"Näitasime ära, kuidas autosse on võimalik teha aku, mis kestab sisuliselt igavesti. Jõudsime 7,5 miljoni miili ehk 12 miljoni kilomeetrini. See on natukene ulme: sa võiksid iga päev ainult sõita ja ikka ei sõidaks seda maad ära," sõnas Anu Adamson. Kui siiani on ühed levinuimad nikkel-mangaan-koobalt-akud (NMC) pidanud reeglina vastu 1000–1500 täielikku laadimis-tühjenemistsüklit, enne kui nende mahutavus langeb umbes 80 protsendini algsest, siis Adamson uuris kolleegidega muu hulgas elementi, millel kulus selleks 23 000 tsüklit.

Akude erakordse vastupidavuse valemit kirjeldanud uuring oli osa Adamsoni doktoritööst. Kanadas asuva Dalhousie Ülikooli teadlased avasid ja uurisid selleks laboris kuni kaheksa aastat järjest töötanud akuelemente, et selgitada välja nende kulumise peamised põhjused. "Mina tegin oma doktorikraadi neli aastat, nii et seda tudengit, kes selle aku tegi, pole ma kohanud ilmselt tänase päevani," muigas nüüd Saksamaa iduettevõttes Litona akuelementide arendust juhtiv insener.

Lihtsustatult tagas edu kolm põhimõtet. Esiteks asendasid teadlased hapra struktuuriga katoodmaterjali tugeva monokristalliga, teiseks timmisid nad elektrolüüdi keemia nii stabiilseks, et see peaaegu ei lagunenud. Viimaks said akud katsetes küll omajagu vatti, kui neid ei laetud päris maksimumini. "Kui akutootja neid andmeid vaatab, ei pea ta mõtlema, et peab nüüd kõik ümber tegema, sest nad saavad tegelikult suhteliselt palju üle võtta," kinnitas Adamson.

Katsetes kasutasid teadlased akuelemente, mis sarnanesid mõõtmetelt tavaliste nutitelefonide akudega. Seega pole tegu enam puhta laboriskaalaga, ent need polnud ka veel täismõõdus autoakud. Sellest vaatamata oli katseelementide disain, kasutatud materjalide hulk ja laadimisviisid inseneri sõnul piisavalt elulähedased. Töörühm pani energiaallikad proovile äärmuslikes tingimustes.

"Neid akusid, mis kestsid kõige kauem, testisime võrdlemisi karmide laadimiskiirustega – tunniga täis, tunniga tühjaks. Kui sul õnnestub autoga sõites aku samamoodi tunniga tühjaks tõmmata, peab see olema ikka üks kõva sõit," märkis Adamson. Tavatarbija sõidab autoaku tühjaks tavaliselt päevadega. Kui tuua sarnased akud argiliiklusesse, võiksid olla tulemused seega tema sõnul veel paremad. Laadimiskordade arv võiks jääda julgelt kümnete tuhandete kanti.

Kompromissid, kompromissid

Akuelementide arendus nõuab alati kompromisside tegemist. Ühelt poolt soovivad insenerid luua võimalikult heade omadustega energiaallika, mis muudab selle ehituse paratamatult keerukamaks. Teisalt peab uute lahenduste loomisel kindlasti arvestama ringmajanduse põhimõtetega. Kasutatud materjale peaks olema võimalik kergesti üksteisest eraldada, et neid saaks taaskasutada.

Dalhousie ülikooli teadlastel oli selles osas selge filosoofia luua aku, mis kestab sisuliselt põlvest põlve. "Meie labori koolkond või mõtteviis on olnud pigem see, et teeme aku, mis kestaks igavesti. Kõige lihtsamalt ümbertöödeldav aku on ju selline, mida sa ei pea ümber töötlema," selgitas Anu Adamson.

Insener nentis lisaks, et praeguste laiatarbeakude taaskasutus kulgeb üle kivide ja kändude. Ettevõtted eelistavad väärtuslike materjalide kättesaamisel kulude vähendamiseks tihti rohmakamaid meetodeid. "Kõige sagedasem ongi see, et võtame aku, viskame sisuliselt lõkkesse, sulatame metallid välja, võtame need kaasa ja kõik muu läheb sinna, kuhu ta läheb," nentis teadlane.

