Väisty, litium: alumiini- ja rikkiparistot käynnistävät energiavallankumouksen

Tammikuussa 2024 Nature Communications -lehdessä raportoitiin alumiini–rikkiparistosta, joka toimi 85 °C:ssa sulalla kloroaluminaattielektrolyytillä ja säilytti 85,4 % kapasiteetistaan 1 400 syklin jälkeen 1C:llä.
Stanfordin vuoden 2015 alumiini-ioniakkuprototyyppi käytti alumiinianodia ja grafiittikatodia, mahdollistaen erittäin nopean latauksen (noin minuutissa) ja yli 7 500 sykliä noin 2 V:lla.
Vuonna 2014 Phinergy esitteli auton, joka pystyi kulkemaan noin 1 100 mailia alumiini-ilma-akkujen avulla.
Alumiini-ilma-akut tarjoavat noin kolme kertaa suuremman energiatiheyden painoa kohden kuin litiumioniakut.
Tammikuussa 2023 Argonne National Laboratory esitteli Li–S-kennoja, joissa oli redox-aktiivinen välikerros, joka lähes poisti shuttle-ilmiön ja mahdollisti yli 700 sykliä.
Litium–rikki-kennoilla on laboratorioissa saavutettu noin 400–500 Wh/kg energiatiheyksiä, ja NASAn SABERS-projekti tähtää noin 500 Wh/kg sähköiseen ilmailuun.
Elokuussa 2022 MIT:n Donald Sadoway esitteli alumiini–rikkipariston, jossa oli alumiinianodi ja rikkikatodi, ja joka käytti sulasuolaelektrolyyttejä mahdollistamaan edullisen ja turvallisen toiminnan.
Lokakuussa 2024 Lyten ilmoitti rakentavansa maailman ensimmäisen Li–S-akkujen gigatehtaan Nevadaan, tavoitteenaan 10 GWh/vuosi vuoteen 2027 mennessä.
Maaliskuussa 2025 Theion keräsi 15 miljoonaa euroa kiteisen rikin Li–S-kennojen skaalaamiseen, väittäen kolminkertaista energiatiheyttä litiumioniin verrattuna, kolmanneksen kustannuksista ja kolmanneksen CO₂-päästöistä, ja suunnittelee siirtymistä kolikkokennoista suurempiin pussikennoihin.
Vuonna 2023 Phinergy ja Indian Oil Corporation esittelivät Intian ensimmäisen alumiini-ilmakäyttöisen ajoneuvon, mikä viittaa käyttöönoton mahdollisuuksiin markkinoilla.

Kuvittele paristoja, jotka on valmistettu tavallisesta alumiinifoliosta ja rikkijauheesta, ja jotka voivat antaa virtaa kaikkeen kodeista sähköautoihin murto-osalla nykyisistä kustannuksista. Alumiini- ja rikkipohjaiset akut ovat nousemassa lupaaviksi vaihtoehdoiksi perinteisille litiumioniakuille, tarjoten houkuttelevan mahdollisuuden edullisempaan, turvallisempaan ja kestävämpään energiavarastointiin. Tässä raportissa perehdymme siihen, mitä nämä alumiini- ja rikkiakut ovat, miten ne toimivat, kehitteillä oleviin eri tyyppeihin (mukaan lukien jännittävä alumiinin ja rikin yhdistelmä), niiden etuihin ja haasteisiin, avaintoimijoihin, jotka ajavat läpimurtoja, sekä siihen, miten viimeaikaiset innovaatiot vuosina 2024–2025 voivat mullistaa puhtaan energian ja sähköajoneuvot. (Kaikki lähteet on mainittu uskottavuuden takaamiseksi.)

Mitä ovat alumiini- ja rikkiakut?

Alumiiniakut ja rikkiakut edustavat kahta laajaa seuraavan sukupolven ladattavien akkujen perhettä, joiden tavoitteena on ratkaista nykyisten litiumioniakkujen rajoituksia. Yksinkertaisesti sanottuna ne käyttävät alumiinia tai rikkiä (tai molempia) sähkökemiallisissa reaktioissaan sen sijaan, että ne perustuisi pelkästään litiumkemioihin. Kuten kaikissa akuissa, näissäkin on kolme pääosaa – positiivinen elektrodi (katodi), negatiivinen elektrodi (anodi) ja niiden välissä elektrolyytti, joka kuljettaa ioneja latauksen ja purkauksen aikana. Keskeinen ero on kemiassa: alumiiniakuissa metalli-alumiini toimii usein anodina (ja joissain malleissa tarjoaa varauksen kuljettavat ionit), kun taas rikkiakuissa alkuaine rikki toimii tyypillisesti katodimateriaalina, joka vastaanottaa ioneja metalli-anodilta (kuten litium tai natrium).

Miksi tutkia alumiinia tai rikkiä? Molemmat alkuaineet ovat uskomattoman runsaita ja edullisia verrattuna litiumiin ja kobolttiin, joita käytetään litiumioniakuissa. Alumiini on maankuoren runsain metalli ja sillä on erittäin korkea teoreettinen kapasiteetti varastoida varausta (jokainen Al-atomi voi luovuttaa 3 elektronia, mikä antaa sille varauskapasiteetin 2,98 Ah grammaa kohden, mikä on valtava) nature.com. Rikki on yksi halvimmista epämetalleista (usein öljynjalostuksen sivutuote) ja voi sitoa kaksi litiumionia per atomi, mahdollistaen erittäin korkean energian varastointipotentiaalin nature.com, anl.gov. Periaatteessa alumiinia tai rikkiä käyttävät akut voisivat varastoida enemmän energiaa painoyksikköä kohden ja maksaa huomattavasti vähemmän kuin nykyiset litiumioniakut. Kuten Argonnen kansallislaboratorion tutkijat selittävät, “Rikki on erittäin runsasta ja kustannustehokasta ja voi varastoida enemmän energiaa kuin perinteiset ioniin perustuvat akut.” anl.gov Samoin alumiini on halpaa, laajasti saatavilla ja varastoi varausta tiheästi sekä painon että tilavuuden suhteennature.com.

Toinen suuri motivaattori on turvallisuus ja kestävyys. Litiumioniakut käyttävät syttyviä orgaanisia nestemäisiä elektrolyyttejä ja vaativat usein harvinaisia metalleja (kuten koboltti, nikkeli, litium), jotka aiheuttavat toimitusketju- ja eettisiä ongelmia. Sen sijaan monet alumiini- ja rikkiakkujen suunnitelmat voivat käyttää palamattomia elektrolyyttejä (kuten ioninesteitä tai sulasuoloja) ja välttää konfliktimineraaleja. Esimerkiksi eräs uusi litium-rikkiakkujen suunnittelu käyttää vain “runsaita paikallisia materiaaleja, jolloin ei tarvita kaivettuja mineraaleja kuten nikkeliä, kobolttia, mangaania tai grafiittia,” kertoo akku-startup Lyten lyten.com. MIT:n professori Donald Sadoway – johtava akkuinnovaattori – on nimenomaisesti etsinyt “halpoja, maapallolla runsaita” ainesosia keksiäkseen jotain “paljon parempaa kuin litiumioni”, ja on päätynyt käyttämään alumiinia anodina ja rikkiä katodina uusimmassa akkukemiassaan news.mit.edu.

Lyhyesti sanottuna alumiini- ja rikkiakut ovat yritys rakentaa halvempi, turvallisempi ja eettisempi akku käyttämällä alkuaineita, jotka ovat runsaita (ei maailmanlaajuista saatavuusongelmaa), edullisia ja luonnostaan suurikapasiteettisia. Seuraavaksi tarkastellaan, miten nämä akut toimivat käytännössä ja millaisia erilaisia tyyppejä on kehitteillä.

Miten ne toimivat? (Akkutekniikan perusteet selkokielellä)

Alumiinipohjaiset akut käyttävät tyypillisesti alumiinimetallia anodina. Kun akku purkautuu, alumiinimetalli luovuttaa elektroneja (tuottaen sähkövirran) ja alumiini-ioneja (Al³⁺), jotka kulkevat elektrolyytin läpi katodille. Akun tyypistä riippuen nämä alumiini-ionit joko interkaloituvat (asettuvat sisään) katodimateriaaliin tai reagoivat sen kanssa. Esimerkiksi alumiini-ioniakussa Al³⁺-ionit siirtyvät kerrokselliseen katodiin (kuten grafiittiin tai metallioksidiin) ja takaisin ulos latauksen aikana news.stanford.edu. Alumiini-rikkiakussa alumiini-ionit reagoivat rikin kanssa katodilla muodostaen alumiini-rikkiyhdisteitä purkauksen aikana, ja palaavat sitten alumiinimetalliksi latauksen aikana nature.com. Ja alumiini-ilma-akuissa alumiinimetalli reagoi ilman hapen kanssa erityisellä katodilla, tuottaen alumiinioksidia tai -hydroksidia – reaktio, joka vapauttaa sähköä, kunnes alumiinianodi on kulunut loppuun.

Rikkipohjaiset akut sisältävät yleensä rikkikatodin ja metalli-anodin (yleisimmin litium, mutta myös natrium, magnesium tai alumiini voivat olla käytössä). Esimerkkinä litium-rikki (Li-S): purkautuessa litiumatomeista anodilla tulee litiumioneja (Li⁺), jotka kulkevat elektrolyytin läpi rikkikatodille. Siellä rikki (S₈-molekyylit) muuttuu litiumsulfidiksi (Li₂S) sitomalla litiumioneja – käytännössä rikki imee litiumioneja ja elektroneja muodostaen uusia yhdisteitä, varastoiden energiaa kemiallisiin sidoksiin. Latauksen aikana prosessi kääntyy: litiumionit poistuvat rikistä ja palaavat anodille, ja rikki palautuu. Koska jokainen rikkiatomi voi sitoa kaksi litiumatomia ja S₈-renkaat voivat hajota erilaisiksi litium-polysulfidimolekyyleiksi, Li-S-akut voivat teoriassa varastoida 3–5 kertaa enemmän energiaa painoon nähden kuin litiumioniakut. Natrium-rikki (Na-S) -akut toimivat vastaavasti natriumioneilla ja muodostavat tyypillisesti natriumpolysulfideja tai natriumsulfidia.

Kaikissa näissä akuissa ionit kulkevat edestakaisin elektrolyytin läpi samalla kun elektronit virtaavat ulkoisen piirin kautta – näin akku latautuu ja purkautuu. Elektrolyytti voi olla neste, geeli tai kiinteä aine, joka sallii ionien liikkua mutta pakottaa elektronit kulkemaan piirin kautta (joka antaa virran laitteellesi). On tärkeää huomata, että jotkin näistä uusista kemioista vaativat erityisiä elektrolyyttejä toimiakseen. Alumiini-ioniakut käyttävät usein ioninestettä tai sulasuolaelektrolyyttejä, koska Al³⁺-ionit reagoivat voimakkaasti tavallisten liuottimien kanssa. Itse asiassa varhaiset ladattavat alumiiniakut tulivat mahdollisiksi vasta, kun tutkijat löysivät huoneenlämpöisen ioninesteen (pohjautuen kloroaluminaattisuoloihin), joka mahdollistaa alumiini-ionien liikkumisen tehokkaasti grafiittikatodissa news.stanford.edu. Samoin litium-rikkiakut käyttävät usein muokattuja nestemäisiä elektrolyyttejä tai kiinteitä elektrolyyttejä estääkseen ongelmia, joista keskustellaan myöhemmin (kuten rikin vuotaminen elektrolyyttiin).

Yksinkertaistettuna: alumiiniakut tuottavat energiaa siten, että alumiinimetalli luovuttaa useita elektroneja atomia kohden (uskomattoman suuri varaus metalliatomia kohden) ja muodostaa sidoksia joko isäntäkation kanssa tai hapen/rikin kanssa, kun taas rikkiparistot tuottavat energiaa siten, että kevyt ja runsas alkuaine (rikki) sitoo metalli-ioneja ja elektroneja runsasenergisiksi yhdisteiksi. Molemmat ratkaisut vievät meitä pidemmälle nykyisten akkujen yksittäisen litiumionin siirrosta, mahdollistaen enemmän tehoa latausta kohden. Seuraavaksi tarkastellaan näiden akkujen kehitteillä olevia erityyppisiä malleja.

