Sukellus sähköautojen sydämiin eli erilaisiin akkutyyppeihin

Kuva: Adobe Stock

Nyt on aika paneutua sähköautojen todellisiin sydämiin, eli akkuihin. Ovatko sähköautojen akut vain jättimäisiä Duracell-paristoja ja minkälaisia erilaisia akkutyyppejä niitä onkaan?

Paneudutaanpa erilaisiin akkutyyppeihin tarkemmin.

1.        Litiumioniakut

Tässä ovat ne maagiset sähkölaatikot, jotka ovat tehneet autoista ylisuuria, pyörillä varustettuja älypuhelimia. Tai ainakin jotain sinnepäin. Niitä on nykyään kaikessa, aina Tesloista sähköhammasharjoihin. Ja, jos on sähköautofanaatikkoihin uskomista, niin ne ovat suurin keksintö sitten tulen. Mikä on tavallaan vähän ironistakin, koska ne toisinaan myös syttyvät tuleen.

Mutta, rakasti niitä sitten tai ei, litiumioniakut eli Li-ion-akut ovat tulleet tänne jäädäkseen. Tai no, nykyajan maailmassa kaikki teknisen ja teknologisen kehityksen huipentumat ovat tulleet jäädäkseen vain siihen saakka, kunnes tulee jotain parempaa tilalle. Oli miten oli, tällä kyseisellä hetkellä Li-ion-akut ovat akkuteknologian ykkösjuttu. Ne ovat tehokkaita ja ne saavat sähköautot liikkumaan erittäin nopeasti.   

Kiitos suuren energiatiheyden, Li-ion-akut voivat varastoida tarpeeksi energiaa tehdäkseen sähköautoista oikeasti käyttökelpoisia menopelejä. Esimerkiksi Tesla Model S pystyy kulkemaan yhdellä latauksella 600 kilometriä (teoriassa siis, ei käytännössä, ainakaan Suomen pakkaskeleissä). Puhutaan siis merkittävästä kehitysaskeleesta, sillä varhaisilla sähköautoilla oli suunnilleen yhtä paljon kantamaa kuin radio-ohjattavilla leluautoilla.

Li-ion akut eivät ole kevyitä, ei sinne päinkään, mutta jos niitä vertaa muihin akkutyyppeihin, niin ne ovat selkeästi paras heikoista vaihtoehdoista. Esimerkiksi lyijyakut ovat vähän sama asia kuin jos auton takakontin lastaisi täyteen isoja tiiliskiviä.

Mitä tulee Li-ion akkujen lataamiseen, niihin on mahdollista saada lisää rangea satoja kilometrejä alle tunnissa. Tesla taitaa mainostaa, että Superchargerilla on mahdollista ladata akku 10-prosentista 80-prosenttiin vain 15 minuutissa.

Entäs ne Li-ion-akkujen huonot puolet? No, ensinnäkin, ne ovat melko herkkähipiäisiä, etenkin kylmälle. Pakkaskeleillä range putoaa monesti nopeammin kuin lehmän häntä.

Ja, muistatko kuinka puhelimesi akku kesti joskus ehkä kokonaisen päivän tai vaikka parikin? Ja nyt se vetelee viimeisiään jo puolessa välissä päivää? Näin tapahtuu myös sähköautoissa, siis sellaisissa missä on Li-ion-akut. Ne nimittäin heikkenevät ajan myötä, mikä tarkoittaa pienempää rangea, enempiä latauskertoja ja loppujen lopuksi erittäin kallista akunvaihtoa. Koska sähköautot ovat edelleen suhteellisen tuore juttu, hirveän montaa esimerkkiä tästä ei ole vielä ehditty näkemään, mutta lähivuosina ihmisille alkaa ehkä konkretisoitumaan se tosiasia, etteivät sähköautojenkaan akut kestä ikuisesti.

