Mitä VTT:n tulokset kertovat Donut Labin ihmeakusta?

Suomalaistaustainen teknologiayhtiö Donut Lab lanseerasi tammikuun alussa CES-messuilla uudenlaisen ihmeakun, joka yhtiön mukaan ratkaiseen sähköautoalan suurimman ongelman eli akkuteknologian pullonkaulat.

Yhtiö lupaa akulle lähes käsittämättömät ominaisuudet. Siinä on viiden minuutin latausaika nollasta sataan prosenttiin ja häkellyttävä 100 000 lataussyklin elinikä. Vertailun vuoksi: tavallinen sähköauton akku kestää 1 500–2 000 sykliä ennen merkittävää rappeutumista.

Donut Lab ei ole tähän mennessä julkaissut yhtäkään vertaisarvioitua tutkimusta teknologiastaan. Yhtiö vetoaa patenttihakemuksiin syynä siihen, miksei yksityiskohtia voi paljastaa.

Donut Lab ilmoitti vihdoin perjantaina tiedotteessaan, että se haluaa VTT:n tutkimusten kautta tarjota lisätietoa lupaamistaan ominaisuuksista.

VTT on nyt julkaissut asiakasraportin, jossa se testasi Donut Labin valmistaman kiinteän elektrolyytin akkukennon lataussuorituskykyä. Testin tilaaja oli Donut Lab itse, mutta testit suoritettiin VTT:n laboratoriossa Espoossa riippumattomasti ja VTT:n omilla mittalaitteilla.

VTT ei ottanut raportissa kantaa siihen, onko testattu kenno todella kiinteän elektrolyytin akku. Raportti toteaa johdonmukaisesti, että asiakas on ”tunnistanut” eli nimennyt kennon solid-state-akuksi. VTT testasi laitteen lataussuorituskyvyn, ei sen kemiaa tai rakennetta.

Testatun kennon nimelliskapasiteetti oli 26 ampeerituntia ja nimellisenergia 94 wattituntia. Nimellisjännite oli 3,6 volttia. Kapasiteetti vastaa kokoluokaltaan yhtä sähköauton akkumoduulin kennoa.

Latausnopeudet ilmoitetaan C-arvolla, jossa 1C tarkoittaa akun latautumista tyhjästä täyteen tunnissa. Mitä korkeampi C-arvo, sitä nopeampi lataus. Testattava kenno ladattiin kahdella eri nopeudella. Ensimmäinen lataus tehtiin 5C-nopeudella eli 130 ampeerin virralla, jolloin akku saa teoriassa täyden latauksen viidessä osassa nimellisajasta. Toinen lataus tehtiin 11C-nopeudella eli 286 ampeerin virralla.

Sähköautojen nopea pikalataus on tyypillisesti 1–3C-luokkaa, joten molemmat testinopeudet ovat huomattavasti tavanomaista pikalatausta rajumpia.

Kummallakin nopeudella lataus tehtiin kahdella eri jäähdytysjärjestelyllä. Ensimmäisessä kenno asetettiin kahden jäähdytyselementin väliin, jolloin lämpö poistui akun molemmilta puolilta. Toisessa kenno asetettiin yhden elementin päälle, mikä vastaa yksinkertaisempaa todellisen käytön tilannetta.

Täyteen latautuminen seitsemässä minuutissa

5C-nopeudella akku latautui nollasta 80 prosenttiin hieman alle kymmenessä minuutissa. Täyteen latautumiseen meni 12–13,5 minuuttia riippuen jäähdytystavasta. Latauksen jälkeen purettu kapasiteetti vastasi täsmälleen ladattua kapasiteettia. Kenno pystyi siis käyttämään kaiken varastoimansa energian.

11C-nopeudella tulokset olivat odotetusti vielä nopeammat. Nollasta 80 prosenttiin latautuminen kesti parhaimmillaan noin neljä ja puoli minuuttia. Täyteen lataaminen vei runsaat seitsemän minuuttia.

Purkutestissä kapasiteetista saatiin käyttöön 98,4–99,6 prosenttia. Pieni häviö on nopealle lataukselle tyypillinen, koska osa energiasta muuttuu lämmöksi kennon sisällä.

Pelkästään latausnopeutta tarkasteltuna tulokset ovat vaikuttavia. Alle viidessä minuutissa 80 prosenttiin latautuva kenno olisi sähköautosovelluksessa mullistava, sillä se vastaisi ajallisesti tavanomaista bensiinin tankkaamista.

Nopeassa latauksessa lämpötila nousee

Nopean latauksen varjopuoli näkyi lämpötiloissa. 5C-latauksessa kahden jäähdytyselementin välissä kennon pintalämpötila nousi korkeimmillaan 47 asteeseen, mikä on vielä hallittava taso. Yhdellä jäähdytyselementillä lämpötila nousi 61,5 asteeseen.