Alumiinipohjaisten akkujen tyypit

Tutkijat selvittävät useita erilaisia akkuja, joissa alumiinia käytetään eri tavoin:

Ladattavat alumiini-ioniakut (Al-Ion): Näissä akuissa käytetään anodina alumiinimetallia ja tyypillisesti graafittikatodia erityisellä ionineste-elektrolyytillä. Tunnettu varhainen esimerkki tuli Stanfordin yliopistosta vuonna 2015, jolloin tutkijat esittelivät prototyyppisen alumiini-ioniakun, jossa oli alumiinianodi ja grafiittikatodi ioninesteessä. Se osoitti erittäin nopean latauksen (pieni kenno voitiin ladata noin minuutissa!) ja erittäin pitkän käyttöiän (yli 7 500 lataussykliä ilman kapasiteetin heikkenemistä) news.stanford.edu. Stanfordin kenno oli myös erittäin turvallinen – tutkijat pystyivät poraamaan pussikennon läpi ilman, että se syttyi tuleen, toisin kuin litiumkennoissa news.stanford.edu. Sillä oli kuitenkin matalampi jännite (~2 volttia, noin puolet tyypillisen Li-ion-kennon jännitteestä) news.stanford.edu, mikä tarkoittaa, että hyödyllisiin jännitteisiin pääsemiseksi tarvitaan enemmän kennoja sarjaan kytkettynä. Keskeinen etu: Al-ion-akut lupaavat nopeaa latausta, pitkää käyttöikää ja parannettua turvallisuutta (ei tulenarkoja komponentteja), käyttäen edullisia materiaaleja (alumiinia ja hiiltä) news.stanford.edu. Käynnissä oleva tutkimus pyrkii parantamaan niiden energiatiheyttä löytämällä parempia katodeja ja elektrolyyttejä jännitteen ja kapasiteetin kasvattamiseksi news.stanford.edu. Useat ryhmät ympäri maailmaa (Stanfordin ja kiinalaisten yliopistojen news.mit.edu johdolla) kehittävät alumiini-ioni-teknologiaa. Esimerkiksi tutkijat selvittävät erilaisia katodimateriaaleja (mukaan lukien jopa metallisulfidit nature.com) alumiini-ionien tehokkaampaan varastointiin nature.com.
Alumiini-ilma-akut: Alumiini-ilma on primääriparisto (ei ladattavissa sähköllä, mutta mahdollisesti mekaanisesti “tankattavissa”), jossa alumiinimetalli reagoi ilman hapen kanssa tuottaen sähköä. Näillä kennoilla on vaikuttavan korkea energiatiheys, koska katodi on pelkkä ympäröivä ilma – tehden akusta erittäin kevyen. Itse asiassa alumiini-ilma-akut voivat järjestelmätasolla sisältää noin 3 kertaa enemmän energiaa painoa kohden kuin litiumioniakut evreporter.com. Haittapuolena on, että kun alumiinianodi hapettuu alumiinihydroksidiksi tai -oksidiksi, kenno on “käytetty loppuun” ja tarvitsee uutta alumiinia toimiakseen. Tämä tekee alumiini-ilmasta enemmän polttokennon tai toimintamatkan laajentimen kaltaisen: vaihdat uuden alumiinilevyn (ja kierrätät käytetyn) sen sijaan, että lataisit akun. Yritykset kuten Phinergy Israelissa ovat kehittäneet alumiini-ilmajärjestelmiä jo vuosia. Yhteistyössä Indian Oil Corporationin kanssa he pilotoivat alumiini-ilma-akkuja sähköajoneuvoissa ja kiinteissä varayksiköissä. Vuonna 2023 he esittelivät Intiassa pienen sähköauton, joka ajoi yli 500 km alumiini-ilma-kennoilla ennen kuin tarvitsi alumiini-“tankkauksen”evreporter.com. Phinergyn toimitusjohtaja David Mayer toteaa, että alumiini-ilmatekniikka on “turvallista, ei-syttyvää,” ei vaadi raskasta latausinfrastruktuuria, ja voidaan “ladata” (alumiinia vaihtamalla) “muutamassa minuutissa” tuntien sijaan evreporter.com. Haittapuolena on koko toimitusketjun rakentaminen alumiinilevyjen massatuotantoon ja kierrätykseen. Silti tekniikka on jo kaupallisesti käytössä tietyissä kohteissa: esimerkiksi Phinergyn alumiini-ilmayksiköt toimivat varavoimana telemastoille (korvaten dieselgeneraattorit) Israelissa ja Euroopassa evreporter.com. Alumiini-ilma-akut eivät ehkä suoraan korvaa puhelimesi ladattavaa akkua, mutta ne voisivat toimia toimintamatkan laajentimina sähköautoille tai pitkäkestoisena varastona – tarjoten valtavan energiavarannon, jonka vaihdat aika ajoin.
Alumiini-rikkiakut: Kiinnostavasti jotkut tutkijat yhdistävät alumiinia ja rikkiä samaan akkuun – käyttäen alumiinia anodina ja rikkiä katodina, sulasuola- tai ioninesteelektrolyytillä. Tämä hybridiratkaisu pyrkii hyödyntämään molempien alkuaineiden parhaat puolet: alumiinin korkean anodikapasiteetin ja rikin korkean katodikapasiteetin, kaikki uskomattoman edullisilla materiaaleilla. Elokuussa 2022 MIT:n Donald Sadowayn johtama tiimi esitteli uuden alumiini-rikkiakkujen rakenteen, joka sai heti huomiota alhaisen hintansa ja suorituskykynsä ansiosta. Siinä käytetään sulassa olevaa kloroaluminaattisuolaa elektrolyyttinä, joka toimii kohtuullisessa lämpötilassa (noin 110 °C, kuten kuuma kahvikuppi) pitäen suolan nestemäisenä news.mit.edu. Lämmitetty elektrolyytti oli ovela valinta: se ei ole ainoastaan palamaton ja edullinen, vaan se myös estää dendriittien muodostumisen – niiden hankalien metallipiikkien, jotka voivat oikosulkea akun. Kuten Sadoway totesi, valittu suola “käytännössä poisti nämä hallitsemattomat dendriitit, mahdollistaen samalla erittäin nopean latauksen” news.mit.edu. Hänen alumiini-rikki-prototyyppikennoaan voitiin ladata alle minuutissa ilman oikosulkua, ja se toimi satoja syklejä, arvioidulla kennokohtaisella hinnalla noin kuudesosa vastaavien litiumioniakkujen hinnasta news.mit.edu. Tämä on valtava kustannussäästö, jonka ulkopuoliset analyytikot ovat vahvistaneet; näiden akkujen materiaalikustannukset voivat olla 85 % pienemmät kuin litiumioniakuilla Science-lehden mukaan news.mit.edu. Tavoitteena on käyttää tällaisia kennoja kiinteään varastointiin (esim. aurinkoenergian varastointiin yökäyttöä varten) ja mahdollisesti sähköautojen pikalatauksen tukemiseen. Sadowayn suunnitelmaa kaupallistaa startup-yritys nimeltä Avanti, joka aikoo kasvattaa kennojen kokoa ja tehdä rasitustestejä lähitulevaisuudessa news.mit.edu. Samaan aikaan muut ryhmät vievät alumiini-rikki-konseptia pidemmälle: tammikuussa 2024 kiinalaiset tutkijat raportoivat ladattavasta Al-S-akusta, joka toimii 85 °C:ssa (hieman veden kiehumispisteen alapuolella, vielä helpompi ylläpitää) erinomaisella käyttöiällä – yli 1 400 sykliä vain 15 % kapasiteetin menetyksellä, ja mahdollisuus pikalataukseen tuossa lämpötilassa nature.com. Käyttölämpötilan laskeminen alle 100 °C:n tarkoittaa, että yksinkertainen kuumavesilämmitys voisi ylläpitää akkua, mikä “yksinkertaistaa huomattavasti” lämpöhallintaa ja avaa ovia laajempaan käyttöön nature.com. Yhteenveto: Alumiini-rikkiakut voivat olla mullistava ratkaisu verkkoenergiavarastointiin ja mahdollisesti joihinkinajoneuvoissa, toimittamalla erittäin edullisia, palonkestäviä akkuja, jotka käyttävät maapallolla runsaasti esiintyvää alumiinia (runsain metalli) ja rikkiä (halvin epämetalli) news.mit.edu.

Rikkipohjaisten akkujen tyypit

Useat akkuteknologiat hyödyntävät rikki-katodeja yhdistettynä erilaisiin anodeihin:

Litium-rikki (Li-S) -akut: Litium-rikki on yksi tutkituimmista ”post-litium” -kemioista sen erittäin korkean energiatiheyden vuoksi. Li-S-kenno voi teoriassa varastoida jopa 5x enemmän energiaa painoa kohden kuin litiumioniakku, koska rikki on hyvin kevyt ja jokainen rikkimolekyyli voi sitoa useita litiumatomeja. Käytännössä Li-S-akut ovat jo osoittaneet energiatiheyksiä noin 400–500 Wh/kg (noin kaksinkertainen litiumioniin verrattuna) laboratorioissa businessaviation.aero, apricum-group.com. Ne ovat myös houkuttelevia, koska ne ovat hyvin halpoja ja ympäristöystävällisiä – rikki maksaa lähes mitään ja sitä on runsaasti, eikä Li-S-kennoissa ole kobolttia tai nikkeliä. Kuitenkin Akilleen kantapää Li-S-akuissa on ollut kestoikä ja vakaus. Perinteiset Li-S-prototyypit kärsivät ”polysulfidishuttle”-ilmiöstä: välituotteena syntyvät rikkiyhdisteet (polysulfidit) liukenevat elektrolyyttiin syklin aikana ja siirtyvät litiumanodille, aiheuttaen itsepurkautumista, korroosiota ja nopeaa kapasiteetin heikkenemistä anl.gov. Ne kokevat myös merkittävää ”hengittämistä” (tilavuuden muutoksia) – rikki laajenee ja supistuu paljon latauksen/purkauksen aikana, mikä voi vahingoittaa kennon rakennetta reuters.com. Näiden ongelmien vuoksi varhaiset Li-S-akut kuolivat jo kymmenien syklien jälkeen. Hyvä uutinen on, että viimeaikaiset läpimurrot ratkaisevat näitä ongelmia. Tutkijat ovat kehittäneet nanorakenteisia hiilikatodeja ja elektrolyyttiadditiiveja, jotka sitovat polysulfideja ja pidentävät käyttöikää nature.com. Tammikuussa 2023 Argonnen kansallinen laboratorio esitteli Li-S-kennon, jossa oli erityinen huokoinen ”redox-aktiivinen” välikerros, joka lähes poisti shuttle-ongelman, mahdollistaen akun kestävän yli 700 sykliä säilyttäen korkean kapasiteetin anl.gov. ”Aiemmat [rikki]akut vain hillitsivät shuttlen, mutta uhraivat energian. Meidän kerroksemme lisää varastointikapasiteettia ja hillitsee shuttlen,” selitti Argonnen kemisti Guiliang Xu anl.gov. Tämä viittaa siihen, että Li-S-akut voidaan tehdä sekä korkeaenergiaisiksi että pitkäikäisiksi. Itse asiassa yritykset kilpailevat nyt niiden kaupallistamisesta: Lyten, kalifornialainen startup, on kehittänyt litium-rikki-kennon, jota vahvistaa patentoitu 3D-grafeenirakenne, ja tähtää erikoismarkkinoille kuten droonit, ilmailu ja puolustus vuosina 2024–2025 lyten.com. Lyten väittää, että sen Li-S-akut ovat 40 % kevyempiä kuin nykyiset litiumioniakut (ja 60 % kevyempiä kuin rauta-fosfaattiakut) ja halvempia suuressa mittakaavassa, koska nikkeli, koboltti ja muut kalliit materiaalit on poistettu lyten.com. Toinen yritys, Theion (Saksa), kehittää kiteisiä rikki-katodeja ja raportoi äskettäin Li-S-kennoista, joiden energiatiheys on 3× litiumioniin verrattuna, vain kolmasosalla kustannuksista, ja mahdollisesti kolmasosalla tuotannon päästöistä reuters.com. Theionin toimitusjohtaja Ulrich Ehmes sanoi, että heidän akkunsa – jotka välttävät korroosio-ongelmat käyttämällä vakaata rikin muotoa ja esilaajennettua rakennetta – voisivat olla sähköautoissa “ennen vuosikymmenen loppua”, jos kehitys pysyy aikataulussa reuters.com. Lyhyesti sanottuna litium-rikkiakut ovat siirtymässä laboratoriosta markkinoille ja lupaavat erittäin kevyitä, suurienergisiä akkupaketteja sovelluksiin, joissa jokaisella kilolla on merkitystä (sähkölentokoneet, pitkän kantaman sähköautot, avaruus).
Natrium-rikki (Na-S) -akut: Natrium ja rikki saattavat kuulostaa epätodennäköiseltä parilta (natrium on erittäin reaktiivinen, ja varhaiset Na-S-akut toimivat kuumana 300°C:ssa), mutta tällä kemialla on pitkä historia verkkoenergiavarastoinnissa. Korkean lämpötilan Na-S-akkuja on käytetty teollisessa mittakaavassa energiavarastoina vuosikymmeniä (erityisesti NGK Japanissa) – ne toimivat sulan natriumin ja rikin kanssa, jotka erottaa kiinteä keraaminen elektrolyytti, tarjoten hyvän hyötysuhteen ja pitkän käyttöiän paikallaan olevassa varastoinnissa. Tarve pitää ne noin 300 °C:ssa kuitenkin rajoitti laajempaa käyttöönottoa. Viime aikoina on herättänyt innostusta huoneenlämpöiset natrium-rikki-akut, jotka voisivat tarjota edullisen ja turvallisen vaihtoehdon laajamittaiseen varastointiin. Loppuvuodesta 2022 Sydneyn yliopiston tiimi ilmoitti ”edullisesta akusta, jonka kapasiteetti on nelinkertainen litiumioniin verrattuna” käyttäen uutta huoneenlämpöistä Na-S-suunnittelua sydney.edu.au. Käyttämällä huokoista hiilielektrodia ja yksinkertaista lämpökäsittelyä (pyrolyysiä) luodakseen reaktiivisemman rikin muodon, he saavuttivat erittäin korkean kapasiteetin ja erittäin pitkän käyttöiän huoneenlämmössä, ylittäen Na-S:n aiemman ”hitaan” suorituskyvyn sydney.edu.au. Pää tutkija tohtori Shenlong Zhao sanoi, että tämä natrium-rikki-akku ”voi dramaattisesti alentaa kustannuksia ja tarjota nelinkertaisen varastointikapasiteetin. Tämä on merkittävä läpimurto uusiutuvan energian kehitykselle…” sydney.edu.au. Itse asiassa natrium ja rikki ovat vielä runsaampia ja halvempia kuin litium, joten onnistunut Na-S-akku voisi olla suuri etu verkkoenergiavarastoinnille – mahdollistaen suuret akut tuuli-/aurinkovoimaloille minimaalisin kustannuksin. Vaikka Na-S-kennot eivät vastaa litiumioniakkuja kompakteissa sähköautoissa (natrium on raskaampaa, ja nämä kennot ovat tällä hetkellä suurempia), niistä voisi tulla keskeinen osa puhdasta energiainfrastruktuuria, tarjoten turvallista ja edullista varastointia silloin, kun aurinko ei paista tai tuuli ei puhalla sydney.edu.au. Tutkimus jatkuu maailmanlaajuisesti (Kiina, Australia, Eurooppa) huoneenlämpöisten Na-S-akkujen kehittämiseksi kaupalliseen käyttöön.
Muut rikkiin perustuvat akut: Li-S- ja Na-S-akkujen lisäksi tutkijat ovat kokeilleet rikkikatodeja yhdessä muiden metallien, kuten magnesiumin tai kalsiumin, kanssa, ja jopa yhdistäneet rikin alumiiniin (kuten aiemmin käsiteltiin). Nämä multivalenttiset metalli–rikki-akut (joissa metalli-ioni kantaa useampaa varausta, esim. Al³⁺ tai Mg²⁺) ovat houkuttelevia samasta syystä kuin alumiini tai rikki yksinään – runsaus ja suuri kapasiteetti – mutta ne kohtaavat vieläkin haastavampaa kemiaa ja ovat pääosin varhaisessa tutkimusvaiheessa advanced.onlinelibrary.wiley.com. Esimerkiksi magnesium-rikki-kennot kamppailevat elektrolyytin yhteensopivuuden ja hitaiden kinetiikkojen kanssa. Kiinteäelektrolyyttiset rikkiakut ovat toinen huipputeknologinen variaatio: käyttämällä kiinteää elektrolyyttiä (usein sulfidi- tai polymeeripohjaista) tutkijat pyrkivät tekemään Li-S-kennoista turvallisempia (ei syttyvää nestettä) ja estämään polysulfidien vaeltamisen kokonaan onlinelibrary.wiley.com, businessaviation.aero. NASA on aktiivisesti kehittänyt kiinteäelektrolyyttistä litium-rikki-akkua (SABERS-projekti), jossa käytetään rikki-seleeni-katodia ja uutta kiinteää elektrolyyttiä, ja on saavutettu noin 500 Wh/kg energiatiheyksiä, jotka soveltuvat sähköiseen ilmailuun businessaviation.aero. Rikin vetovoima – kevyt, runsas, tehokas – on nostanut sen monien tulevaisuuden akkuideoiden keskiöön.

Kun olemme käsitelleet alumiini- ja rikkiakkujen kenttää, voimme nyt vertailla, miten nämä teknologiat pärjäävät hallitsevaan litiumioniin nähden ja mitä ainutlaatuisia etuja ne tarjoavat.

Keskeiset hyödyt ja edut litiumioniin verrattuna

Sekä alumiini- että rikkiakut lupaavat merkittäviä etuja kustannuksissa, kestävyydessä ja suorituskyvyssä, jos niiden kehitys jatkuu menestyksekkäästi. Tässä tärkeimmät hyödyt:

🌎 Runsaat, edulliset materiaalit: Alumiini ja rikki ovat halpoja ja runsaita käytännössä kaikkialla. Alumiini on maankuoren runsain metalli, ja rikki on yleinen jalostuksen sivutuote. Tämä tarkoittaa, että materiaalikustannukset voivat olla huomattavasti alhaisemmat. Science-lehden raportin mukaan alumiini-rikki-akun raaka-aineet voivat olla 85 % halvempia kuin litiumioniakkujen raaka-aineet news.mit.edu. Theion (rikkiakku-startup) väittää myös, että heidän kennonsa maksavat vain kolmanneksen litiumioni-kennojen hinnasta reuters.com. Sadowayn sanoin nämä akut ovat “eettisesti hankittuja, halpoja [ja] tehokkaita” news.mit.edu – ne välttävät kalliita metalleja, jotka usein liittyvät ongelmalliseen kaivostoimintaan. Runsaiden raaka-aineiden käyttö tarkoittaa myös vähemmän toimitusketjun pullonkauloja; emme kohtaa litiumin tai koboltin puutetta, jos alumiini- ja rikkiakut yleistyvät.
🔥 Parantunut turvallisuus (palamaton): Monet uuden sukupolven alumiini/rikki-akut on suunniteltu huomattavasti turvallisemmiksi. Syttyvien orgaanisten elektrolyyttien sijaan niissä voidaan käyttää epäorgaanisia sulasuoloja tai kiinteitä elektrolyyttejä, jotka eivät syty palamaan news.mit.edu. Stanfordin ja MIT:n esittelemät alumiini-ioni- ja alumiini-rikki-akut “eivät syty tuleen, vaikka niihin porattaisiin reikä” tai ne toimisivat korkeissa lämpötiloissa news.stanford.edu, news.mit.edu. Samoin rikki-katodit yhdistettynä kiinteisiin tai geelimäisiin elektrolyytteihin kestävät lämpökarkaamista paremmin kuin perinteiset litiumioniakut. Phinergyn alumiini-ilma-järjestelmä on luonteeltaan palamaton ja “turvallinen, palamaton” käytössä evreporter.com. Parantunut turvallisuus ei ainoastaan suojaa käyttäjiä, vaan myös yksinkertaistaa kuljetusta ja valmistusta (ei tarvetta kalliille jäähdytykselle tai palontorjunnalle akkupaketeissa).
⚡ Korkea energiatiheys & kevyt: Molemmat kemiat tarjoavat mahdollisuuden suurempaan energian varastointiin painoa kohden kuin nykyiset akut. Esimerkiksi litium-rikkiakut ovat saavuttaneet ~500 Wh/kg prototyypeissä businessaviation.aero – noin kaksinkertaisesti parhaisiin litiumioniakkuihin verrattuna, mahdollistaen paljon kevyemmät akkupaketit. Lyten raportoi, että sen Li-S-kennot ovat jopa 40 % kevyempiä kuin litiumioni-akut samalla energialla lyten.com. Theion tähtää kolminkertaiseen energiatiheyteen litiumioniin verrattuna reuters.com. Sähköajoneuvoissa ja lentokoneissa tämä voisi tarkoittaa pidempää toimintasädettä tai suurempaa hyötykuormaa samalla akun painolla. Alumiini-ilma-akut ovat energiatiheydessä omaa luokkaansa (niillä ajettiin muutama vuosi sitten ennätyksellinen 1 100 mailin sähköautosuoritus yhdellä alumiini-ilmatankilla), tosin ne vaativat uudelleentäyttöä. Myös alumiini-ioniakut, vaikka niiden teoreettinen energia on pienempi kuin Li-S-akkujen, voivat loistaa tehotiheydessä – Stanfordin kenno latautui täyteen minuutissa news.stanford.edu, mikä viittaa akkuihin, jotka latautuvat yhtä nopeasti kuin bensatankin täyttö. Lyhyesti, nämä teknologiat voivat tarjota joko paljon enemmän energiaa (pitkäkestoiseen käyttöön) tai paljon nopeammat purku/lataus-nopeudet kuin litiumioniakut, tai molemmat.
🔋 Pitkä käyttöikä: Oikein suunniteltuna alumiini- ja rikkiakut voivat kestää yhtä kauan tai pidempään kuin litiumioniakut. Alumiinimetallianodit eivät muodosta samanlaisia dendriittejä kuin litium (erityisesti oikeilla elektrolyyteillä) news.mit.edu, joten ne voivat olla erittäin kestäviä. Stanfordin Al-ioni-kenno kesti yli 7 500 lataus-/purkusykliä (kertaluokkaa enemmän kuin litiumioni) news.stanford.edu. Rikkiakut ovat perinteisesti olleet huonoja syklinkestoltaan, mutta uudet rakenteet (välikerrokset, kiinteä elektrolyytti jne.) saavuttavat satoja tai tuhansia syklejä vähäisellä kapasiteetin menetyksellä anl.gov, nature.com. Kiinteässä varastoinnissa akku, joka kestää luotettavasti päivittäistä sykliä yli 10 vuotta, on ratkaisevan tärkeä, ja näiden kemioiden kehittäjät keskittyvät vakauteen.
♻️ Ympäristö- ja eettiset hyödyt: Koska nämä akut käyttävät helposti saatavilla olevia materiaaleja, ne välttävät ympäristövahingot, joita aiheutuu harvinaisten metallien, kuten koboltin, nikkelin ja litiumin, louhinnasta ja jalostuksesta. Myös akun sisäänrakennettu hiilijalanjälki pienenee. Theion arvioi, että heidän rikkoparistokennojensa tuotannosta aiheutuu vain kolmasosa CO₂-päästöistä verrattuna litiumioniakkuihin reuters.com. Rikki on usein jätetuote (miljoonia tonneja varastoissa), joten sen käyttö akuissa on käytännössä teollisuusjätteen kierrätystä. Myös alumiini on erittäin kierrätettävää – olemassa olevaa maailmanlaajuista kierrätysinfrastruktuuria voidaan hyödyntää käytettyjen akkujen alumiinin talteenottoon. Eettisesti rikin ja alumiinin käyttö ohittaa kobolttikaivosten lapsityövoima- ja ihmisoikeusongelmat. Kaikki nämä tekijät tarkoittavat, että seuraavan sukupolven akut voivat olla kestävämpiä ja sosiaalisesti vastuullisempia koko elinkaarensa ajan.
💡 Nopea lataus ja suuri teho: Jotkut alumiini/rikki-akut osoittavat erittäin nopean latauksen mahdollisuutta. Olemme maininneet 60 sekunnin latauksen laboratoriotesteissä news.stanford.edu. Lisäksi alumiini-rikki-kennot laboratoriossa ovat toimineet erittäin suurilla latausnopeuksilla (esim. lataus 1C tai enemmän korotetussa lämpötilassa erinomaisella kapasiteetin säilymisellä) nature.com. Alumiini-ilma-akku voidaan ”ladata” välittömästi vaihtamalla alumiini. Nämä ominaisuudet voisivat ratkaista yhden suurimmista kuluttajien valituksenaiheista sähköautoissa ja laitteissa – pitkät latausajat – ja tarjota myös suuren tehon tarpeen mukaan (kuvittele työkaluja tai sähköautoja, joissa alumiiniakut antavat voimakkaan tehon ilman jännitehäviötä).