Li-ion-akut ovat myös erittäin kalliita, ne ovat edelleen yksi sähköautojen kalleimmista asioista ja pääsyyllinen siihen, että miksi sähköautojen hinnat ovat pitkään olleet melko korkealla. Toki sähköautojen hinnat tulevat koko ajan alaspäin, mutta edelleen iso osa niistä on liian tyyriitä suurelle osalle Matti ja Maija Meikäläisistä.

Li-ion-akkujen yksi ongelma liittyy niiden syttymiseen. Viime aikoina on uutisoitu ainakin parista, Lahden moottoritiellä roihuaviin liekkeihin syttyneistä autoista ja voisin vaikka veikata, että ne ovat olleet nimenomaan sähköautoja. Koska, jos Li-ion-akut kuumenevat liikaa, ne voivat syttyä tuleen. Jos ne lävistyvät vahingossa, ne voivat syttyä tuleen. Jos niiden lataus menee niin sanotusti yli, ne voivat syttyä tuleen. Ja, sitten kun ne syttyvät tuleen, niitä on todella vaikea saada sammutettua. Palomiesten on käytännössä upotettava autot jättimäisiin vesisäilöihin estääkseen niitä syttymästä uudelleen. Olenkin viime aikoina miettinyt, että mitä jos esimerkiksi parkkihallissa kokonainen rivistö sähköautoja syttyy tuleen? Tai, mitä jos sellainen syttyy tuleen laivan autokannella?   

Li-ion-akut ovat selkeästi parasta mitä tällä hetkellä on saatavilla sähköautojen akkutyyppien rintamalla. Mutta, ne ovat yhä edelleen jonkinlainen kompromissi. Ne antavat nykyään jo kohtuullisen rangen, kohtuullisen painon ja (tietyllä mittapuulla mitattuna) nopean latauksen, mutta ne myös heikkenevät ajan myötä, maksavat pienen omaisuuden ja syttyvät tuleen turhan helposti.

Mutta, kunnes joku tulee ja keksii akun, joka ei maksa Porschen verran ja jolla pääsee yli 1000 kilometriä yhdellä latauksella, olemme enemmän tai vähemmän jumissa Li-ion-akkujen kanssa. Huonomminkin voisivat toki asiat olla.

2.        Litiumrautafosfaattiakut

Litiumrautafosfaattiakut eli LFP-akut ovat eräänlainen vastine vanhalle farmari-Volvolle. Ne eivät ehkä sytytä sinua jännityksestä, mutta ne eivät toisaalta syty muutoinkaan, ainakaan tuleen. Sillä, siinä missä Li-ion-akut voivat muuttua joskus liikkuviksi juhannuskokoiksi, LFP-akut ovat huomattavasti turvallisempia ja pitkäikäisempiä.

Turvallisuuden salaisuus piilee siinä, että LFP-akut ovat paljon vakaampia kuin Li-ion-akut. LFP-akut voivat ylikuumentua tai voit ladata niitä liikaa ilman sen kummempaa pelkoa niiden syttymisestä tuleen. Ja kyllä, se on minun mielestäni jokseenkin hyvä asia.

Äsken mainitsinkin, että yksi ikävä piirre Li-ion-akuissa on se, että ne heikkenevät ajan myötä. Ne menettävät kapasiteettiaan, aivan kuten puhelintenkin akut. LFP-akut sen sijaan mennä porskuttavat samaan malliin, todella pitkiäkin aikoja. Jotkut niistä voivat kestää jopa yli 3000 lataussykliä, kun taas Li-ion-akkujen vastaava luku on yleensä ymmärtääkseni 1500 – 2000 syklin paikkeilla. 

Koska LFP-akuissa ei käytetä kobolttia tai nikkeliä, niitä on huomattavasti halvempi valmistaa kuin Li-ion-akkuja. Tämä taas tarkoittaa sitä, että autonvalmistajat voivat valmistaa sähköautoja, jotka ovat helpommin tavallisten pulliaisten ulottuvilla. Tesla ja BYD (sekä muutamat muut kiinalaiset autonvalmistajat) käyttävät niitä itse asiassa jo halvemmissa malleissaan.

