”Virtausakku on lupaava teknologia varastoida tuuli- ja aurinkoenergiaa. Se tarvitsee kuitenkin toimiakseen vanadiinia, joka on harvinaista ja liian kallista. Etsimme sitä korvaavaa materiaalia, jota olisi edullista valmistaa. Testausvaiheeseen on edennyt parikymmentä lupaavaa molekyyliä, ja yksi keksintöilmoitus on tehty”, FlowXAI-hankkeen vetäjä Pekka Peljo kertoo.

Materiaalitekniikan apulaisprofessori Pekka Peljon tutkimusryhmä on erikoistunut uusien akkumateriaalien testaukseen ja kehitykseen.

Peljo työskentelee Turun yliopistossa materiaalitekniikan apulaisprofessorina. Tutkimushankkeessa ovat mukana myös fysikaalisen kemian professori Kari Laasosen ryhmä Aalto-yliopistosta ja kemian professori Petri Pihkon ryhmä Jyväskylän yliopistosta. Hanke on saanut Euroopan Unionin RRF-elpymisvälinerahoitustyökalusta, joka on jaettu Suomen Akatemian kautta.

Tekoälytyökalujen kehittäminen ja hyödyntäminen on hankkeessa keskeisessä roolissa. Uusia materiaaleja on perinteisesti kehitetty siten, että tutkijalla on joku idea, jota ruvetaan käytännössä testaamaan.

”Se on hidasta ja kallista, sillä on miljoonia tapoja yhdistää molekyylejä, joukko on käytännössä lähes ääretön. Opetamme koneoppimisen keinoin tietokonetta seulomaan esiin jatkotutkimusta varten ne molekyylit, joilla on haluamiamme ominaisuuksia. Näin prosessi nopeutuu huomattavasti.”

Pekka Peljo ja yliopistolehtori Ulriika Mattinen demonstroivat virtausakkujen toimintaa Shift-messuilla Turussa kesällä 2022.

Redoxpotentiaali selville ”yllättävän hyvin”

Vanadiini on alkuaine, metalli, mutta sitä esiintyy luonnossa mineraaleina liian vähän, jotta laajamittainen käyttö uusiutuvaa energiaa varastoivissa akuissa olisi taloudellisesti järkevää. Vanadiiniin perustuvia virtausakkuja kutsutaan redox-vanadiiniakuiksi, koska energian varaaminen ja purkaminen perustuu niissä vanadiinin hapetus-pelkistysreaktioon.

Pelkistysmispotentiaali eli redoxpotentiaali on pysyvä ominaisuus molekyyleissä. Suure kertoo kunkin molekyylin potentiaalin pelkistyä eli ottaa vastaan elektroneja. Tekoälyä on koulittu Peljon aiemmissa yhteistyöhankkeissa löytämään redoxpotentiaaliltaan virtausakun tarpeisiin sopivia molekyylejä. Kehitystyö jatkuu FlowXAI-hankkeessa.

”Molekyylin redoxpotentiaali kertoo käytännössä, mikä akun kennojännite voisi olla, jos sitä käytettäisiin. Meillä oli hankkeen alkaessa tiedossa aikaisemman tutkimusprojektimme ansiosta, että redoxpotentiaali voidaan arvioida helposti ja tarkasti laskennallisilla työkaluilla. Yhteistyökumppanimme Imre Papai ryhmineen Unkarin Luonnontieteiden tutkimuskeskuksesta laski aiemmassa projektissamme redoxpotentiaalit melkein 20 000 molekyylille”, Peljo kertoo.

Tästä jatkettiin ja dataa käytettiin olemassa olevien tekoälymallien opettamiseen. Tulokset ovat parempia kuin uskallettiin toivoa.

”Tekoäly oppi jopa yllättävän hyvin arvioimaan molekyyleistä redoxpotentiaalin. Se osoittaa, että meillä oli riittävästi oikeanlaista dataa opettaa sitä.” 

Virtausakkujen jännitettä mitataan akkutesterin avulla.

Lisää dataa tarvitaan

Vanadiini on virtausakuissa liuoksena erittäin stabiili eli siinä ei tapahdu sivureaktioita. Siksi redox-vanadiiniakut ovat hyvin vakaita ja stabiileja.

”Ne voivat toimia erittäin pitkään, jopa parikymmentä vuotta. Haasteena onkin löytää yhtä stabiileja korvaavia, mutta halvempia vaihtoehtoja.”

Tutkijat ovat yrittäneet opettaa tekoälylle myös molekyylin stabiilisuuden arviointia. Se on osoittautunut vaikeaksi. ”Ongelmana on, ettei sopivaa dataa ole vielä kertynyt tarpeeksi hyvien tekoälymallien kouluttamiseksi.”

Peljolla on tähän ratkaisu: ”Datan keruuta pitää ryhtyä nopeuttamaan automatisoimalla mittauksia, ja näitä menetelmiä kehitämme nyt FlowXAI projektissa. Näin saamme lisää tarvitsemaamme dataa.” 

Uutta materiaalia valmistetaan eli syntetisoidaan Turun yliopiston materiaalitekniikan yksikössä.

Tekoälytyökalu myös valmistusmenetelmien arviointiin

Jos ja kun virtausakun vaatimukset täyttävä uusi molekyyli on löytynyt, on vielä keksittävä, miten tätä kemikaalia kannattaa valmistaa.

”Sekään ei ole ihan yksinkertaista, vaan iso askel. Kehitämme tähänkin tekoälytyökalua. Se opastaisi, mitä menetelmiä valmistuksessa kannattaa käyttää ja mitä ei, eli se nopeuttaisi molekyylisynteesiä.”

Molekyylejä on pyritty luokittelemaan rakenteiden perusteella ryhmiin. Näitä ryhmiä on testattu kokeellisesti FlowXAI-projektissa ja luotu karttaa siitä, missä ryhmissä halutut reaktiot toimivat ja missä eivät.

”Meillä on alustavia tuloksia siitä, että tästä olisi hyötyä. Haasteena on, että kyse on monimutkaisista ilmiöistä, joihin vaikuttavat monet eri parametrit. Siksi edustavan datajoukon saaminen on tässäkin vaikeaa.”

Kolmen vuoden rahoitus EU:lta

Laasosen ryhmä vastaa laskennallisesta tutkimuksesta, Pihkon ryhmä valmistaa jatkoon hyväksytyistä molekyyleistä materiaaleja, jotka tulevat lopuksi Peljon ryhmän testattaviksi.

Litium-akkujen hinta on tällä hetkellä noin 150 euroa per kilowattitunti, kun vanadiiniakku kustantaa jopa 400 euroa per kilowattitunti. Pekka Peljo toteaa, että vanadiinin korvaajan ei tarvitse olla ihan yhtä halpaa kuin litiumin, kunhan akulle saadaan riittävän korkea elinikä.

”Virtausakut sopivat erityisesti tuuli- ja aurinkoenergiapuistojen kylkeen taltioimaan päivittäisiä energiapiikkejä. Olennaista on löytää riittävän kestävä materiaali. Orgaanisten materiaalien haasteena valitettavasti on, että ne ovat harvoin kestäviä, siis riittävän stabiileja.”

Virtausakun elektrolyyttisäiliöt vaihtavat väriä, kun akku purkautuu tai latautuu

Teksti: Ulla Willberg

Kuvat: Mikael Nyberg, Mostphotos

Tutkimushankkeelle on myönnetty Euroopan unionin elpymisvälinerahoitusta (NextGenerationEU) Suomen Akatemian kautta projektinumerolla 348326.