On tärkeää huomata, että kaikki nämä hyödyt eivät koske kaikkia akkuvariantteja yhtä lailla (esimerkiksi alumiini-ilma-akku tarjoaa suuren energian, mutta ei ole sähköisesti ladattava; alumiini-ioni latautuu nopeasti, mutta jännite on matalampi; Li-S on erittäin kevyt, mutta sillä on tällä hetkellä kohtalainen elinkaari). Kuitenkin alumiini- ja rikkiakkujen kokonaislupaus on, että voimme dramaattisesti alentaa kustannuksia ja harvinaisten materiaalien tarvetta samalla kun saavutamme yhtä hyvän tai paremman suorituskyvyn turvallisuuden, energian ja tehon keskeisillä osa-alueilla.

Haasteet ja tekniset esteet

Jos alumiini- ja rikkiakut ovat niin hyviä, miksi niitä ei ole vielä kaikkialla? Totuus on, että nämä teknologiat kohtaavat merkittäviä haasteita, joita tutkijat ja insinöörit yrittävät yhä ratkaista:

Polysulfidishuttle ja katodin rappeutuminen (rikkiongelmat): Litium-rikki- ja muissa rikkikatodiparistoissa kuuluisa polysulfidishuttle-ongelma on ollut merkittävä este. Kun akkua ladataan ja puretaan, rikki käy läpi välivaiheita, jotka voivat liueta elektrolyyttiin ja vaeltaa anodille, aiheuttaen itsepurkausta, aktiivisen materiaalin häviämistä ja jopa vahingollisia reaktioita anodin kanssa anl.gov. Tämä johtaa kapasiteetin nopeaan heikkenemiseen. Lisäksi rikkikatodit turpoavat ja kutistuvat merkittävästi (jopa noin 80 % tilavuuden muutos), kun ne muuttuvat litiumsulfidiksi ja takaisin reuters.com. Tämä “hengittäminen” voi ajan myötä murskata katodin tai irrottaa sen virran keräimistä. Vaikka uudet strategiat (kuten suojaavien välikerrosten lisääminen anl.gov, nanorakenteisten hiili-isäntien käyttö tai kiinteät elektrolyytit) ovat lieventäneet näitä ongelmia, on edelleen suuri haaste varmistaa, että rikkiparisto kestää satoja syklejä todellisissa olosuhteissa.
Dendriitit ja pinnoittumisongelmat (metallianodit): Alumiinimetallianodit, kuten muutkin metallianodit, voivat muodostaa dendriittejä (ohuita, johtavia säikeitä) latauksen aikana, mikä voi aiheuttaa oikosulun kennossa. Itse asiassa yksi suurimmista syistä, miksi alumiiniakut ovat pitkään epäonnistuneet, on se, ettei alumiinin pinnoittamista/irrotusta saatu toistumaan luotettavasti – usein muodostui “sammalmainen” kerros tai pinta passivoitui oksidin muodostumisen vuoksi. Ionineste- ja sulasuolaelektrolyytit ovat auttaneet “kesyttämään” tämän ongelman (yksi tutkimusryhmä raportoi, että heidän sulasuola-alumiiniakkunsa “ei koskaan menettänyt kennoja dendriittioikosulkujen vuoksi” pikalataustesteissä news.mit.edu). Mutta jos käytettäisiin perinteisempää elektrolyyttiä, dendriitit tai sivureaktiot alumiinin oksidipinnoitteen kanssa voisivat olla ongelmallisia. Samoin, jos litium-metallia käytetään anodina rikkiparistoissa (yleistä Li-S-malleissa), litiumdendriitit ja turvallisuusongelmat nousevat esiin, erityisesti nestemäisiä elektrolyyttejä käytettäessä. Tutkijat yhdistävät usein Li-S-akut suojaaviin kalvoihin tai kiinteäaineisiin rakenteisiin estääkseen litiumdendriittien muodostumisen.
Alhainen käyttöjännite ja energiatehokkuus (alumiini-ioni): Alumiini-ioniakut, erityisesti ne, joissa käytetään interkalaatiota (esim. grafiittikatodit), tuottavat tyypillisesti matalamman kennon jännitteen kuin litiumioniakut. Stanfordin kuuluisa alumiini-ioniakku tuotti noin 2,0 volttia news.stanford.edu, kun taas litiumioniakun nimellisjännite on noin 3,7 V. Tämä johtuu osittain Al³⁺-ionin interkalaatiokemiasta ja elektrolyytin rajoitteista. Matalampi jännite tarkoittaa, että halutun akkupakkauksen jännitteen saavuttamiseksi tarvitaan enemmän kennoja sarjaan (lisäten monimutkaisuutta ja jonkin verran energiahäviötä). Lisäksi on olemassa moniarvoiset ionit kuten Al³⁺, joilla on hitaat kinetiikat kiinteissä aineissa – +3 varauksellisen ionin liikuttaminen on vaikeampaa kuin +1 ionin kuten Li⁺, joten korkean tehon saavuttaminen voi olla hankalaa, ellei lämpötilaa nosteta tai käytetä erityisiä elektrolyyttejä nature.com. Jotkut alumiiniakut toimivat hyvin vain kohotetuissa lämpötiloissa (60–100 °C), mikä voi hankaloittaa niiden käyttöä kulutuselektroniikassa (kukapa haluaisi jatkuvasti kuuman akun puhelimeensa!). Hyvä uutinen: innovaatiot elektrolyyteissä (kuten tiettyjen suolojen lisääminen tai uusien seosten käyttö) parantavat alumiini-ionien johtavuutta matalammissa lämpötiloissa nature.com.
Lämpötilavaatimukset: Kuten mainittu, useat alumiini- ja natriumpohjaiset ratkaisut käyttävät sulamisuolapohjaisia elektrolyyttejä, jotka täytyy pitää lämpiminä. Esimerkiksi MIT:n alumiini-rikki-akku toimii optimaalisesti noin 110 °C:ssa news.mit.edu, ja jopa parannettu versio toimii 85 °C:ssa nature.com. Vaikka nämä eivät ole teollisuuden mittapuulla tulikuumia, se tarkoittaa, että akkupakkaus tarvitsee eristyksen ja mahdollisesti pienen lämmittimen pysyäkseen oikealla alueella. Tämä sopii hyvin paikallaan olevaan varastointiin (jossa jääkaapin kokoinen akku voi sisältää lämpöhallinnan), mutta on haaste kannettaville laitteille ja sähköautoille, ellei lämpöä voida ylläpitää itsestään (Sadowayn kenno itse asiassa lämpenee itsestään käytön aikana ylläpitääkseen lämpötilan news.mit.edu). Korkean lämpötilan käyttö vaatii myös kestävää tiivistystä ja turvallisuusratkaisuja (vaikka etuna on, ettei tulipaloriskiä ole). Tutkijat pyrkivät laskemaan käyttölämpötiloja ja tutkivat jopa huoneenlämpöisiä kemioita sekä Al- että Na-pohjaisille järjestelmille nature.com.
Latausinfrastruktuuri ja “tankkaus” (Al-Air): Alumiini-ilma- (ja vastaavien metalli-ilma-) järjestelmien erityispiirre on, että niitä ei voi ladata kytkemällä laturiin. Sinun täytyy vaihtaa tai kierrättää alumiinianodi, kun se on kulunut loppuun. Tämä vaatii kokonaisen infrastruktuurin luomista alumiinilevyjen tai -kasettien vaihtamiseen, käytettyjen keräämiseen ja alumiinin kierrättämiseen (luultavasti sähköllä toimivan sulatusprosessin kautta, mikä käytännössä “lataa” alumiinin uudelleen). Indian Oil ja Phinergy työskentelevät aktiivisesti tämän ekosysteemin parissa evreporter.com, mutta kyseessä on erilainen paradigma kuin huoltoasemat tai latausasemat. Ilman laajaa tukea alumiini-ilma saattaa jäädä marginaaliin. Lisäksi alumiini-ilman sivutuote (alumiinihydroksidi) täytyy käsitellä – tosin se voidaan kierrättää uudeksi alumiiniksi tai muiksi tuotteiksi.
Valmistuksen skaalaus ja integrointi: Litiumioni-teknologialla on 30 vuoden etumatka massiivisen valmistuskapasiteetin, optimoitujen toimitusketjujen ja hyvin koulutetun työvoiman ansiosta. Kaikki uudet akkukemiat kohtaavat haasteen siirtyä laboratoriosta tai pilottivaiheesta gigatehtaiden mittakaavaan. Alumiini- ja rikkiakut saattavat vaatia uusia valmistusprosesseja (esimerkiksi kosteusherkkien ionisten nesteiden tai kiinteiden elektrolyyttien käsittelyä, tai uusia kennorakenteita kuten Theionin pinotut elektrodit). Skaalauksen toteuttaminen ilman vikoja ja alhaisin kustannuksin ei ole yksinkertaista. On myös integroinnin haaste – voiko näitä uusia akkuja käyttää suoraan nykyisissä laitteissa tai ajoneuvoissa, vai vaativatko ne uusia suunnitelmia? Eri jänniteprofiilit, muodot tai käyttöolosuhteet saattavat tarkoittaa, että kaikki akkujen hallintajärjestelmistä auton runkorakenteisiin täytyy suunnitella uudelleen. Nämä siirtymäkustannukset ja epävarmuudet voivat hidastaa käyttöönottoa.
Nykytila (teknologian valmius): Vaikka vuosina 2024 ja 2025 on nähty suuria läpimurtoja (kuten seuraavaksi esitellään), monet alumiini- ja rikkiakkuteknologiat ovat yhä prototyyppi- tai varhaisessa kaupallisessa vaiheessa. Yksikään ei ole vielä saavuttanut litiumioniakkujen kaltaista massiivista käyttöönottoa. Esimerkiksi litium-rikki-kennot ovat vasta nyt tulossa rajatuille markkinoille, kuten droneihin ja satelliitteihin, joissa niiden lyhyt käyttöikä voidaan hyväksyä tai kompensoida. Alumiini-rikki- ja alumiini-ioniakut ovat demonstraatio- ja skaalausvaiheessa; yksikään sähköauto tai sähköverkko ei vielä käytä suurta sellaista täydessä palvelussa. Tämä tarkoittaa, että todellisessa käytössä voi yhä ilmetä odottamattomia ongelmia (kuten litiumioniakuissa esiintyi alussa lämpökarkaamisia). Näiden teknologioiden kehittyminen yhtä luotettaviksi kuin nykyiset vie aikaa, investointeja ja todennäköisesti useita iteraatioita. Skeptinen huomio: litiumioni kehittyy myös joka vuosi – uusia kemioita, kuten litium-rautafosfaatti (LFP) ja litium-metalli-kiinteäelektrolyytti, on tulossa – joten alumiini- ja rikkiakkujen täytyy ei ainoastaan toimia, vaan myös kilpailla paranevaa vakioteknologiaa vastaan.

Yhteenvetona voidaan todeta, että alumiini- ja rikkiparistoilla on valtava potentiaali, mutta ne tuovat mukanaan myös omat haasteensa. Tutkijat myöntävät avoimesti, että työtä on vielä tehtävänä; kuten eräs tutkimusryhmä kirjoitti vuonna 2022, edistyksestä huolimatta “Al–S-paristot ovat kärsineet heikosta nopeuskyvystä ja syklisestä stabiilisuudesta” historiallisesti, mikä vaatii jatkuvaa innovointia elektrolyyteissä ja elektrodeissa nature.com. Näiden haasteiden voittaminen on juuri se, mihin monet laboratoriot ja startupit nyt keskittyvät.