Meitä suomalaisia ilahduttanee varmasti myös se fakta LFP-akuissa, että ne kestävät kylmää ilmastoa hivenen paremmin kuin Li-ion-akut. Eivät toki täydellisesti, mutta ainakaan niiden range ei puolitu aina talven saapuessa.

Mutta, toivottavasti et ehtinyt innostumaan liikaa, sillä LFP-akkuihinkin liittyy muutamia, merkittäviä miinuksia.

Aloitetaan rangesta. LFP-akut varastoivat vähemmän energiaa per kilogramma kuin Li-ion-akut. Tämä tarkoittaa käytännössä sitä, että samanpainoinen LFP-akku tarjoaa selkeästi pienemmän rangen kuin Li-ion-akku. Jos tykkäät pysähtyä kahville 300 kilometrin välein, tämä ei välttämättä haittaa. Mutta, jos haluaisit ajaa vähän pidempiä pätkiä kerralla, alkaa tästä tulemaan pienoinen murheenkryyni.

Koska LFP-akut eivät tosiaan varastoi energiaa niin hyvin, tarkoittaa se käytännössä sitä, että tarvitset isomman ja painavamman akun päästäksesi samanlaisiin range-lukemiin. Tämä tarkoittaa luonnollisesti taas suurempaa kulutusta, mikä puolestaan tarkoittaa… jopa entistä pienempää rangea.

LFP-akut eivät myöskään lataa yhtä nopeasti kuin Li-ion-akut, etenkään kylmällä säällä. Tämä tarkoittaa sitä, että Li-ion-akkujenkin latausaika alkaa kuulostamaan niiden rinnalla melkoiselta luksukselta, polttomoottorisen auton tankkaamisesta nyt puhumattakaan.

LFP-akuissa on siis selkeitä vahvuuksia ja heikkouksia. Ne eivät tarjoa suurinta rangea, nopeinta latausta eivätkä ne ole kovin kevyitä, mutta ne kestävät pidempään ja eivät muutu yhtä herkästi ilotulitusnäytökseksi.

Kuten jo mainitsinkin, esimerkiksi Tesla ja BYD käyttävät niitä halvemmissa malleissaan ja periaatteessa niissä on paljonkin järkeä, jos käyttää autoaan ainoastaan kaupunkiajossa tai lyhyessä työmatka-ajossa. Mutta, jos tarkoituksena on lähteä joka toinen viikonloppu vaikka Lappiin ja aikomuksena ei ole pysähdellä kolmen tunnin välein, kannattaa ehkä sittenkin valita Li-ion-akulla varustettu sähköauto. Tai ostaa polttomoottoriauto.

3.        Nikkelimetallihybridiakut

Nikkelimetallihybridit-akut tai NiMH-akut vastaavat tietyllä tapaa vanhaa nokialaista. Oli aika, jolloin nekin olivat viimeisintä huutoa. Niitä käytettiin aikoinaan esimerkiksi Toyota Priuksessa. Mutta, nykyään ne ovat jo rajusti vanhentuneita ja raskaita. Kysymys kuuluu, että miksi niitä sitten on edelleen olemassa? Ovatko ne jollain tapaa sittenkin akkuteknologian piilotettuja helmiä vai ovatko ne kuin jääräpäisiä isovanhempia, jotka eivät suostu millään jäämään eläkkeelle?

Ennen kuin Li-ion-akut valtasivat maailman, NiMH-akuthan olivat selkeästi paras ratkaisu hybridiautoille ja varhaisille sähköautoille. Ja, vaikka ne eivät olekaan enää nykypäivänä paras ratkaisu millään muotoa, niissä on silti edelleen joitain hyviä puolia.

