Professori Ulla Lassin tutkimusryhmässä Oulun yliopiston Kokkolan yliopistokeskuksessa kehitetään sekä akkukemikaaleja litiumioniakkuihin että katalyyttejä. Ryhmässä etsitään myös valmistusmenetelmiä, jotka voidaan skaalata teolliseen mittakaavaan. Tulevaisuuden lupaava vaihtoehto on painettava akkuteknologia, jossa nykykennojen nestemäinen elektrolyytti korvataan kiinteällä, jauhemaisella aineella, mikä mahdollistaisi akkukennojen painamisen rullalta rullalle -menetelmällä.

Tutkijana Ulla Lassia motivoi yhteistyö teollisuuden kanssa. Kuva: Mikko Törmänen.

Kokkolassa suunnataan kohti tulevaisuuden akkuja

Kokkola on erinomainen paikka tutkia akkukemikaaleja, koska Keski-Pohjanmaan litiumvarannot on arvioitu Euroopan suurimmiksi. Litiumia esiintyy Pohjanmaalla spodumeenimineraalina, ja Geologian tutkimuskeskus on arvioinut litiumvarantojen riittävän 10-15 vuodeksi. Suomalainen Keliber-yritys suunnittelee Kokkolaan litiumkemiantehdasta ja aikoo hyödyntää paikallista litiumia. Professori Ulla Lassilla on paljon tutkimusyhteistyötä paikallisen teollisuuden kanssa.

”Parasta työssäni on juuri teollisuusyhteistyö, joka motivoi ja luo sopivasti painetta onnistumiseen, jotta saamme tutkimuksen hedelmät hyötykäyttöön ja sovelluksiin”, Lassi toteaa innostuneesti.

”Kokkolan ja Suomen mahdollisuudet ovat akkuarvoketjun alkupäässä, raaka-aineissa ja niiden jalostuksessa. Erityisesti litiumin suhteen olen toiveikas, koska litium on varsin tärkeä aine tulevaisuuden akuissa. Menestymisen edellytys on, että olemme entistä enemmän mukana kansainvälisessä teollisessa yhteistyössä ja verkostoissa”, hän jatkaa.

Litiumioniakku on Nobelilla palkittua teknologiaa

Energian varastointiin kehitetyn litiumioniakun kehittäminen nykymuotoiseksi vei vuosikymmeniä ja alkoi jo 1970-luvulla. Kolme keskeistä kehittäjää, John B. Goodenough, Stanley Whittingham ja Akira Yoshino, palkittiin vuoden 2019 kemian Nobel-palkinnolla. Lähes jokainen meistä kantaa mukanaan litiumioniakkua matkapuhelimessa ja tietokoneessa.

Akku sisältää kaksi elektrodia, anodin ja katodin, separaattorin, virrankeräimet sekä elektrolyyttiliuoksen. Akun toiminta perustuu sähkövirtaa synnyttävien elektronien liikkeeseen ja akkukennoissa tapahtuviin sähkökemiallisiin hapetus-pelkistysreaktioihin. Hapettumisessa anodilla vapautuu elektroneja, jotka katodimateriaali ottaa vastaan pelkistymisessä.

Akkujen anodimateriaalina on yleisimmin grafiitti. Ulla Lassin tutkimuksen kohteena ovat katodimateriaalit, jotka ovat litioituja siirtymämetallioksideja, koboltti-, mangaani- ja nikkelioksideja.

Lassin ryhmässä metallioksideja tutkitaan myös muihin sovelluksiin kuten katalyytteihin. Oksideja valmistetaan kerasaostamalla koboltista, mangaanista ja nikkelistä hydroksidia, joka kalsinoidaan oksidiksi.

”Valmistus on aika helppoa peruskemiaa, joka osataan, mutta tutkimuksemme haasteena on muokata metallihydroksidit tai karbonaatit ja edelleen oksidit sellaiseen muotoon, että niiden fysikaaliset ominaisuudet kuten morfologia, partikkelikoko ja tiheys ovat optimaaliset kulloiseenkin sovellukseen”.

Tutkijan haasteena on räätälöidä metallioksidi käyttökohteen mukaan. Akkuun menevä metallioksidi on rakenteeltaan erilaista kuin oksidi katalyytissä.

”Akkujen katodimateriaalilta vaaditaan korkeaa energiatiheyttä ja hyvää stabiilisuutta. Nikkelioksidipartikkeliin pitää saada energiatiheyden kasvattamiseksi mahdollisimman paljon massaa. Lisäksi materiaalia doupataan tai se pinnoitetaan stabiilisuuden ja syklattavuuden parantamiseksi”.

Aktiivista elektrodimateriaalia FESEM-mikroskooppikuvassa. Materiaalin partikkelikoko on 8 mikrometriä. Kuva: Ulla Lassi.

Testausta pussikennoilla

Kokkolan yliopistokeskuksen ja Oulun yliopiston laboratorioissa oksidien ominaisuudet tutkitaan ja sopivuus käyttökohteeseen testataan monin eri tavoin.