Kuka johtaa kehitystä? Suurimmat toimijat kehityksessä

Tämä jännittävä ala koostuu yliopistolaboratorioista, startupeista ja teollisuuden jättiläisistä, jotka vievät kehitystä eteenpäin. Tässä joitakin merkittäviä toimijoita ja heidän tekemisiään:

Massachusetts Institute of Technology (MIT) & Avanti: MIT on ollut innovatiivisen akkututkimuksen keskus. Professori Donald Sadowayn ryhmä MIT:ssä oli alumiini-rikkipariston konseptin edelläkävijä. Julkaistuaan läpimurtonsa Nature-lehdessä vuonna 2022, Sadoway perusti Avanti-yrityksen kaupallistaakseen teknologian news.mit.edu. Avantin tavoitteena on kasvattaa alumiini-rikkikennojen tuotantoa kiinteään varastointiin ja muuhun käyttöön. Sadoway tunnetaan myös Ambri-yrityksen perustajana, joka kaupallistaa nestemetalliakkuja (käyttäen erilaisia kemioita, kuten kalsiumia ja antimonia). Ambri tähtää sähköverkon mittakaavan varastointiin ja sen raportoitiin ottavan järjestelmiä käyttöön vuonna 2024 youtube.com. Ambri ja Avanti yhdessä voivat Sadowayn innovaatioiden ansiosta kattaa suurista sähköverkon akuista pienempiin rakennusten tai sähköautojen latausasemien akkuihin news.mit.edu. MIT:n vaikutus ei rajoitu tähän – sen tutkijat tutkivat myös litium-rikkiakkuja projekteissaan, ja instituutti tekee usein yhteistyötä kansallisten laboratorioiden ja yritysten kanssa huipputeknologian parissa.
Stanfordin yliopisto & SLAC: Stanford herätti varhain huomiota alumiini-ioniakkujen saralla (vuoden 2015 nopea latautuva Al-ion-prototyyppi news.stanford.edu). Professori Hongjie Dain johtama työ osoitti, että yksinkertainen grafiittikatodi mahdollistaa ladattavan alumiiniakun. Stanford jatkaa akkututkimusta; esimerkiksi SLAC (Stanfordin lineaarikiihdytinlaboratorio) on tutkinut uusia katodeja alumiiniakuille, kuten metallisulfideja nature.com, ja selvittänyt rajapintakemiaa syklinkeston parantamiseksi. Vaikka Stanfordin vuoden 2015 löytö ei ole vielä muuttunut kaupalliseksi tuotteeksi, se osoitti toteutettavuuden ja siihen on viitattu monissa myöhemmissä tutkimuksissa. Se korosti myös Stanfordin avointa tutkimusetiikkaa, joka johtaa teollisuuden omaksumiseen (osa Stanfordin akkuosaajista on liittynyt startup-yrityksiin tai perustanut omia Piilaakson akku-startup-skenessä).
Graphene Manufacturing Group (GMG) & Queenslandin yliopisto: Australiassa GMG (yhteistyössä Queenslandin yliopiston kanssa) on kehittänyt grafeeni-alumiini-ioniakkua. He ovat raportoineet vaikuttavasta suorituskyvystä nappikenno-prototyypeissä – erittäin nopealla latauksella ja pitkällä käyttöiällä – käyttäen grafeenia (hiilen muoto) katodimateriaalina alumiini-ioni -kokoonpanossa batteriesnews.com. GMG on pyrkinyt skaalaamaan teknologiaansa pussikennoihin, jotka sopivat kulutuselektroniikkaan tai sähköautoihin, ja vuoden 2022 lopulla heillä oli kehitysohjelma ja pilottituotantolinja käynnissä graphenemg.com. Heidän lähestymistapansa korostaa nanomateriaalien (grafeeni) ja uusien kemioiden, kuten alumiini-ionin, synergiaa parempien tulosten saavuttamiseksi.
Phinergy ja Indian Oil (IOC): Phinergy on israelilainen startup-yritys, joka on ollut alumiini-ilma-akkujen edelläkävijä jo yli vuosikymmenen ajan. He tulivat tunnetuiksi vuonna 2014, kun he käyttivät alumiini-ilma-akkua demotilaisuudessa auton voimanlähteenä 1 100 mailin matkalla, ja ovat sittemmin keskittyneet todellisiin tuotteisiin varavoimaksi ja sähköajoneuvojen toimintasäteen laajentamiseen. Phinergy solmi yhteistyön Indian Oil Corporationin kanssa muodostaen yhteisyrityksen (IOC Phinergy), joka tuo alumiini-ilmateknologiaa Intian markkinoille – mikä on potentiaalisesti valtavaa maalle, joka etsii vaihtoehtoja öljylle ja haluaa hyödyntää omaa alumiiniteollisuuttaan. Vuoden 2023 alussa IOC Phinergy esitteli Intian ensimmäisen alumiini-ilmalla toimivan ajoneuvon ja oli perustamassa infrastruktuuria levyjen valmistukseen ja kierrätykseen alcircle.com. Myös Intian hallitus on osoittanut kiinnostusta, sillä alumiini-ilma-akut voisivat vähentää riippuvuutta tuodusta litiumista. Phinergyn teknologia on jo kaupallisessa käytössä telemastoissa varavoimana (korvaten dieselgeneraattorit päästöttömillä alumiini-ilmajärjestelmillä) evreporter.com, ja he tekevät yhteistyötä autonvalmistajien, kuten Mahindran, kanssa ajoneuvointegraatiossa (esim. testilaivastot sähköisistä rikssoista ja busseista, joissa käytetään alumiini-ilmaa toimintasäteen laajentamiseen) evreporter.com. Phinergyn edistys on ratkaisevaa, koska se on yksi ensimmäisistä, joka on tuonut alumiinipohjaisen akun laboratoriosta käytännön kenttäkäyttöön.
Lyten: Lyten on Piilaaksossa toimiva startup (sijaitsee San Josessa, Kaliforniassa), joka on ollut usean vuoden ajan stealth-tilassa kehittämässä litium-rikki-akkua, jota on parannettu omalla 3D-grafeenimateriaalilla. He nousivat äskettäin julkisuuteen suurilla uutisilla: lokakuussa 2024 Lyten ilmoitti suunnitelmistaan rakentaa maailman ensimmäinen litium-rikki-akkujen gigatehdas Nevadaan, yli miljardin dollarin investoinnilla lyten.com l. Tehtaan on tarkoitus tuottaa 10 GWh Li-S-akkuja vuosittain vuoteen 2027 mennessä lyten.com. Tämä rohkea liike osoittaa luottamusta siihen, että heidän teknologiansa on lähellä massatuotantovalmiutta. Lytenin ensisijaiset kohdemarkkinat eivät ole henkilöautojen sähköajoneuvot, vaan mikromobiliteetti, ilmailu, droonit ja puolustus vuosina 2024–2025 lyten.com – aloja, joissa Li-S:n korkea energiatiheys tarjoaa ratkaisevan edun ja joissa hieman alhaisempi syklien määrä voi olla hyväksyttävää. Yritys korostaa akkujensa keveyttä ja konfliktimineraalien puutetta, ja heidän kennoissaan käytetäänkin litium-metallianodeja ja rikki-hiili-komposiittikatodeja, jolloin vältetään nikkeli, koboltti jne. lyten.com. Lytenin toimitusjohtaja Dan Cook sanoi “Litium-rikki on harppaus akkuteollisuudessa, tarjoten suuren energiatiheyden, kevyen akun, joka on valmistettu runsaasti saatavilla olevista paikallisista materiaaleista” lyten.com. He ovat jopa valmistaneet pilottikennoja omissa tiloissaan vuodesta 2023 lähtien testatakseen ja kehittääkseen tuotantoprosessia lyten.com. Jos Lytenin gigatehdas onnistuu, siitä voi tulla game-changer – ensimmäiset kaupalliset Li-S-akut, joita valmistetaan suuressa mittakaavassa, mahdollisesti käytettäväksi seuraavan sukupolven sähköisissä lentokoneissa tai pitkän kantaman sähköisissä rekkakuorma-autoissa, joissa jokaisella kilolla on merkitystä.
Theion: Theion on Berliinissä, Saksassa sijaitseva startup, joka keskittyy litium-rikki-akkujen kehittämiseen uudella tavalla – he käyttävät kide-rikkiä ja erityisiä elektrodeja parantaakseen vakautta. Maaliskuussa 2025 Theion keräsi 15 miljoonaa euroa A-sarjan rahoituskierroksella kasvattaakseen akkukennojen tuotantoa reuters.com. Theion väittää, että heidän kennonsa voivat kolminkertaistaa litiumioniakkujen energiatiheyden ja samalla leikata kustannukset kolmasosaan, kuten aiemmin mainittiin reuters.com. He ovat tiettävästi ratkaisseet keskeisiä ongelmia esilaajentamalla katodia rikin laajenemisen varalta ja pitämällä rikin kiteisessä muodossa, joka reagoi vähemmän elektrolyyttien kanssa reuters.com. Toimitusjohtaja Ulrich Ehmes on todennut, että heidän teknologiansa voisi löytää käyttöä sähköautoissa, ”lentävissä takseissa” tai energiavarastoinnissa, ja mahdollisesti olla autoissa 2020-luvun lopulla reuters.com. Theionin lähestymistapa on herättänyt huomiota, koska se ei perustu eksoottisiin materiaaleihin – he korostavat, että heidän akkunsa ”hengittävät” vähemmän eivätkä syövy kuten aiemmat Li-S-akut. Rahoitus auttaa heitä kehittämään suurempia pussikennoja ja siirtymään kolikkokenno-prototyypeista pidemmälle reuters.com. Saksan kiinnostus rikkiakkuihin sopii myös yhteen Euroopan pyrkimyksen kanssa kehittää kotimaisia, kestäviä akkuteollisuuden teknologioita.
Argonne National Laboratory & U.S. DOE: Julkisella tutkimussektorilla Argonne (sekä muut Yhdysvaltain energiaministeriön laboratoriot kuten Oak Ridge ja Pacific Northwest) ovat aktiivisesti tutkineet rikkiakkuja. Käsittelimme Argonnen saavutusta Li-S-kennojen välikerrosten suunnittelussa anl.gov. He tutkivat myös kiinteätila-rikkiakkuja yhteistyössä NASAn kanssa ilmailua varten. DOE:n Vehicle Technologies Office on rahoittanut useita projekteja Li-S-, Mg-S- ja jopa Li-Air- ja Al-Air-akkujen parissa, tunnistaen seuraavan sukupolven kemioiden strategisen merkityksen. Kansalliset laboratoriot tekevät usein yhteistyötä yliopistojen kanssa (esim. Argonne työskenteli tiimin kanssa, johon kuului Illinoisin yliopisto rikki-välikerrosten tutkimuksessa) ja jakavat löydöksiä, joiden pohjalta startupit voivat rakentaa. Esimerkiksi suuri osa polysulfidien käyttäytymisen ymmärryksestä ja edistyneestä karakterisoinnista (käyttäen työkaluja kuten Argonnen Advanced Photon Source akkujen röntgenanalyysiin anl.gov) tulee näistä laboratorioista.
Muita huomionarvoisia: Yliopistot kuten Monash University (Australia) nousivat otsikoihin vuonna 2020 Li-S-akulla, jonka väitettiin voivan käyttää älypuhelinta viisi päivää ja joka osoitti erinomaista vakautta uudenlaisen sideaineen ja elektrodin suunnittelun ansiosta advancedsciencenews.com. Monash on sittemmin kehittänyt myös nopeasti ladattavia Li-S-akkuja, tähtäimenään sähköinen ilmailu monash.edu. Isossa-Britanniassa nyt jo lakkautettu Oxis Energy oli Li-S-akkuteknologian edelläkävijä; ennen sulkemistaan vuonna 2021 Oxis oli kehittänyt lähes 400 Wh/kg Li-S-kennoja ja teki yhteistyötä lentokonevalmistajien kanssa. Sen immateriaalioikeudet siirtyivät muille tahoille, mikä saattaa vaikuttaa uusiin projekteihin. Kiinan akateeminen ja teollinen kenttä on erittäin aktiivinen – esimerkiksi Chinese Academy of Sciences, Wuhan University of Technology (joka oli mukana kirjoittamassa Sadowayn Al-S-artikkelia news.mit.edu) ja yritykset kuten CATL tutkivat rikki- ja alumiinikemioita, vaikka yksityiskohdat pidetään joskus salassa. Myös Teslan Battery Day 2020 vihjasi kiinnostuksesta rikkiin (Elon Musk vitsaili Teslan tutkivan “litiumjarikkia” tarkentamatta, mahdollisesti pitkän aikavälin projekteja varten). Lopuksi NASA ja Boeing tutkivat Li-S-akkuja lentokoneisiin: NASAn SABERS-projektissa on monikerroksinen rikkiparisto, joka saavutti 500 Wh/kg, mikä voisi mahdollistaa sähköiset lentokoneet tai kehittyneet droonit businessaviation.aero.

On selvää, että globaali ekosysteemi innovaattoreita vie alumiini- ja rikkiakkuja eteenpäin – pienistä startupeista arvostettuihin kansallisiin laboratorioihin. Seuraavien vuosien (2025–2030) aikana osa näistä ponnisteluista todennäköisesti tuottaa tulosta todellisten tuotteiden ja pilottihankkeiden muodossa.