11C-latauksessa erot kärjistyivät. Kaksipuolisella jäähdytyksellä huippulämpötila oli 63 astetta. Yksipuolisella jäähdytyksellä ensimmäinen testiyritys jouduttiin keskeyttämään, kun kennon pintalämpötila saavutti 90 asteen turvarajan. Kenno kiinnitettiin sen jälkeen tiukemmin jäähdytyselementtiin lämmönsiirron parantamiseksi, ja uusintayrityksessä huippulämpötila oli 89 astetta.

Käytännössä tämä tarkoittaa, että 11C-lataus vaatii erittäin tehokasta lämpöhallintaa. Jos jäähdytys ei toimi optimaalisesti, kenno osuu turvarajoihin.

Todellisessa sähköautosovelluksessa jäähdytysjärjestelmän suunnittelusta tulisi kriittinen tekijä, ja sen merkitys korostuu entisestään kuumissa ilmasto-olosuhteissa.

Kenno ei kuitenkaan vaurioitunut yhdessäkään testissä, ei edes 90 asteen lämpötilassa. Tämä viittaa siihen, ettei kiinteän elektrolyytin akussa synny vastaavia turvallisuusriskejä kuin perinteisissä nestemäistä elektrolyyttiä käyttävissä litiumioniakuissa, joissa korkea lämpötila voi johtaa termiseen karkaamiseen.

Mitä testi ei kerro?

Raportin tuloksia lukiessa on syytä pitää mielessä, mitä VTT ei testannut. Testi koski yksinomaan lataussuorituskykyä eli sitä, kuinka nopeasti kenno vastaanottaa energiaa ja kuinka paljon siitä on latauksen jälkeen käytettävissä.

VTT ei testannut kennon kestävyyttä. Raportti ei kerro, kuinka monta lataussykliä kenno kestää ennen kuin sen kapasiteetti alkaa heiketä. Tämä on sähköauton akkuteknologiassa ratkaiseva kysymys, koska auton on kestettävä tuhansia latauksia elinkaarensa aikana.

Kaikki testit tehtiin samalla yhdellä kennolla, joten tilastollista varmuutta tulosten toistettavuudesta ei ole.

Kennojen energiatiheyttä eli sitä, kuinka paljon energiaa niissä on suhteessa painoon tai tilavuuteen, ei myöskään mitattu. Energiatiheys on sähköautoissa keskeinen ominaisuus, koska se määrittää ajomatkan yhdellä latauksella.

Kiinteän elektrolyytin akuille on luvattu perinteisiä litiumioniakkuja parempaa energiatiheyttä, mutta tämä testi ei anna siitä näyttöä suuntaan eikä toiseen.

Turvallisuustestausta, kylmäolosuhdetestejä tai pitkäaikaista ikääntymisseurantaa raportti ei sisällä. Myöskään kennon hintaa tai valmistuskustannuksia ei käsitellä.

Eikä VTT siis vahvistanut, että kyseessä on kiinteän elektrolyytin akku. Raportti kuvaa testattua laitetta neutraalisti ”asiakkaan toimittamaksi energiavarastolaitteeksi”. Donut Labin oma väite solid-state-akusta jää siis kolmannen osapuolen todentamatta.

Lupaava alku, paljon avoimia kysymyksiä

VTT:n raportti on suppea mutta merkityksellinen. Se osoittaa, että Donut Labin kenno kestää erittäin nopeaa latausta ilman merkittävää kapasiteettihäviötä ja ilman vaurioita. Tulos on riippumattomasti todennettu, mikä erottaa sen monista akkuteknologian markkinointilupauksia.

Samalla raportti rajautuu tiukasti yhteen ominaisuuteen. Se ei vastaa kysymyksiin kestävyydestä, energiatiheydestä tai valmistettavuudesta, jotka ratkaisevat, onko teknologialla kaupallista potentiaalia.

Nopea lataus on arvoton ominaisuus, jos akku menettää kapasiteettinsa muutaman sadan syklin jälkeen.

Seuraava askel olisi luonnollisesti syklinkestävyystesti, jossa selvitettäisiin, säilyvätkö nämä latausominaisuudet satojen tai tuhansien latausten jälkeen.

Vaikka testiolosuhteet eivät simuloineet suoraan kennon käyttäytymistä akkupaketissa, mittaus osoittaa Donut Batteryn edut myös osana kokonaisuutta, Donut Lab väittää tiedotteessaan.

Yhtiön mukaan akkukenno ei vaadi erityistä puristusvoimaa ja toimii hyvin passiivisella jäähdytyksellä, mikä yksinkertaistaa akkupaketin arkkitehtuuria.

“Toisin kuin muut solid-state-akut, jotka vaativat suurta puristuspainetta ja kärsivät jopa 15–20 % tilavuuden muutoksista lataussyklien aikana, Donut Battery ei vaadi erityistä puristusta eikä laajempaa jäähdytystä. Tämä yksinkertaistaa merkittävästi akkupakettien rakennetta ja mahdollistaa kustannustehokkaan, suorituskykyisen ja energia- sekä tehotiheydeltään perinteiset litiumioniakut ylittävän ratkaisun”, kertoo Donut Labin teknologiajohtaja Ville Piippo.