”Teemme akkukemikaaleista pieniä pussikennoja, akkukennoja, ja testaamme niitä hallitusti akkuja lataamalla ja purkamalla, mikä mallintaa akun toimintaa ja antaa tietoa käytettävyydestä ja materiaalien kestävyydestä”.

Pieni pussikenno, litiumioniakku, jonka sisällä ovat tarvittavat komponentit, anodi, katodi, separaattori, virrankeräimet ja elektrolyytti. Kuva: Ulla Lassi.

Tutkimuskohteena myös akkukemikaalien valmistaminen teollisessa mittakaavassa

Lassin ryhmässä etsitään myös hyviä, toistettavia teollisia valmistusmenetelmiä, jotka voidaan skaalata suurempaan teolliseen mittakaavaan jatkuvatoimisessa saostusreaktorissa. Muitakin valmistustapoja akkukemikaaleille löytyy, mutta kerasaostus on ainoa teollisen mittakaavan menetelmä.

Lassin ryhmässä valmistettuja litiumakkukemikaaleja on sellaisenaan jo käytetty kaupallisissa litiumioniakuissa mutta etsinnässä ovat myös aivan uudenlaiset, korvaavat materiaalit.

”Tutkimme uudenlaisia kobolttivapaita akkumateriaaleja, jotka voisivat tulla teolliseen tuotantoon lyhyellä aikavälillä. On kuitenkin muistettava, että koboltilla on keskeinen rooli akkukemiassa, ja kobolttivapaat kemiat vaativat myös uudenlaista lämpökäsittelyä ja kemiallista käsittelyä, jotta akkumateriaalin halutut ominaisuudet voidaan säilyttää”.

Täysin uusien akkuteknologioiden kuten natriumioniakkujen tutkimukseen Lassi ei ole ryhtynyt.

”Etsimme ratkaisuja, jotka tukevat tällä hetkellä vahvaa metallinjalostustoimintaa ja litiumkaivostoimintaa Suomessa, ja siksi pitäydymme litiumioniakkujen materiaaleissa. Lisäksi kiertotalouden kautta myös sivutuotteiden hyödyntäminen akkukemikaalien valmistuksessa avaa paljon uutta tutkittavaa ja uusia mahdollisuuksia”, hän perustelee.

Painotekniikka saattaa mullistaa akkukennojen valmistuksen

Ulla Lassi on vastuullisena johtajana mukana myös kahdessa hankkeessa, joissa litiumioniakkujen valmistukseen pyritään soveltamaan Oulun yliopiston painettavan elektroniikan osaamista yhteistyössä muun muassa VTT:n kanssa.

”Tavoitteena on uudentyyppisten akkukennojen valmistaminen siten, että kenno voidaan painaa rullalta rullalle -menetelmällä. Tästä saattaisi tulla uusi kennonvalmistustapa, joka mahdollistaisi ekologisempien ja turvallisempien akkujen valmistuksen”.

Painettava kennoteknologia tekisi tarpeettomaksi nykykennoissa käytetyn haitallisen elektrolyyttiliuoksen, jonka suola voi vapauttaa myrkyllistä vetyfluoridia akkuja kierrätettäessä.

”Pyrkimys on korvata nestemäinen elektrolyytti kiinteällä, jauhemaisella aineella, joka painetaan katodin pinnalle. Toistaiseksi kiinteän elektrolyytin ioninjohtokyky on ollut liian alhainen eikä riitä akkukäyttöön, mutta olemme jo saaneet kansainväliseltä partneriltamme erittäin lupaavan elektrolyyttimateriaalin kokeiltavaksi”.

Painettava akkuteknologia vaikuttaa lupaavalta, ja Lassin tulevaisuusvisioissa teknologiasta saattaisi tulla maahamme aivan uusi teollisuudenala.

”Suomesta voi tulla ehkäpä uuden, painamalla tehtävän akunvalmistusteknologian edelläkävijä”, hän kaavailee.

Metallioksideista kehitetään katalyyttejä vedenpuhdistukseen ja biomassan hyötykäyttöön

Lassin ryhmässä metallioksideja sisältäviä katalyyttejä suunnitellaan sekä vedenkäsittelyyn että biomassan katalyyttiseen hyödyntämiseen.

”Suomessa ei ole vielä teollisia sovelluksia, joissa katalyyttistä märkähapetusta sovelletaan, mutta tulevaisuudessa sille on käyttöä muun muassa mikromuovien ja lääkeainejäämien poistamiseksi vesistä. Tutkimme katalyyttistä vedenkäsittelyä yhteistyössä yrityksien kanssa”.

Ulla Lassi johtaa Oulun yliopistossa Kestävän kemian tutkimusyksikköä ja rakentaa tutkimuksellaan vihreämpää tulevaisuutta, jossa teollisissa prosesseissa, energiantuotannossa ja veden puhdistuksessa käytetään ympäristöystävällisiä ratkaisuja.

”Kemikaalien ja jätteiden haitallisia vaikutuksia ympäristöön ja terveyteen pyritään vähentämään, ja kestävän kemian visiossa kiertotalous on keskeistä”, Lassi määrittelee.