Yksi mätä muna pilaa koko munakkaan, siksi myös akut hajoavat ennen aikojaan

Vielä 1990-luvulla unplugged merkitsi Music Televisionilla akustisesti esitettyä keikkaa. Nykyisin se tarkoittaa elämän loppua.

Arkemme on jatkuvasti sähköstä riippuvaisempi. Isovanhemmillamme oli kotona jääkaappi ja radio. Me lataamme puhelinta, tablettia, kannettavaa, porakonetta, imuria, hammasharjaa, potkulautaa, polkupyörää ja autoa – ihan vain näin aluksi.

Digitaalisuuden kasvun ohessa erityisesti liikenteessä on meneillään vihreä siirtymä öljypohjaisista polttoaineista sähköön. Viivytystaistelussa ilmaston lämpenemistä vastaan tarvitsemme puhdasta energiaa. Samalla tarvitsemme kuitenkin akkuja ja niiden toimintaan tarvittavia kaivannaisia enemmän kuin maapallo kykenee niitä tarjoamaan.
 
Siksi jo olemassa olevia akkuja olisi myös kyettävä käyttämään nykyistä tehokkaammin, tutkija Roni Luhtala CeLLife-tutkimushankkeesta sanoo.

– Akkukennoista ehkä 50–80 prosenttia on edelleen hyvässä kunnossa, kun akku päätyy kierrätykseen. Hyvä esimerkki ovat sähköpotkulautojen akut, joiden akkukennojen kapasiteetista on siinä vaiheessa tavallisesti käytetty ehkä vain kymmenen prosenttia, Luhtala sanoo.

On järkyttävän tyhmää murskata jotakin, millä on selvästi käyttöarvoa jäljellä.

CeLLife on Tampereen yliopistossa tammikuussa 2021 aloitettu tutkimushanke. Sähkötekniikan tutkijat Luhtala, Jussi Sihvo ja Tuomas Messo ovat kehittäneet diagnostiikan akkukennojen kunnon tunnistamiseksi ja turvallisten uusioakkujen valmistamiseksi.

– Näemme uusioakuissa mahdollisuuden liiketoiminnalle, mutta toinen merkittävä syy tutkimushankkeelle on puhtaasti ideologinen. On järkyttävän tyhmää murskata jotakin, millä on selvästi käyttöarvoa jäljellä. Haluamme astua saappaisiin, joihin muut eivät vielä ole astuneet, Messo sanoo.

Akku on kuin kananmunapaketti

Jotta me muut ymmärtäisimme, mistä on kyse, tarvitaan metaforaa. Messo tuntee akut kuin jääkaappinsa sisällön ja löytää osuvan vertauksen kananmunista.

– Akku on hieman kuin kahdenkymmenen kananmunan pakkaus. Akun kennot taas ovat kuin pakkauksen sisällä olevat yksittäiset munat, joista akku koostuu, Messo kuvaa.

Jotta ymmärtäisi, miksi akku pitää tai ei pidä varaustaan, ei tarvitse hallita sähköfysiikkaa. Riittää, kun osaa tehdä munakkaan. Esimerkiksi sähköpolkupyörän litiumioniakku sisältää koosta riippuen 20–80 kennoa, sähköauton ajoakku tuhansia. Usein, kun akku lakkaa toimimasta, suurin osa kennoista on vielä ehjiä ja täysin käyttökelpoisia.

– Jos niistä munakkaan munista yksi on mädäntynyt, munakas on pilalla. Se on vähän sama juttu akun kanssa, Messo vertaa.

Digitaalinen sormenjälki on uusioakun perusta

CeLLifen diagnostiikassa testerillä ja tietokoneohjelmalla voidaan erotella kelvolliset ja rikkinäiset kennot toisistaan. Muutamassa sekunnissa kennolle luodaan sähköinen sormenjälki, johon tallentuvat kennon sähkötekniset ominaisuudet.

Sähköinen sormenjälki on tärkeä, sillä sellaisen avulla kennot voidaan ryhmitellä kunnon ja samankaltaisten ominaisuuksien mukaan. Näin kennoista voidaan rakentaa turvallisesti uusi akku.