Probleem ilmutab ennast praegu eriti teravalt just autotööstuses populaarsete liitiumraudfosfaat- ehk LFP-akude puhul, mis on NMC-akudest umbes kaks korda vastupidavamad. "See analüüs on juba tehtud, et LFP akut ei ole rahaliselt mitte kellelgi mõtet ümber töödelda, mis on ausalt öeldes nõme," lisas Adamson. Vähemalt praegu kannustaks seeläbi akumaterjalide laiemat taaskasutust mitte majandusloogika, vaid riiklikud regulatsioonid.

Ilmunud uuring osutas, et potentsiaal on arvatust suurem. Uurijad leidsid enda jaoks üllatuslikult, et aku anoodis leiduvat grafiiti ei riku ka pikaajaline kasutus. Pärast aastatepikkust laadimist ja tühjenemist säilitas materjal oma algse kuju ning struktuuri. "Grafiiti vaadanud inimesed leidsid, et see on põhimõtteliselt täpselt selline, nagu vaataks algset materjali," tõdes Adamson. Seega saaks grafiidi vanast akust lihtsalt välja võtta ja peaaegu otse ringlusse suunata. Praegu sõltub Euroopa Liit grafiidi peaaegu täielikult impordist, umbes 70–80 protsenti tuleb seejuures Hiinast.

Uus majandusloogika

Märksa pikem akude eluiga võib sundida autotööstust muutma oma seniseid ärimudeleid. Traditsiooniliselt teenivad ettevõtted kasumit pideva uute sõidukite müügiga. "Autotootja tahaks muidugi, et sama inimene ostaks igal aastal uue auto, aga iga inimene ei jaksa seda teha," nentis Anu Adamson. Vastupidiselt varasemale võib anda enne otsad auto ise, kui aku oma kasuliku eluea lõpuni jõuab.

Ühe lahendusena võiks inseneri hinnangul minna üle liisingumudelile. See tähendab, et tarbija ei osta akut päriseks, vaid see läheb tagasi ettevõttele, kes saab selle tõsta uude autosse või leida sellele mõne muu rakenduse.

Näiteks kasutab tööstus kasutav vanu autoakusid üha enam teise ringi rakendusi statsionaarsete salvestitena. "Mahakantud sõidukitest võetud elemendid pannakse konteineritesse kokku, sest enamasti mahub neisse akudesse veel arvestatav hulk energiat ja oleks tobe neid ära visata," kinnitas insener. Võrku ühendatuna aitavad taolised akupargid tasakaalustada elektrisüsteemi.

Paralleelselt liitiumioonakude täiustamisega arendavad insenerid hoogsalt ka teisi tehnoloogiaid, sh naatriumioonakusid. Kuigi pealtnäha võiksid uued lahendused omavahel võistelda, täidavad need erinevaid ülesandeid. "Liitium on nii kallis ja hea kraam, et sa ei raiska seda kohas, kus sa saad midagi odavamat kasutada. Ka lauad ja toolid ei konkureeri üksteisega, vaid me kasutame neid eri asjadeks," selgitas Adamson.

Näiteks taluvad naatriumil põhinevad energiaallikad suurepäraselt külma ja neid on ohutum transportida. Uus tehnoloogia sobiks seetõttu hästi vanade pliiakude asendamiseks, sest suudab lühikese ajaga anda auto käivitamiseks palju energiat. Seega ei kaota inseneri sõnul ühe tehnoloogia võidukäik vajadust teiste järele: "Kui ühel läheb hästi, siis see ei tähenda absoluutselt, et teisel ei lähe, vaid vastupidi: me defineerime paremini, kus on selle teise koht."

Kõik need väikesed detailid

Ilmunud uuringus pöörasid Dalhousie Ülikooli teadlased koos Anu Adamsoniga pikema eluea nimel tähelepanu mitmetele eri tahkudele, alustades katoodist lõpetades laadimistsükli endaga.

Teadlaste nägemuses suudab ideaalne katood esmalt vastu panna füüsilisele lagunemisele. Pikaajalisel kasutusel kipuvad traditsioonilised materjalid murenema, mis lühendab aku eluiga. Uurimisrühm näeb lahendusena monokristallilisi katoodimaterjale. Need koosnevad suurematest ühes tükis osakestest. Kuigi selliseid suuri kristalle on raskem tihedalt kokku pakkida, tagavad need lõppkokkuvõttes akule kordades pikema eluea.