Läpimurrot ja viimeaikaiset innovaatiot (2024–2025)

Vuodet 2024 ja 2025 ovat olleet erityisen jännittäviä alumiini- ja rikkiakkuteknologian kehityksessä, ja useita merkittäviä läpimurtoja on nähty:

Tammi 2024 – Alumiini-rikki 85 °C:ssa (Nature Communications): Tutkijat esittelivät uuden alumiini–rikki-akun, joka toimii 85 °C:ssa käyttäen kvaternaarista sulasuolaelektrolyyttiä, julkaistu lehdessä Nature Communications nature.com. Tämä akku osoitti nopean latauskyvyn ja yllättävän pitkän käyttöiän: se säilytti 85,4 % kapasiteetistaan 1 400 syklin jälkeen 1C:n latausnopeudella nature.com. Tärkeää on, että 85 °C on suuri parannus aiempiin sulasuola-akuihin verrattuna, jotka tarvitsivat 110–180 °C nature.com. Tiimi saavutti tämän kehittämällä erityisen suolaseoksen (alkalimetallikloorialuminaatit), jolla on matala sulamispiste ja joka myös mahdollisti nopean alumiini-ionien liikkumisen nature.com. He käyttivät myös typpidopattua huokoista hiilikatodia, joka auttoi rikkireaktioita etenemään nopeasti nature.com. Tämä tulos on merkittävä, koska se osoittaa tietä kohti käytännöllisiä, edullisia verkkoakkuja, jotka voisivat toimia yksinkertaisella lämmityksellä (jopa pelkkä kuuma vesi lämmönlähteenä, kuten kirjoittajat mainitsevat nature.com) ja tarjota nopean latauksen ilman heikkenemistä. Tämä on askel kohti MIT:n Al-S-akkuidean muuttamista käyttäjäystävällisemmäksi ja liikkuvammaksi.
Lokakuu 2024 – Lyten ilmoittaa Li-S-gigatehtaasta: Lytenin ilmoitus litium-rikkiakkujen gigatehtaasta Nevadassa oli merkittävä alan uutinen loppuvuodesta 2024 lyten.com. Sen on tarkoitus olla maailman ensimmäinen gigatehdas, joka on omistettu Li-S-kennoille, ja sen tavoitteena on 10 GWh/vuosi tuotanto vuoteen 2027 mennessä lyten.com. Vieläkin merkittävämpää oli Lytenin ilmoitus, että heidän Li-S-akkujaan on jo tulossa valituille markkinoille 2024 ja 2025 – erityisesti heillä on asiakkaita mikromobiliteetissa (sähköpyörät, -skuutit), ilmailussa (ehkä satelliitit tai korkealla lentävät droonit), drooneissa ja puolustussovelluksissa, joissa käytetään heidän akkujaan lyten.com. Tämä viittaa siihen, että Lyten on siirtynyt laboratorioprototyypeistä pilottituotantoon ja todelliseen kenttäkäyttöön näillä erikoisaloilla. Suuren tehtaan rakentaminen osoittaa luottamusta teknologian skaalaamiseen ja kysynnän toteutumiseen. Se on myös suuri signaali akkuteollisuudelle ja sijoittajille siitä, että litium-rikki on lähestymässä valmiutta laajempaan käyttöön. Saatamme pian nähdä tuotteita, joissa mainostetaan “Li-S-akku sisällä”, ainakin huippuluokan tai erikoissovelluksissa tämän seurauksena.
Maaliskuu 2025 – Theion kerää rahoitusta, väittää 3× energian: Maaliskuussa 2025 Reuters raportoi, että Theion keräsi 15 miljoonaa euroa laajentaakseen rikkiparistonsa tuotantoa, joka “varastoi enemmän energiaa mutta maksaa paljon vähemmän kuin perinteiset litiumioniakut.” reuters.com Theion paljasti osan teknisestä strategiastaan julkisesti ja kertoi, että heidän kennoillaan on kolminkertainen energiatiheys litiumioniin verrattuna, kolmasosalla kustannuksista ja kolmasosalla CO₂-päästöistä, kuten aiemmin mainittiin reuters.com. He vastasivat suuriin huolenaiheisiin toteamalla, että he välttävät nopean korroosion käyttämällä kiteistä rikkiä ja hallitsevat laajenemista esilaajentamalla katodin rakennetta reuters.com. Rahoitus auttaa heitä siirtymään kolikkokennoista suurempiin pussikennoihin (sopivia sähköautoihin tai lentokoneisiin) reuters.com. Tämä kehitys muistuttaa siitä, että ei vain yksi vaan useat startupit (Lyten, Theion, muut) saavuttavat virstanpylväitä ja houkuttelevat sijoituksia, mikä lisää todennäköisyyttä, että ainakin yksi niistä menestyy kaupallisesti. Tämä muistuttaa hieman litiumionin alkuvaiheita, jolloin useat yritykset ja maat kilpailivat – nyt sekä yhdysvaltalaiset että eurooppalaiset toimijat ajavat rikkiparistoja samanaikaisesti.
2023 – 2024 – Rikin kierron elämän arvoituksen ratkaiseminen: Vuoden 2023 aikana ja vuoden 2024 alussa useat tutkimusryhmät julkaisivat edistysaskeleita rikkiakkujen käyttöiän pidentämisessä. Yksi kohokohdista oli Argonnen johtama tutkimus (julkaistu elokuussa 2022 Nature Communications -lehdessä), jossa osoitettiin, että redox-aktiivinen välikerros voi dramaattisesti parantaa Li-S-akun vakautta anl.gov. Vuoden 2023 alussa he raportoivat, että tämä lähestymistapa tuottaa kennoja, jotka säilyttävät korkean kapasiteetin satojen lataus-/purkaussyklien ajan anl.gov, tuoden Li-S-akut lähemmäs arkipäivän käyttökelpoisuutta. Vuoden 2024 puolivälissä toinen ryhmä raportoi taitettavasta, joustavasta Li-S-akusta, jossa käytettiin erityistä rautasulfidikatodia ja joka kesti jopa leikkaamisen ilman vikaantumista acs.org – uusi ratkaisu puettaviin tai joustaviin elektroniikkalaitteisiin, joissa käytetään Li-S-tekniikkaa. Nämä asteittaiset innovaatiot ovat tärkeitä: ne ratkaisevat yksitellen käytännön ongelmia (kuten polysulfidien hallinta, mekaaniset rasitukset jne.). Jokainen parannus vie Li-S-kennoja lähemmäs kaupallisen elektroniikan ja ajoneuvojen tiukkoja vaatimuksia.
2024 – Alumiiniakkujen T&K kiihtyy: Alumiinipuolella vuoden 2024 lopulla nähtiin myös mielenkiintoista tutkimusta. Tutkijat selvittivät uusia katodimateriaaleja alumiini-ioniakuille, kuten kobolttisulfidia, saavuttaakseen suuremman kapasiteetin ja paremman ymmärryksen varauksen varastointimekanismeista nature.com. Kasvava tutkimusalue ovat “multivalentit” akut (mukaan lukien Al, Mg, Zn), joilla on usein yhteisiä haasteita ja läpimurtoja – esimerkiksi parannetut elektrolyytit, jotka auttavat yhtä järjestelmää, voivat joskus toimia myös toisessa advanced.onlinelibrary.wiley.com. Myös maat kuten Intia investoivat alumiiniakkuteknologiaan, ei vain Phinergyn alumiini-ilma-akkujen kautta, vaan myös akateemisessa tutkimuksessa kehittääkseen ladattavan alumiiniakun, joka sopii Intian olosuhteisiin (hallituksen rahoittaessa projekteja kansallisen energian varastointiohjelman puitteissa). Vaikka nämä eivät ole vielä nousseet maailmanlaajuisiin otsikoihin, ne lisäävät vauhtia, joka rakentuu alumiiniakkujen ympärille maailmanlaajuisesti.
Politiikka ja markkinasignaalit: Läpimurrot eivät ole vain teknisiä. Vuosina 2024–2025 näemme vahvoja markkinasignaaleja, jotka tukevat näitä uusia akkuja. Yhdysvaltain hallituksen Inflation Reduction Act (IRA) ja muut politiikat kannustavat kotimaisiin akkujen toimitusketjuihin – mikä hyödyttää kemioita, joita voidaan valmistaa paikallisesti saatavilla olevista materiaaleista, kuten rikistä (Yhdysvalloissa tuotetaan paljon rikkiä öljynjalostuksesta) ja alumiinista. Lytenin gigatehdas Nevadassa ja Yhdysvaltain puolustusministeriön kiinnostus kevyitä Li-S-akkuja kohtaan sotilaille tai satelliiteille ovat näiden kannustimien tulosta lyten.com. Euroopassa kestävyystavoitteet tekevät kobolttivapaasta ja nikkelittömästä akusta erittäin houkuttelevan, minkä vuoksi EU rahoittaa projekteja kuten Theion ja muita. Jopa Kiinassa, jossa litiumioniakkujen valmistus hallitsee, on ollut valtion tukemia ohjelmia ”seuraavan sukupolven” akuille (esimerkiksi CATL:n kerrotaan kehittävän natriumioni + rikki -hybridiakkua, jonka lanseeraus on suunniteltu vuodelle 2023/24 kiinteään varastointiin). Kaikki nämä trendit osoittavat, että aika on kypsä alumiini- ja rikkiakuille – maailma etsii ratkaisuja, ja teknologia alkaa vastata näihin tarpeisiin.

Käytännössä viimeiset kaksi vuotta ovat muuttaneet alumiini- ja rikkiakut laboratoriokokeilusta vakaviksi ehdokkaiksi energian varastoinnin tulevaisuudelle. Kuten eräs tutkija osuvasti sanoi, ”Olemme askeleen lähempänä tämän teknologian näkemistä arjessamme.” anl.gov Juuri tällainen askel askeleelta -kehitys on nyt käynnissä, ja seuraava askel on näiden innovaatioiden laajempi kaupallistaminen ja skaalaus.

Mahdolliset käyttökohteet ja vaikutukset puhtaaseen energiaan ja sähköajoneuvoihin

Alumiini- ja rikkiakkujen nousu voi vaikuttaa laajasti eri aloihin. Tässä joitakin lupaavimpia käyttökohteita ja niiden vaikutuksia:

🏠 Uusiutuvan energian varastointi (verkko ja koti): Ehkä suurin lyhyen aikavälin vaikutus nähdään paikallaan olevassa energiavarastoinnissa puhtaalle energialle. Yksi uusiutuvan energian (aurinko, tuuli) suurista haasteista on ajoittaisuus – aurinko ja tuuli eivät ole saatavilla ympäri vuorokauden, joten tarvitsemme valtavia, edullisia akkuja energian varastoimiseksi silloin, kun tuotantoa ei ole. Litiumioniakut ovat alkaneet yleistyä verkon varastoinnissa, mutta ne ovat yhä suhteellisen kalliita ja riippuvaisia tuontimateriaaleista. Alumiini-rikki- ja natrium-rikki-akut, joiden komponentit ovat erittäin halpoja, voisivat dramaattisesti alentaa kilowattitunnin varastoinnin kustannuksia. MIT:n Sadoway kohdisti erityisesti kotien ja naapurustojen mittakaavaan Al-S-akullaan – “koko, joka riittää yhden kodin tai pienen/keskisuuren yrityksen tarpeisiin” (kymmeniä kWh) news.mit.edu. Tällaiset akut mahdollistaisivat, että aurinkopaneeleilla varustetut kotitaloudet voisivat varastoida päivällä tuotetun energian yökäyttöön edullisesti, tai pienyritykset saisivat varavoimaa ilman dieselgeneraattoria. Suuremmassa mittakaavassa energiayhtiöt voisivat ottaa käyttöön valtavia alumiini- tai natrium-rikki-akkujen pankkeja uusiutuvan tuotannon tasaamiseksi. Sydneyn yliopiston tiimi totesi, että heidän edullinen Na-S-akkunsa voisi “vähentää merkittävästi siirtymän kustannuksia kohti hiilivapaata taloutta” tarjoamalla edullista varastointia sydney.edu.au. Alueilla, joilla ei ole mahdollisuutta pumppuvoimaloihin, nämä sähkökemialliset ratkaisut ovat avainasemassa. Lisäksi, koska nämä uudet akut eivät ole syttyviä (tärkeää yhteisöturvallisuuden kannalta) ja käyttävät runsaita materiaaleja, niitä voidaan valmistaa ja asentaa monilla alueilla paikallisesti – mikä parantaa energiaturvallisuutta. Kaiken kaikkiaan laajasti käyttöön otetut alumiini/rikki-paikallisakut mahdollistaisivat suuremman uusiutuvan energian osuuden, vähentäisivät rajoituksia (aurinko-/tuulienergian hukkaaminen varastoinnin puutteen vuoksi) ja auttaisivat vakauttamaan sähköverkkoa puhtaalla, ohjattavalla energialla.
🚗 Sähköajoneuvot (EV): Keveämmät ja suuremman energiatiheyden akut ovat sähköautojen ja jopa sähköisen ilmailun ”pyhä malja”. Erityisen houkuttelevia tässä ovat litium-rikkiakut. Li-S-akku voisi laajentaa sähköauton ajomatkaa dramaattisesti lisäämättä painoa – tai vaihtoehtoisesti mahdollistaa saman ajomatkan paljon kevyemmällä akulla, mikä parantaa tehokkuutta. Esimerkiksi jos sähköauto tarvitsee nykyään 600 kg:n litiumioniakun 300 mailin toimintasäteeseen, Li-S-akku, jonka energiatiheys on kaksinkertainen, voisi saavuttaa saman ~300 kg:lla, mikä vähentää ajoneuvon painoa merkittävästi. Tämä parantaa kiihtyvyyttä, käsiteltävyyttä ja vähentää energiankulutusta per maili. Se voisi myös tehdä sähkökuorma-autoista ja -busseista kannattavampia vapauttamalla hyötykuormapainoa. Yritykset kuten Oxis Energy (ennen sulkemistaan) ja Sion Power työskentelivät ilmailu- ja autoteollisuuden kumppaneiden kanssa Li-S-prototyyppipakettien parissa pitkän matkan lentokoneisiin ja sähköautoihin. Itse asiassa Sion Powerin aiemmat Li-S-kennot antoivat miehittämättömälle aurinkolentokoneelle (High Altitude Pseudo-Satellite) mahdollisuuden rikkoa lentokestoennätyksiä 2010-luvulla. Viime aikoina NASA ja Airbus ovat tarkastelleet Li-S-akkua yhtenä harvoista tavoista saavuttaa tarvittava 500 Wh/kg käytännöllisiin sähköisiin matkustajakoneisiin businessaviation.aero – heidän SABERS-projektinsa menestys viittaa siihen, että alueelliset sähköiset lentokoneet, joissa käytetään rikkiakkuja, saattavat olla horisontissa. Sähkölentotaksit ja -dronet hyötyisivät myös; Theion mainitsi nimenomaan lentävät ajoneuvot kohteena reuters.com. Li-S:n lisäksi myös alumiini-ilma-akut voivat olla hyödyllisiä sähköautoissa: ne voisivat toimia toimintasäteen laajennusmoduulina, jonka voi aktivoida pitkiä matkoja varten. Kuvittele sähköauto, jossa on pieni litiumioniakku päivittäiseen ajoon ja alumiini-ilma ”apukäyttöakku”, jonka täytät (vaihdat alumiinin) vain, kun lähdet 1 000 km:n automatkalle. Tällaisia hybridiparistorakenteita suunnitellaan mm. Indian Oil/Phinergy -hankkeissa. On syytä huomata, että valtavirran sähköautot eivät siirry uuteen kemiaan yhdessä yössä – turvallisuus, kestävyys ja pikalataus on todistettava – mutta 2020-luvun lopulla on mahdollista, että huippumallit tai erikoisajoneuvot saattavat tulla uuden sukupolven akuilla. Jos näin käy, se voi nostaa sähköautojen suorituskyvyn uudelle tasolle (500+ mailin toimintasäteet, erittäin nopeat lataukset, kevyemmät autot) ja vähentää riippuvuutta kriittisistä mineraaleista, mahdollistaen sähköautojen käyttöönoton laajemmassa mittakaavassa ilman resurssipullonkauloja.
📱 Kannettavat elektroniikkalaitteet ja puettavat laitteet: Tulevaisuuden älypuhelimesi tai kannettavasi voisi hyötyä myös rikki- tai alumiiniakuista, vaikka näissä sovelluksissa vaaditaan pitkää käyttöikää ja alhaista itsepurkautumista (alueita, joissa litiumioniakut tällä hetkellä loistavat). Litium-rikkiakku voisi saada puhelimesi kestämään päiviä yhdellä latauksella – muistetaan Monashin yliopiston konsepti puhelimesta, joka kestää 5 päivää Li-S-akulla advancedsciencenews.com. Painonsäästö ei ole puhelimessa yhtä kriittistä, mutta energiatiheys on. Yksi haaste on, että kuluttajalaitteet odottavat satoja lataussyklejä ja vuosien kalenterikestoa; Li-S vaatii vielä kehitystä päästäkseen tähän. Silti saatamme nähdä erikoislaitteita tai puettavia laitteita ottamassa niitä käyttöön, jos ne tarjoavat etuja muotoilussa. Alumiiniakut, erityisesti joustavat mallit kuten Stanfordin kehittämät, voisivat mahdollistaa taitettavat tai rullattavat laitteet. Esimerkiksi joustava alumiini-ioniakku voitaisiin integroida älykellon rannekkeeseen tai älyvaatteisiin. Lisäksi, koska Al-ion voidaan tehdä erittäin turvalliseksi (ei tulipaloriskiä), ne voitaisiin rakentaa laitteisiin ilman suuria suojakuoria, mikä mahdollistaisi luovemman teollisen muotoilun. Nämä ovat vielä spekulatiivisia, mutta valmistuksen kehittyessä kulutuselektroniikka voi olla tärkeä markkina (oli sehan litiumioniakkujenkin alkuvaiheen kasvun moottori 1990-luvulla).
⚡ Pikalatausinfrastruktuuri: Yksi vähemmän ilmeinen mutta tärkeä sovellus on käyttää näitä uusia akkuja helpottamaan sähköautojen pikalatausta ja vakauttamaan sähköverkkoa. Kuten professori Sadoway huomautti, jos monet sähköautot yrittävät ladata samaan aikaan (kuten useat autot moottoritien levähdyspaikalla), tehontarve nousee yli sen, mitä sähköverkko helposti pystyy tarjoamaan news.mit.edu. Sähkölinjojen päivittämisen sijaan on fiksumpaa asentaa akkupuskuri latausasemille – akku latautuu hitaasti verkosta ja purkaa sitten nopeasti virtaa autoihin tarpeen mukaan. Tällaisissa puskuriakuissa kustannukset ja turvallisuus ovat tärkeimpiä, ja painolla ei ole niin suurta merkitystä. Tämä tekee alumiini-rikki- tai natrium-rikkiakuista ihanteellisia vaihtoehtoja. Ne sijaitsevat paikan päällä, varastoivat energiaa edullisesti, eivät syty tuleen ja voivat purkaa latauksen nopeasti. Sadoway mainitsi erityisesti, että Al-S-järjestelmät voisivat “poistaa tarpeen asentaa kalliita uusia sähkölinjoja” pikalatausasemien ryppäille news.mit.edu. Käytännössä nämä akut voivat toimia iskunvaimentimina sähköverkossa, imeä ylimääräistä energiaa ja vapauttaa sitä tarpeen mukaan, oli kyse sitten sähköautojen latauspiikeistä tai uusiutuvan energian tuotannon vaihteluiden tasapainottamisesta.
🏭 Teollinen ja kaupallinen varavoima: Samoin kuin telekommunikaatiotornit käyttävät alumiini-ilma-akkuja varavirtana, muutkin teollisuudenalat ja liikekiinteistöt voisivat käyttää alumiini- tai rikkiakkuja varmistaakseen luotettavuuden ja vähentääkseen riippuvuutta dieselgeneraattoreista. Esimerkiksi datakeskukset kaipaavat akkuja, jotka ovat turvallisia, omaavat pitkän valmiusajan ja ovat kustannustehokkaita suuressa mittakaavassa – voidaan kuvitella natrium-rikki-akkuhuoneita korvaamaan nykyisin UPS-järjestelmissä (katkeamattomat virtalähteet) käytetyt litiumioni- tai lyijyakut. Syrjäisissä tai verkon ulkopuolisissa kohteissa halvat akut, joita ei tarvitse vaihtaa usein, ovat erittäin arvokkaita (vähemmän huoltokäyntejä). Alumiini-rikkiakut, joiden odotetaan olevan erittäin edullisia kilowattituntia kohden, voisivat mahdollistaa mikroverkot maaseutu- tai saaristoyhteisöissä, yhdistettynä aurinko-/tuulivoimaan, tarjoten ympärivuorokautista sähköä ilman suuria kustannuksia.
🚀 Ilmailu ja puolustus: Näiden akkujen korkea suorituskyky on luonnollisesti houkuttelevaa ilmailu- ja puolustussovelluksissa. Kuten mainittiin, satelliitit ja korkealla lentävät droonit (pseudo-satelliitit) ovat käyttäneet Li-S-akkua menestyksekkäästi sen keveyden ja hyvän suorituskyvyn ansiosta matalissa lämpötiloissa (avaruusakut toimivat usein kylmässä). Yhdysvaltain armeijaa kiinnostavat kevyemmät akut sotilaille (vähentääkseen useiden kilojen litiumioniakkujen kantamista) – rikkiakku voisi keventää tätä taakkaa merkittävästi. Lisäksi, koska rikkiakuissa ei ole happea vapauttavia yhdisteitä (toisin kuin litiumioniakuissa, jotka voivat vapauttaa O₂ lämpökarkaamistilanteessa), ne saattavat olla turvallisempia suljetuissa ympäristöissä, kuten sukellusveneissä tai avaruusaluksissa. Alumiini-ilma voisi toimia vedenalaisena virtalähteenä pitkäkestoisille miehittämättömille sukellusveneille, joissa alumiinin tankkaus on mahdollista. Puolustussektori toimii usein edelläkävijänä huipputeknologian käyttöönotossa, joka myöhemmin leviää laajempaan käyttöön, joten heidän investointinsa alumiini- ja rikkiakkuteknologiaan voi nopeuttaa kehitystä. Itse asiassa Lytenin ensimmäiset projektit vuosina 2024–25 avaruus-, drooni- ja puolustusmarkkinoilla viittaavat siihen, että puolustussopimukset auttavat todentamaan teknologiaa lyten.com ennen laajempaa kuluttajakäyttöä.

Kaikissa näissä sovelluksissa kokonaisvaikutus on mahdollistaa puhtaan energian siirtymän nopeampi ja laajempi toteutuminen. Vähentämällä akkujen kustannuksia ja vapauttamalla meidät litiumioniakkujen toimitusketjun rajoitteista, alumiini- ja rikkiakut voisivat tehdä sähköajoneuvoista edullisempia useammille ihmisille (tärkeää liikenteen hiilidioksidipäästöjen vähentämiseksi), tehdä uusiutuvasta energiasta luotettavampaa ja laajempaa (tärkeää sähköntuotannon hiilidioksidipäästöjen vähentämiseksi) ja jopa mahdollistaa uusia mahdollisuuksia, kuten sähkölentämisen. Niillä on myös ympäristöhyötyjä käytössä: esimerkiksi dieselvaravoimageneraattoreiden korvaaminen alumiini-ilma- tai natrium-rikkiakuilla vähentää paikallista ilman saastumista ja CO₂-päästöjä. Jos teknologia lunastaa lupauksensa, maailmassa voidaan nähdä edullisempia sähköautoja, kestävämpiä puhtaita sähköverkkoja ja harvinaisten metallien louhinnan vähenemistä – positiivinen kierre sekä taloudelle että ympäristölle.

Taloudelliset ja ympäristövaikutukset

Taloudellisesta näkökulmasta alumiini- ja rikkiparistot voisivat olla mullistavia parhaalla mahdollisella tavalla: alentamalla energiavarastoinnin kustannuksia ja monipuolistamalla toimitusketjua. Akku muodostaa merkittävän osan sähköauton tai uusiutuvan energian järjestelmän kustannuksista, joten halvemmat akut tarkoittavat edullisempia tuotteita ja nopeampaa käyttöönottoa. Analyytikot ovat todenneet, että materiaalit kuten alumiini ja rikki maksavat vain murto-osan litiumin, nikkelin tai koboltin hinnasta. Esimerkiksi erään arvion mukaan alumiini-rikkikennojen materiaalikustannukset ovat vain noin 15 % vastaavan litiumioniakun kustannuksista news.mit.edu. Jos nämä säästöt siirtyvät valmistukseen, voisimme nähdä akkujen hinnan (per kWh) laskevan selvästi nykyisen litiumionioppimiskäyrän alapuolelle. Halpa varastointi voisi kiihdyttää talouskasvua mahdollistamalla uusia liiketoimintamalleja (kuten lisää aurinkovoimaloita, yhteisöllisiä varastointihankkeita jne.) ja alentamalla energiakustannuksia kuluttajille (kuvittele lataavasi kotisi akkua joka iltapäivä aurinkoenergialla etkä koskaan maksaisi huippukuormituksen verkkomaksuja).