CeLLife on aloittanut tutkimalla sähköpolkupyörien ja -potkulautojen akkuja. Parhaillaan käynnissä on pilottihanke hybridiautojen akkujen parissa.

– Jotta akku toimii, kennojen pitää olla kunnoltaan saman tasoisia. Ajatuksenamme on, että esimerkiksi sähköautojen akkujen kennoista voitaisiin valmistaa uusioakkuja kevyempiin ajoneuvoihin, laitteisiin tai sähkön varastointiin. Näin kennojen käyttöikää voisi pidentää sellaisenaan, Luhtala sanoo.

Maapallon metallit eivät riitä murroksen vauhtiin

Hiiltä sisältävien fossiilisten polttoaineiden hylkääminen, hiiletön energia ja yhteiskunnan sähköistyminen ovat ristiriitojen megatrendi. On selvää, että Co2-päästöjä on vähennettävä. Ongelma on siinä, että kun kumarramme yhteen suuntaan, pyllistämme toiseen.
 
Niin akut kuin niiden täyttämiseksi tarvittavat sinänsä päästöttömät aurinko- ja tuulivoimakin tarvitsevat suuria määriä harvinaisia maametalleja, kuten piitä, kobolttia, kuparia, rautaa. Suuria kaivoksia on pakko rakentaa – ja aina jonkun takapihalle. Kaivokset saastuttavat lähiluontoa ja kaivannaisten prosessointi vaatii energiaa, jonka tuottaminen puolestaan aiheuttaa ilmakehää lämmittäviä hiilipäästöjä.

Monet akkukäyttöiset laitteet jäävät pölyttymään kotitalouksien nurkkiin aktiivisen käyttöiän jälkeen.

Aalto-yliopiston metallurgian professori Ari Jokilaakso kiteyttää vihreän siirtymän ongelman MustRead-lehden artikkelissaan osuvasti: metalliraaka-aineet eivät riitä vihreän siirtymän, uusiutuvan energian ja sen säilömisen tarpeisiin.

”Uusiutuvan energian tuotanto luo metallien tarpeen, joka puolestaan kasvattaa uusiutuvan energian tarvetta ja syntyy metallien tarvetta voimakkaasti kasvattava kierre. Tämä itseään vahvistava kierre johtaa siihen, että osa metallien raaka-aineista tai niiden tuotantokapasiteetti loppuu jo 5–10 vuoden kuluessa”.

Paradoksi on siinä, että mitä puhtaampaa haluamme paikallisesta energiastamme, sitä enemmän meidän on hyväksyttävä ympäristön ja ihmisten uhraamista vihreän siirtymän alttarille siellä, minne emme itse näe.

Kiertotaloudessa on CeLLifen kokoinen aukko

Maailman sähköistymisen ja akkujen problematiikka ovat tuttuja Recserin toimitusjohtaja Liisa-Marie Stenbäckille. Jätelain mukaisena tuottajayhteisönä Recser vastaa Suomessa paristojen ja pienempien litiumioniakkujen kierrätyksestä maahantuojien ja valmistajien puolesta.
 
Teknisesti erilaisia litiumioniakkuja voidaan kierrättää hyvin jo nyt. Esimerkiksi puhelimien ja pienelektroniikan akuissa on paljon kobolttia. Ne saadaan kierrätettyä tehokkaasti, ja akkujen sisältämät materiaalit, kuten koboltti, kupari, nikkeli ja rauta, palautettua kiertoon.

– Käytännössä kierrätyksen avulla akkumetalleja saadaan kiertoon kuitenkin vielä hyvin pieniä määriä, mikä johtuu osittain akkujen pitkästä käyttöiästä ja osittain laahaavasta kierrätysaktiivisuudesta. Monet akkukäyttöiset laitteet jäävät pölyttymään kotitalouksien nurkkiin aktiivisen käyttöiän jälkeen, Stenbäck sanoo.

