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. NMC- ja NCA-akut

Tässä ovat ne maagiset sähkölaatikot, jotka ovat tehneet autoista ylisuuria, pyörillä varustettuja älypuhelimia. Tai ainakin jotain sinnepäin. Niitä on nykyään lähes kaikissa pitkän toimintamatkan sähköautoissa. 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, NMC- ja NCA-akut ovat tulleet tänne jäädäkseen. Tai no, nykyajan maailmassa kaikki teknologian huipentumat ovat tulleet jäädäkseen vain siihen saakka, kunnes joku keksii jotain parempaa. Oli miten oli, tällä hetkellä juuri nämä akkutyypit ovat sähköautojen suorituskykyluokan ykkösjuttu. Ne ovat tehokkaita ja ne saavat sähköautot liikkumaan erittäin nopeasti.

NMC tulee siis sanoista nikkeli, mangaani ja koboltti, kun taas NCA muodostuu nikkelistä, koboltista ja alumiinista. Molemmat ovat kuitenkin litiumioniakkujen alatyyppejä, aivan kuten myöhemmin käsiteltävä LFP-akkukin.

Kiitos suuren energiatiheyden, NMC- ja NCA-akut voivat varastoida tarpeeksi energiaa tehdäkseen sähköautoista oikeasti käyttökelpoisia menopelejä. Esimerkiksi monet nykyiset sähköautot pystyvät valmistajien mukaan kulkemaan yhdellä latauksella yli 600 kilometriä. Puhutaan siis merkittävästä kehitysaskeleesta, sillä varhaisilla sähköautoilla oli suunnilleen yhtä paljon kantamaa kuin radio-ohjattavilla leluautoilla.

NMC- ja NCA-akut eivät ole kevyitä, ei sinne päinkään, mutta jos niitä vertaa moniin muihin akkutyyppeihin, niin ne ovat edelleen erittäin kilpailukykyinen ratkaisu. Esimerkiksi lyijyakut ovat vähän sama asia kuin jos auton takakontin lastaisi täyteen isoja tiiliskiviä.

Mitä tulee lataamiseen, niihin on mahdollista saada lisää rangea satoja kilometrejä alle tunnissa. Nopeimmilla pikalatureilla parhaimmillaan jo noin vartin pysähdys voi tuoda lisää toimintamatkaa useita satoja kilometrejä.

Entäs sitten ne 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? Samanlainen ilmiö koskee myös sähköautojen akkuja. Ne nimittäin heikkenevät ajan myötä, mikä tarkoittaa pienempää rangea ja lopulta suurempaa lataamisen tarvetta. Tosin nykyaikaiset sähköautojen akut kestävät yleensä huomattavasti pidempään kuin puhelimien akut, joten ihan heti ei tarvitse alkaa varailemaan aikaa akunvaihtoon.

NMC- ja NCA-akut ovat myös edelleen sähköautojen kalleimpia komponentteja. Ne ovat pitkään olleet yksi suurimmista syistä siihen, miksi sähköautojen hinnat ovat pysyneet korkeina. Hinnat ovat toki laskeneet, mutta edelleen iso osa sähköautoista on liian tyyriitä suurelle osalle Matti- ja Maija Meikäläisistä.

Näiden akkujen yksi ongelma liittyy niiden turvallisuuteen. Jos akku vaurioituu pahasti, kuumenee hallitsemattomasti tai siihen tulee valmistusvika, seurauksena voi olla niin kutsuttu lämpökarkaus. Ja sitten kun sellainen palo alkaa, sen sammuttaminen ei olekaan enää mikään ihan yksinkertainen homma.

On kuitenkin hyvä muistaa, että vaikka sähköautopalot saavat paljon huomiota mediassa, sähköautojen ei ole todettu syttyvän useammin kuin polttomoottoriautojen. Mutta silloin kun palo syttyy, se on usein huomattavasti tavallista autonpaloa hankalampi tapaus.

NMC- ja NCA-akut ovat selkeästi parasta mitä tällä hetkellä on tarjolla silloin, kun tavoitteena ovat pitkä toimintamatka, hyvä suorituskyky ja nopea lataaminen. Mutta ne ovat edelleen jonkinlainen kompromissi. Ne tarjoavat paljon energiaa suhteellisen pienessä paketissa, mutta maksavat paljon, kuluvat ajan myötä ja vaativat turvallisuuden näkökulmasta melko tarkkaa hallintaa.

Mutta kunnes joku keksii akun, joka ei maksa Porschen verran ja jolla pääsee yli 1000 kilometriä yhdellä latauksella, olemme enemmän tai vähemmän jumissa NMC- ja NCA-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 juuri muutoinkaan, ainakaan tuleen. Sillä, siinä missä NMC- ja NCA-akut voivat muuttua joskus liikkuviksi juhannuskokoiksi, LFP-akut ovat huomattavasti turvallisempia ja pitkäikäisempiä.

Turvallisuuden salaisuus piilee siinä, että LFP-akut ovat paljon vakaampia kuin NMC- ja NCA-akut. Ja tämä on ehdottomasti hyvä asia.

Äsken mainitsinkin, että yksi ikävä piirre NMC- ja NCA-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 NMC- ja NCA-akkujen vastaava luku on yleensä ymmärtääkseni 1500 – 2000 syklin paikkeilla. 

Koska LFP-akuissa ei käytetä kobolttia tai nikkeliä, niitä on huomattavasti halvempi valmistaa kuin NMC- ja NCA-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.

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

Aloitetaan rangesta. LFP-akut varastoivat vähemmän energiaa per kilogramma kuin NMC- ja NCA-akut. Tämä tarkoittaa käytännössä sitä, että samanpainoinen LFP-akku tarjoaa selkeästi pienemmän rangen kuin NMC- tai NCA-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 yleensä lataa yhtä nopeasti kuin NMC- ja NCA-akut, etenkään kylmällä säällä. Tämä tarkoittaa sitä, että NMC- ja NCA-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 NMC- tai NCA-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 litiumioniakut 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 litiumioniakut, 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 LFP:n tavoin turvallisempia kuin NMC- ja NCA-akut.

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 NMC- ja NCA-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 litiumioniakut. Tämä tarkoittaa käytännössä sitä, että sähköautot voisivat mennä yhdellä latauksella merkittävästi 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 umpeutuu 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 NMC- ja NCA-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, NMC- ja NCA-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 NMC- ja NCA-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.