Ensinnäkin, ne ovat äärimmäisen kestäviä. Eivät ehkä ikuisia, mutta aika lähelle kuitenkin. Esimerkiksi luotettavuudestaan tunnettu Toyota käyttää edelleen NiMH-akkuja joissain hybridimalleissaan, koska ne ovat niin kestäviä. Ne eivät varastoi energiaa yhtä hyvin kuin Li-ion-akut, mutta ne kestävät käytössä vuosikausia, jopa vaikeissakin olosuhteissa.

Ne kestävät esimerkiksi kuumuutta ja kylmyyttä erittäin hyvin. Ne eivät välitä onko ulkona paahtava helle tai paukkupakkaset, ne toimivat kaikissa olosuhteissa melko hyvin (ilman pelkoa esimerkiksi siitä rangen puoliintumisesta).

NiMH-akut ovat myös turvallisempia kuin litiumioniakut. LFP-akkujen lailla ne ovat huomattavasti Li-ion-akkuja vakaampia.

Ei nyt kuitenkaan maalata liian ruusuista kuvaa NiMH-akuista. Vaikka niissä hyviä puolia onkin, huonot puolet peittoavat kuitenkin ne hyvät.

Aloitetaan painosta. Ne nimittäin painavat julmetun paljon. Kun autonvalmistajat yrittävät tehdä mahdollisimman energiatehokkaita autoja, niin tämänkaltainen akkuteknologia ei vain yksinkertaisesti sovi yhtälöön.

Verrattuna Li-ion-akkuihin tai edes LFP-akkuihin, NiMH-akut varastoivat todella vähän energiaa per kilogramma. Se tarkoittaa käytännössä pienempää rangea, huonompia teholukemia ja useampia latauskertoja. Ne ovat siis kaikkea muuta kuin ideaaliratkaisu nykypäivän sähköautoja ajatellen.

Sitten on vielä sekin seikka, että ne menettävät käyttämättöminä virtaansa. Eli jos auto seisoo parkkeerattuna vaikka muutaman viikon verran, akku voi hyvinkin olla tyhjentynyt puolilleen.

Asiaa ei auta myöskään se, että niitä on todella hidasta ladata.

NiMH-akut olivat kova juttu 90-luvulla ja vielä 2000-luvunkin alkupuoliskolla, mutta siihen se sitten jäikin. Ne voivat edelleen käydä jotenkin järkeen hybridiautojen kohdalla, joissa niiden tehtävänä on vain avustaa polttomoottoria (ilman että niiden tarvitsee hirveästi varastoida energiaa). Mutta, täysin sähköiseen kulkupeliin niitä on turha nykypäivänä enää edes harkita. Ne ovat nykypäivänä yhtä relevantteja kuin faksi, eli se kertonee kaiken oleellisen.

4.        Puolijohdeakut

Puolijohdeakut ovat automaailman vastine lentäville autoille, tai jotain sinnepäin. Aina silloin tällöinhän joku lupailee niiden tulon olevan enää vain nurkan takana, mutta tuollaiset toteamukset taitavat monesti olla enemmänkin pelkkää sanahelinää. Nythän Toyota lupailee, että ne saapuisivat markkinoille vuoteen -27 mennessä, eli hyvinkin pian, mutta odotellaan ja katsellaan nyt ensin.

Puolijohdeakuthan voisivat ratkaista käytännössä kaikki ne ongelmakohdat tai heikkoudet (jos se on parempi sanavalinta tässä kohtaa) mitä esiintyy nykypäivän sähköautoissa. Ne toisivat mukanaan suuremmat ranget, nopeammat lataukset, pidemmän käyttöiän ja vähemmän tulipaloja.

Eli onko kyseessä siis akkutyyppien Holy Grail? Tavallaan joo.