– Koska akkumetallien tarve kasvaa, olisi järkevää saada akut pysymään käytössä mahdollisimman pitkään. Tällä hetkellä pienempien akkujen uudelleenkäyttöä ei käytännössä Suomessa tehdä lainkaan. Siihen tarvitaan muutosta.

Kiertotalouden näkökulmasta avain löytyy suunnittelupöydältä.

– Sääntelyn ja muun ohjauksen tulee pystyä vaikuttamaan tuotesuunnitteluun siten, että akut ovat paitsi helposti kierrätettäviä myös mahdollisimman pitkäikäisiä ja mahdollisesti korjattavia sekä uudelleenkäytettäviä, Stenbäck linjaa.

Hybridi- ja sähköautojen ajovoima-akut kierrättää Suomen Autokierrätys. Niille ja muille teollisuuden isoille litiumioniakuille on Suomeen syntymässä kierrätysosaamista ja -kapasiteettia. Niiden osalta uudelleenkäytössä on valtavasti potentiaalia.

– Kokonaisten akkujen ja niiden osien uudelleenkäytön edistäminen on jätelain mukaisen jätehierarkian kannalta ensisijaista ja kiertotalouden edistämiseksi välttämätöntä. Uudelleenkäyttöä puoltavat sekä ilmastosyyt että akkujen nopeasti lisääntyvän käytön myötä uhkaava materiaalipula, Stenbäck näkee.

Akkumetallien raaka-ainepulalla on kahdet kasvot

Suuren akkumetallipulan taustalla vaikuttaa metallien tuotantoa hidastanut koronapandemia, sekä erityisesti yhteiskunnan sähköistymisestä johtuva akkumetallien kasvava kysyntä. Ensimmäinen luultavasti tasoittuu, toinen ei.

Esimerkiksi EU:n alueella on tavoitteena, että liikenteessä on 30 miljoonaa sähköautoa vuonna 2030. Samalla tarvitaan yhä enemmän akkuja myös kevyempiin liikennevälineisiin, työkaluihin ja tietotekniikkaan. Arviot metallien määrän tarpeen kasvusta liikkuvat 10–20-kertaisen välillä.

Yhdenmukaistamalla kennot akun käyttöikä voi kasvaa jopa neljänneksen.

Asetelma on alkanut näkyä komponenttien hinnoissa, CeLLifen Jussi Sihvo huomauttaa.

Vielä vuonna 2010 litiumioniakun hinta kilowattituntia kohden oli 1200 Yhdysvaltain dollaria. Tekniikan ja tuotannon kehityksen myötä hinta on laskenut 135 dollariin, uutistoimisto Bloomberg kirjoittaa.

– Hinnat ovat vuosi vuodelta laskeneet kohti sadan dollarin haamurajaa, mutta nyt on alettu ensimmäistä kertaa esittää hinnan myös nousevan. Hinta voi laskea tulevaisuudessa, mutta jatkuvan hintojen laskun taittuminen kuvastaa raaka-aineiden rajallisuutta ja kasvavaa kysyntää hyvin, Sihvo sanoo.

Materiaalipulalla on kahdet kasvot. Toisaalta se vauhdittaa kierrättämistä, mutta ei kuitenkaan automaattisesti ruoki akkukennojen uusiokäyttöä, koska niiden sisältämiä metalleja kaivataan nopeasti uudelleen kiertoon ja täydentämään neitseellisten raaka-aineiden tuotantoa. Toisaalta uusioakkuja ei osata kaivata, jos niitä ei ole.

– Akkujen kierrätykseen ovat tähän asti erikoistuneet ehkä lähinnä sellaiset suuret yritykset, joiden intressissä on ollut ennemminkin akun hajottaminen takaisin raaka-aineiksi kuin akkukennojen uusiokäyttö, Messo sanoo.

Sijoittajat on vakuutettava uusioakun laadusta

Tänä vuonna CeLLifella eletään jänniä hetkiä. Kennojen diagnostiikkaan tarvittava teknologia toimii, ja sille on haettu patenttia. Ensi kesänä tutkimushanke muuttuu start up -yritykseksi.