On myös geopoliittinen näkökulma: Litiumioniakkujen tuotanto on nykyään vahvasti keskittynyttä (Kiina hallitsee kennotuotantoa ja esimerkiksi Kongon demokraattinen tasavalta toimittaa keskeisiä mineraaleja). Alumiinia kuitenkin sulatetaan ympäri maailmaa (ja kierrätys tarjoaa myös paikallisen lähteen), ja rikkiä on kaikkialla. Monet maat, joilla ei ole litiumvarantoja, omistavat vahvan alumiiniteollisuuden (esim. Intia, kuten näimme IOC Phinergyn tapauksessa). Alumiinipohjaiset akut voisivat siis mahdollistaa useammille maille kotimaisen akkuteollisuuden rakentamisen ilman riippuvuutta tuodusta litiumista tai koboltista. Tämä monipuolistaminen voisi vähentää maailmanlaajuisia toimitusketjuriskejä ja tehdä siirtymästä sähköiseen liikkuvuuteen ja uusiutuvaan energiaan kestävämmän puutteita tai poliittista epävakautta vastaan. Nevadassa suunniteltu Lytenin tehdas on esimerkki – käyttämällä Yhdysvalloista peräisin olevaa rikkiä ja kokoamalla akut kotimaassa lyten.com noudattaa politiikkaa, jonka tavoitteena on siirtää akkujen toimitusketju kotimaahan ja luoda paikallisia työpaikkoja (he arvioivat 1 000 työpaikkaa täydessä mittakaavassa yhdessä tehtaassa lyten.com).

Ympäristön kannalta näillä akuilla on useita etuja:

Pienempi hiilijalanjälki: Akkujen valmistus on energiaintensiivistä, mutta rikki- ja alumiiniakut voidaan valmistaa vähemmän eksoottisilla prosesseilla. Koboltin ja nikkelin jalostus on erityisen hiili-intensiivistä. Kun nämä jätetään pois, valmistajat voivat pienentää akun CO₂-päästöjä per kWh. Theion ilmoitti 2/3 pienemmästä hiilijalanjäljestä rikkiparistoilleen verrattuna litiumioniin reuters.com. Lisäksi rikkiä voidaan hankkia jätetuotteena (käytännössä nolla lisähiilikustannusta sen hankkimiseksi), ja alumiinin kierrätys käyttää vain noin 5 % primaarialumiinin tuotannon energiasta – joten kierrätetyn alumiinin käyttö akuissa vähentäisi merkittävästi niiden sisältämää energiaa.
Kierrätys ja elinkaaren loppu: Alumiini on jo nyt yksi eniten kierrätetyistä materiaaleista (ajattele alumiinitölkkejä). Infrastruktuuri romualumiinin sulattamiseen ja uudelleenkäyttöön on olemassa. Jos alumiinimetalliakut yleistyvät, voi kuvitella, että käytetyt alumiinianodit kerätään rutiininomaisesti ja kierrätetään erittäin tehokkaasti – akkumetallille syntyy kiertotalous. Rikin kierrätys akuista voi olla hankalampaa (varsinkin jos se on sitoutunut yhdisteisiin), mutta koska se on halpaa ja myrkytöntä, ei sen päätyminen kaatopaikalle ole yhtä suuri ympäristöriski kuin esimerkiksi lyijy tai kadmium vanhoissa akuissa. Tutkijat saattavat löytää tapoja ottaa rikki talteen tai muuntaa akkujen jäterikki hyödyllisiksi kemikaaleiksi (rikkihän on käytössä myös lannoitteissa). Näissä akuissa ei ole raskasmetalleja, mikä tarkoittaa vähemmän myrkyllistä sähköromua, jos ne hävitetään väärin, ja ihanteellisesti helpompaa käsittelyä kierrätyslaitoksissa.
Vähemmän kaivostoiminnan vaikutuksia: Litiumin, koboltin ja nikkelin kaivostoiminnalla on merkittäviä ympäristö- ja sosiaalisia vaikutuksia – litiumin suolaliuosuuton vedenkäytöstä, elinympäristöjen tuhoutumiseen ja saastumiseen nikkelikaivosten ympärillä sekä lapsityövoimaan joissain koboltin kaivoksissa. Vähentämällä tai poistamalla näiden materiaalien tarvetta alumiini- ja rikkiakut voisivat helpottaa näitä paineita. Alumiini ei ole täysin ongelmaton (boksitin kaivuu ja alumiinin sulatus aiheuttavat omat ongelmansa, kuten punalietettä ja suurta sähkönkulutusta), mutta näitä prosesseja säädellään hyvin monissa maissa ja teknologia kehittyy (esim. inertit anodit alumiinin sulatuksessa päästöjen vähentämiseksi). Ja jälleen, alumiinin kierrätys vähentää uuden kaivostoiminnan tarvetta merkittävästi. Rikin käyttö liittyy lähinnä olemassa olevan sivutuotteen uudelleenkäyttöön – se voi itse asiassa ratkaista ongelman (valtavat rikkivarastot) sen sijaan, että loisi uuden.
Turvallisuus ja terveys: Akkupalot ovat olleet huolenaihe litiumioniakuissa, sillä palava Li-ion-akku vapauttaa myrkyllisiä kaasuja ja voi aiheuttaa vaikeasti sammutettavia tulipaloja (kuten jotkin sähköautopalot ovat osoittaneet). Palamattomat akut tarkoittavat vähemmän tulipaloja, mikä on turvallisuusetu yhteiskunnalle. Se tarkoittaa myös turvallisempaa akkujen käsittelyä kuljetuksessa ja romuttamoilla. Esimerkiksi romutetut sähköautot, joissa on Li-ion-akut, aiheuttavat paloriskin, jos ne vaurioituvat; alumiini-rikkiakulla varustettu sähköauto voisi olla paljon turvallisempi purkaa. Samoin kuluttajalaitteissa – vähemmän räjähtäviä tai syttyviä laitteita (ajatellen kuuluisia puhelinakkujen paloja) on hyödyllistä kansanterveydelle ja lisää luottamusta akkuteknologiaan.
Puhdas varavoima: Paikoissa, joissa tällä hetkellä luotetaan dieselgeneraattoreihin varavoimana tai syrjäisissä kohteissa (saarilla, hätäsuojissa, telemastot), niiden korvaaminen alumiini-ilma- tai natrium-rikkiakuilla poistaa dieselpolttoaineen polton, mikä tarkoittaa ei kasvihuonekaasupäästöjä, ei hiukkaspäästöjä eikä melua. Tämä on suora ympäristö- ja elämänlaadun parannus. Esimerkiksi Intiassa alumiini-ilma-akuilla toimivat telemastot eivät tuota lainkaan paikallisia päästöjä, kun taas dieselgeneraattorit lisäävät ilman saastumista ja hiilidioksidipäästöjä.

Kaiken kaikkiaan alumiini- ja rikkiakuilla on potentiaalia demokratisoida energiavarastointi – tehdä siitä niin edullista ja ympäristöystävällistä, että voimme ottaa akut käyttöön kaikkialla, missä niitä tarvitaan puhtaan energian tulevaisuuden mahdollistamiseksi. Ne eivät ole ihmelääke (käytössä tulee todennäköisesti olemaan useita akkuteknologioita), mutta niiden tulo markkinoille voi laskea kustannuksia ja pakottaa kaikki akkuvalmistajat parantamaan kestävyyttä.

Tietenkään näiden akkujen taloudellinen menestys ei ole taattu; niiden on osoitettava, että niitä voidaan valmistaa edullisesti ja että ne toimivat luotettavasti suuressa mittakaavassa. Mutta viimeaikaiset investoinnit ja prototyyppien onnistumiset ovat erittäin rohkaisevia. Jos ne onnistuvat, palkkio ei ole vain edullisemmat sähköautot tai paremmat laitteet – vaan merkittävä vähennys akkujen käytön ympäristövaikutuksissa ja tuki maailmanlaajuisille hiilidioksidipäästöjen vähentämispyrkimyksille.

Johtopäätös: Valoisa tulevaisuus tavallisten alkuaineiden voimin

Alumiini- ja rikkiakut, joita aiemmin pidettiin yllättäjinä, ovat nopeasti etenemässä kohti kaupallista todellisuutta. Nämä akut ilmentävät kiehtovaa ajatusta: käytä yksinkertaisia, runsaita aineksia ratkaisemaan monimutkaisia energiakysymyksiä. Viime vuosina kemian ja materiaalitieteen edistysaskeleet ovat tuoneet tämän ajatuksen paljon lähemmäs toteutumista. Meillä on nyt prototyyppisiä alumiini-rikki-kennoja, jotka voidaan pikaladata minuuteissa ja jotka kestävät tuhansia syklejä nature.com, litium-rikki-akkuja, jotka saavuttavat energiatiheyksiä, joista kymmenen vuotta sitten vain haaveiltiin reuters.com, ja jopa alumiini-ilma-järjestelmiä, jotka ovat aloittaneet todellisen palvelun puhtaan energian tuottamiseksi evreporter.com.

Siirtyminen pois harvinaisten metallien ja kalliiden tuontien varasta ja kohti akkuja, jotka on valmistettu “halpahallin” alkuaineista kuten Al ja S, voisi muuttaa akkuteollisuutta samalla tavalla kuin pii muutti elektroniikkateollisuutta – mahdollistaen valtavan mittakaavan kasvun ja kustannusten laskun. Kuten Sadoway vitsaili, näissä uusissa akuissa on “kaikki, mitä akulta voisi toivoa: edulliset elektrodit, hyvä turvallisuus, nopea lataus, joustavuus ja pitkä käyttöikä” news.stanford.edu. Korjattavaa toki vielä on, mutta suunta on selvä.

Lähivuosina voimme odottaa kuulevamme pilottihankkeista (ehkä aurinkovoimala Kaliforniassa, joka käyttää MIT:n alumiini-rikki-kennoja, tai drone, joka rikkoo kestävyysennätyksiä Lytenin Li-S-akulla). Kun valmistus laajenee, kustannukset laskevat entisestään, ja jäljellä olevat tekniset haasteet – olipa kyse sitten käyttöiästä tai käyttölämpötilasta – ratkeavat todennäköisesti meneillään olevan intensiivisen tutkimuksen myötä ympäri maailmaa.

Tavalliselle kansalaiselle vaikutus voi näkyä hienovaraisina mutta tärkeinä tapoina: sähköauto, joka on halvempi ja kulkee pidemmälle, älypuhelin, joka pysyy ladattuna koko pitkän viikonlopun, naapurusto, jossa valot pysyvät päällä akun ansiosta myrskyn katkaistessa verkon – ja tieto siitä, että kaikki tämä tehdään yhtä tavallisilla materiaaleilla kuin alumiinifolio ja puutarhalannoite (rikki). Maailman akkujen kysyntä kasvaa jatkuvasti, ja alumiini- ja rikkiteknologiat varmistavat, että voimme vastata tähän kysyntään kestävästi.

Kuten eräs näitä akkuja kehittävä tutkija optimistisesti totesi, “Nämä tulokset osoittavat … valtavan vaikutuksen [akku]kehitykseen. Olemme askeleen lähempänä sitä, että näemme tämän teknologian arjessamme.” anl.gov Todellakin, tulevaisuus, jossa elämämme saa voimansa alumiinista ja rikistä – kahdesta maapallon vaatimattomimmasta alkuaineesta – on nyt selvästi horisontissa. Energiavarastoinnin vallankumous on käynnissä, ja se rakentuu tavallisen kemian, innovatiivisen insinöörityön ja puhtaamman, edullisemman energiatulevaisuuden kiireellisen tarpeen varaan.

Lähteet: Tämän raportin tiedot ja lainaukset perustuvat viimeaikaisiin luotettaviin lähteisiin, mukaan lukien vertaisarvioidut tutkimukset, yliopistojen lehdistötiedotteet, alan uutiset ja Reutersin raportit. Keskeisiä viitteitä ovat MIT News alumiini-rikki-akusta news.mit.edu, Argonne National Labin läpimurrot litium-rikki-akussa anl.gov, Reutersin uutisointi Theionin ja Lytenin kehityksestä reuters.com, lyten.com, sekä haastattelut alan johtajien kanssa (esim. Phinergyn toimitusjohtaja alumiini-ilma-akkujen eduista evreporter.com). Nämä ja muut tekstissä esiintyvät viittaukset tarjoavat yksityiskohtaista näyttöä esitettyjen väitteiden tueksi.