Puolijohdeakut varastoivat merkittävästi enemmän energiaa per kilogramma kuin Li-ion-akut. Tämä tarkoittaa käytännössä sitä, että sähköautot voisivat mennä yhdellä latauksella noin 50-100% pidemmälle ilman, että auton tarvitsisi painaa kiloakaan enempää. Joten puolijohdeakkujen ansiosta meillä voisi ihan aikuisten oikeasti olla sähköautoja, joilla pääsisi vaikka sen 1 000 kilometriä yhdellä latauksella ilman, että autot painaisivat norsun verran.

Lataamiseen liittyvä hyvä puoli olisi se, että latausaika voisi pienentyä vain noin 10 minuuttiin. Se ei ole enää kovin kaukana siitä ajasta, mikä menee polttomoottoriauton tankkaamiseen.

Akkukestävyyden osalta puolijohdeakut olisivat aivan omassa luokassaan. Niiden pitäisi kestää jopa kymmeniä tuhansia lataussyklejä, eli ne saattaisivat jopa ylittää auton varsinaisen käyttöiän. Se olisi aika loistava uutinen kaikille heille, jotka murehtivat sähköautoa hankkiessaan, että mitäs sitten kun akkutakuu umpenee ja saa koko ajan olla pelkäämässä sitä kymppitonnin luokkaa (tai enemmänkin) olevaa laskua, mikä liittyy akunvaihtoon.

Puolijohdeakut eivät myöskään syty kovin helposti tuleen, sillä niiden toiminta ei Li-ion-akkujen tavoin perustu helposti syttyviin, nestemäisiin elektrolyytteihin.

Herää kysymys, että onko puolijohdeakuissa oikeastaan mitään vikaa?

No, ainakin vielä tällä hetkellä, ne ovat superkalliita. Siksi esimerkiksi isot autojätit kuten BMW tai Toyota eivät ole ihan vielä pystyneet sellaisia tuomaan markkinoille. Ja, jos olen ymmärtänyt oikein, puolijohdeakkujen valmistaminen on myös erittäin vaikeata. Valmistusprosessi on todella monimutkainen ja siksi myös niin kallis. Eivätkä autonvalmistajat luonnollisesti halua käyttää miljoonia ja taas miljoonia johonkin sellaiseen, mitä ne eivät vain pysty myymään suuria määriä ja riittävällä katteella.

Ja, sitten on vielä sekin seikka, että siinä vaiheessa kun puolijohdeakkuja aletaan oikeasti näkemään enemmän markkinoilla, niin vetyautotkin voivat olla jo täällä. Eli vaikka Toyota lupaileekin, että se toisi ensimmäiset puolijohdeakut markkinoille vuoteen -27 mennessä, se ei todellakaan tarkoita, että ne olisivat silloin vielä yleistymässä. Voi olla, että tuon ensiaskeleen jälkeen menee vielä monen monta vuotta niiden yleistymiseen. Jos Toyota nyt ylipäätään pystyy pysymään tuossa asettamassaan tavoitteessa.

Summa summarum, Li-ion-akut hallitsevat sähköautomarkkinoita tällä hetkellä ja tämän hetkisistä vaihtoehdoista ne ovat selkeästi paras. Ne ovat kaukana täydellisestä, mutta kuten jo aiemmin kirjoitin, huonomminkin voisivat asiat olla. Ne tarjoavat kuitenkin parhaimmillaan melko suuren rangen, suhteellisen pienen latausajan ja riittävästi tehoa (jos painavan sähköauton saa liikkumaan nollasta sataseen vain noin kolmessa sekunnissa, kuten joidenkin Li-ion-akuilla varustettujen autojen kohdalla, niin tehon puutteesta niitä ei voi ainakaan syyttää). 

Puolijohdeakku on akkutyyppien yksisarvinen, mutta ainakin vielä tällä hetkellä sellaisen näkeminen todellisuudessa on yhtä todennäköistä kuin aidon yksisarvisen.

Katsotaan mitä tulevaisuus tuo tullessaan.