– Kesäkuun loppuun mennessä meidän on tehtävä päätös siitä, minkälaisessa yritysmuodossa jatkamme ja millä tavalla tuotteistamme diagnostiikkamme, Messo sanoo.

Vaihtoehtoja on kaksi. Yritys voisi perustaa omia testaus- ja tuotantotiloja, joissa uusioakkuja valmistetaan. Todennäköisempi vaihtoehto on teknologian lisensointi muille akkualan toimijoille, joilla on jo olemassa olevaa tuotantoinfraa. Innovaatiota voitaisiin hyödyntää myös uusien akkujen valmistamisessa.

– Usein akku hajoaa ennen aikojaan siksi, että mukaan on päässyt viallinen tai laadultaan eriparinen kenno. Yhdenmukaistamalla kennot akun käyttöikä voi kasvaa jopa neljänneksen, Sihvo sanoo.

Alkutaipaleensa CeLLife on kulkenut Business Finlandin Research to Business -rahoituksella. Harppaus start up -yritykseksi merkitsee myös sijoittajien löytämistä. Kahiseva on harvoin löysässä, mutta Messon mukaan sijoittajia on nykyisin helpompi saada innostumaan uusioakuista kuin vielä pari vuotta sitten.

– Menetelmämme istuu aika hyvin aikamme ajatteluun ja maailmantilanteeseen. Mutta vaikka enää ei ajatella yhtä vahvasti niin, etteivät käytetyt akkukennot sovi kiertoon, sen ajatuksen muuttamiseksi meidän on edelleen tehtävä paljon töitä, Messo sanoo.

Ilman kierrätystä metallit eivät riitä

• Yhden auton ajoakkuun tarvitaan kobolttia, nikkeliä ja litiumia. Koboltin määrä akuissa on laskenut, mutta litiumin kysyntä kasvanut raaka-aineen keveyden vuoksi.
• Sähköautojen määrän kasvaessa myös ajoneuvojen akkuihin tarvittavien mineraalien määrä nousee. Vuoteen 2040 mennessä litiumin tarpeen arvioidaan nousevan 42-kertaiseksi, koboltin 21-kertaiseksi ja nikkelin 19-kertaiseksi nykyhetkeen verrattuna. Digitalisaation mukana kasvaa myös muiden akkuja tarvitsevien laitteiden määrä.
• Metallien kaivamiseksi tarvitaan suuria kaivoksia ja louhoksia, joiden prosesseilla on suuri riski saastuttaa lähiympäristöä ja uhata luonnon monimuotoisuutta.
• Ajoakkujen vaatiman litiumin kaivaminen kuluttaa vettä ennestään kuivilla alueilla Etelä-Amerikassa, erityisesti Argentiinassa ja Chilessä.
• Lisäksi metallien jalostus kuluttaa energiaa. Esimerkiksi yhden nikkelikilon tuotanto aiheuttaa 10–40 hiilidioksidikilogrammaa vastaavat päästöt.
• Ympäristökysymysten päälle tulevat ihmisoikeusongelmat tuotantomaissa. Himotusta koboltista noin 70 prosenttia tulee Kongon Demokraattisesta Tasavallasta – sieltä suurin osa Suomessakin jalostettavasta koboltista louhitaan. Kongon Demokraattisessa Tasavallassa kaivostoimintaan kytkeytyvät karmivat työolot, ihmisoikeuksien polkeminen ja lapsityövoiman käyttäminen epävirallisilla esiintymillä.
• Kongon Demokraattisen tasavallan sijoitus (175/189) YK:n inhimillisen kehityksen indeksissä on esimerkki siitä, ettei kaivostoiminnasta läheskään aina kanavoidu tuloa paikallisen elintason nostamiseksi.
• Arvokkaiden metallien ja niistä valmistettujen tuotteiden kierrätystä tarvitaan yhä enemmän, sillä lähellä maapallon pintaa sijaitsevista, helposti saavutettavista metalliesiintymistä suurin osa on jo hyödynnetty.