Lisaks füüsilisele vastupidavusele nõuab ideaalne katood õiget keemilist tasakaalu. Katsetes andis kõige pikema eluea materjal, kus nikli osakaal moodustas täpselt poole katoodi koostisest. Autotootjad eelistavad tavaliselt suuremat, enam kui 80-protsendilist niklisisaldust, sest selline aku mahutab rohkem energiat.

"Tavaliselt tuuakse ohvriks aku eluiga. Selles töös näitasime aga, et võid rahumeeli kasutada ka kõrge niklisisaldusega materjali, ent seda peab lihtsalt hellemalt tsükleerima," selgitas Adamson. See tähendab, et igapäevaste lühikeste sõitude puhul võiks autoomanik laadida akut vaid 70–80 protsendini.

Kolmas oluline tegur ideaalse katoodi juures on mangaani sisaldus. Kuigi metall on materjalina odav ja võimaldab akusid kiirelt laadida, kipub metall katoodist eralduma ja liikuma aku miinusklemmile ehk anoodile. Seal hakkab see hävitama anoodi kaitsvat kihti, mis päädib aktiivse liitiumi pöördumatu kao ja lõpuks aku surmaga. Dalhousie teadlased hoidsid oma kõige vastupidavamates akudes mangaani osakaalu alla 30 protsendi. Katsetes selgus, et sellise taseme juures eraldub mangaani minimaalselt ja see ei piira aku eluiga enam sedavõrd palju.

Laias laastus lõpeb liitiumioonaku elu kahel põhjusel: liitiumi paigutamiseks mõeldud kohad lagunevad või liitium ise saab otsa. Kuna akut disainides suutsid teadlased aktiivmaterjali kulumine peaaegu täielikult välistada, vananes see vaid aktiivse liitiumi järkjärgulise kao tõttu. Aktiivne liitium on justkui aku liikuv kütus, mis rändab akut laadides ja selle tühjenemisel pluss- ja miinusklemmi vahel.

Osa sellest väärtuslikust "kütusest" kaob paraku pidevalt kõrvalistesse ehk parasiitsetesse protsessidesse. Aku miinusklemmile ehk anoodile tekib töötamise ajal kaitsekiht, kuhu aktiivne liitium kipub pöördumatult kinni jääma. "Seda liitiumit saab akut valmistades põhimõtteliselt ka juurde lisada, milleks on olemas eel-litieerimise tehnikad," nentis insener. Kuna aga tehases lisaliitiumi lisamine on majanduslikult kallis ja tehniliselt keeruline, eelistab tööstus leida viise kahjulike kõrvalreaktsioonide aeglustamiseks.

Selleks täiustas Dalhousie töörühm ka elektrolüüti. Parasiitsete protsesside ohjeldamiseks lisasid nad aku vedelikule spetsiaalseid ühendeid, mh vinüleenkarbonaati. Lisand aitas ehitada anoodile tugevama ja stabiilsema kaitsekihi. Tugeva kihi toel ei jäänud aktiivset liitiumi enam sedavõrd palju kaitsekihti, tänu millele vähenes aku mahtuvus aeglasemalt.

Kuigi labori tipptehnoloogia ei jõua kohe homme poelettidele, võiks anda uuringu tulemus Adamsoni hinnangul elektriautode omanikele uut lootust. Pikaealised akud avavad ukse tulevikulahendustele, mida tuntakse lühendite V1G ja V2G nime all. V1G ehk nutikas laadimine tähendab, et sõiduk ajastab oma laadimise automaatselt sellele hetkele, kui elekter on odav ja võrgus on ülejääk. V2G ehk kahesuunaline laadimine astub sellest sammu edasi. See võimaldab autol toimida liikuva akupangana ja anda vajadusel elektrit võrku tagasi.

Paljud autoomanikud kardavad praegu, et pidev võrguga ühendatus ja kahesuunaline laadimine kulutavad sõiduki akut liiga palju. "Paljudel on mure, et mida ma oma auto akule sellega teen ja kas see kulutab seda rohkem. Ma tahan näidata, et ei kuluta," kinnitas Anu Adamson. Teadlase sõnul taluvad optimeeritud akud lisakoormust selleks piisavalt hästi.

"Kuigi me kohe praegu seda tehnoloogiat kasutama ei hakka, näitasime siiski, mis on võimalik. Me ei ole kaugel ajast, kus saame kasutada elektriautosid ratastel akupankadena ning sellega oma võrku paremini hajutada," lisas insener.

Uuring ilmus ajakirjas Journal of The Electrochemical Society.