparia ja aktiivimateriaalina grafiittiin pohjautuvia lähtöaineita, joihin voidaan sekoittaa myös piitä.
Elektrolyytti
Elektrolyytti siirtää ioneja elektrodien välillä. Litiumioniakuissa elektrolyytteinä käytetään orgaanisia karbonaatteja, kuten etyleenikarbonaattia tai litiumheksafluorifosfaattia (LiPF6).
Eristeet
Separaattorina eli eristeenä elektrodien välillä käytetään ohuita kalvoja, jotka on tyypillisesti valmistettu polyeteenistä, polypropeenista tai nylonista.
Akkukennojen valmistusprosessi
Akkukennojen valmistus koostuu monesta eri vaiheesta, jotka varioivat hieman riippuen siitä, minkä tyyppistä akkua valmistetaan. Aluksi valmistetaan prekursorit, joita käytetään elektrodien valmistamiseen. Tarvittavat muut materiaalit kuten elektrolyytit ja eristekalvot hankitaan, jotta akut voidaan kasata ja lopuksi viimeistellä.
Akut voidaan jakaa karkeasti kolmeen eri rakennetyyppiin: sylinterimalliseen, prismaattiseen ja pussimalliseen. Sylinterimallisen ”sormipariston” sekä prismaattisen ”laatikkopariston” kasaaminen perustuu päällekkäin asetettujen katodi-, anodi- ja eristelevyjen rullaamiseen, kun taas pussimallisen akun rakenne muistuttaa pinoa päällekkäin asetettuja katodi- anodi ja eristelevyarkkeja. Kerrosrakenne koteloidaan ja sekaan lisätään elektrolyytti, jolloin akun peruselementit ovat paikoillaan.
Näin kasatut kennot täytyy vielä viimeistellä, ennen kuin niitä voidaan käyttää. Aluksi akut saavat sähkökemiallisen käsittelyn, jolla akku saa oikean kiderakenteen. Mahdollisesti muodostuvat kaasut poistetaan. Sitten akut lämpökäsitellään, jolla varmistetaan akkujen laatu ja kestävyys. Kun akut on testattu ja pakattu, niin akut voidaan lähettää asiakkaille.
Mitä tämä lysti maksaa?
Litiumioniakun hintaan vaikuttavat tietysti akun ominaisuudet, joita ovat mm akun koko, energiatiheys, tehon tuotto, elinikä ja käyttöturvallisuus. NCM-pohjaisen sähköauton akun valmistuskustannukset lienevät 160 €/kWh paikkeilla, joista akkukennon valmistus aiheuttaa puolet kustannuksista. Akkukennon valmistuskuluista merkittävin rooli on katodiaktiivimateriaalin valmistuksella, joka aiheuttaa yli 40 % kennomateriaalien valmistuskustannuksista.
Mikäli teillä sattuu olemaan akkuhanke vireillä, älkää unohtako kysyä meiltä vinkkejä siihen!