Litiumioniakut ovat aluksi kalliimpia, mutta niiden käyttöikä on kaksi tai kolme kertaa pidempi kuin lyijyakkuilla, eikä niiden huolto tai puhdistus aiheuta kustannuksia – lisäksi ne latautuvat paljon nopeammin ja niissä on Bluetooth-yhteys, joten tiedät aina tarkalleen, kuinka paljon akkua on jäljellä.
Anodimateriaalit ovat ratkaisevassa asemassa akun suorituskyvyn kannalta. Grafiitti valitaan usein tähän tarkoitukseen, koska sen interkalaatiojännite on alhainen ja sen syklikkyysominaisuudet ovat erinomaiset.
Materiaalit
Anodi ja katodi ovat litiumakun keskeisiä osia, sillä kumpikin niistä luovuttaa elektroneja hapettumisen aikana, kun taas toinen toimii anodina, joka ottaa elektroneja vastaan pelkistyksen aikana. Niiden materiaalit määräävät sekä akun jännitteen että kapasiteetin.
Akkujen elektrodeissa käytetään erilaisia materiaaleja, joista jokaisella on omat etunsa ja haittansa. Vaikka jotkut materiaalit saattavat olla kalliimpia, on tärkeää muistaa, että pelkästään raaka-aineiden hinta ei määrää akun kustannuksia; muita tärkeitä tekijöitä ovat turvallisuusnäkökohdat, valmistuskustannusarviot ja ympäristöasiat.
Tällä hetkellä useimmissa kaupallisissa litiumakkuissa käytetään anodina ja katodina materiaaleja, jotka koostuvat ensimmäisen rivin siirtymämetalleja sisältävistä oksideista ja fosfaateista. Vaikka tällaisilla kevyillä materiaaleilla on suuri ominaiskapasiteetti ja energiatiheys, niiden litiumionien varastointiprosessiin liittyy omat haasteensa; esimerkiksi grafiittianodit varastoivat litiumia interkaloitumalla 2D-hiiliverkosta koostuvan massagrafiitin kerrosten väliin; tämä aiheuttaa kuitenkin fyysisen tilavuuden laajenemisen lataus- ja purkausjaksojen aikana, mikä johtaa suorituskyvyn heikkenemiseen tai jopa kennon toimintahäiriöihin ajan myötä.
Tutkijat tutkivat erilaisia seosmateriaaleja anodeiksi tämän ongelman lieventämiseksi. Piin, germaniumin ja antimonin kaltaiset materiaalit reagoivat litiumionien kanssa muodostaen seoksia, jotka varastoivat huomattavasti enemmän litiumia kuin grafiitti; dendriittejä muodostavat materiaalit kokevat myös huomattavaa tilavuuden laajenemista latauksen ja purkamisen aikana, mutta ne aiheuttavat tyypillisesti vähemmän rasitusta elektrodeille, mikä auttaa vähentämään kulumista ja pidentämään akun käyttöikää.
Nämä materiaalit jauhetaan yleensä hienoksi jauheeksi ja sekoitetaan sideaineiden ja liuottimien kanssa elektrodisuspensioksi, jonka jälkeen ne levitetään metallifolioille, kuten alumiinifoliolle (anodi) ja kuparifoliolle (katodi). Sen jälkeen ne kuivataan uunissa pinnoitteen kiinnittämiseksi ja liuottimien jäännösten poistamiseksi, minkä jälkeen ne ovat valmiita käytettäväksi akuissa.
Lataus-/purkausjaksot
Litiumioniakut tuottavat energiaa moniin arkielämämme osa-alueisiin – kannettavista tietokoneista ja matkapuhelimista sähköautoihin ja koteihin. Niiden suosio on kasvanut räjähdysmäisesti niiden korkean energiatiheyden, keveyden, pitkien latausjaksojen ja turvallisen toiminnan ansiosta laajalla lämpötila-alueella. Litiumioniakkuilla on kuitenkin rajallinen käyttöikä; jossain vaiheessa niiden varastointikapasiteetti voi heikentyä kokonaan ja johtaa akun tyhjenemiseen – niiden käyttöaika riippuu tekijöistä kuten lämpötilasta, purkautumissyvyydestä sekä lataus- ja purkausjaksojen tiheydestä, ja lopulta akku tyhjenee kokonaan.
Litiumioniakut eroavat merkittävästi perinteisistä lyijyakkuista siinä, että ne eivät sisällä syttyviä tai myrkyllisiä aineita ja että ne on suljettu ei-vesipitoiseen elektrolyyttiliuokseen, joka koostuu orgaanisista karbonaateista, kuten etyleeni- ja propeenikarbonaateista, jotka sitovat litiumioneja anodeihinsa ja katodeihinsa (jotka molemmat on valmistettu grafiittimateriaalista sähköenergian tehokasta varastointia varten).
Kun litiumioniakkuja ladataan, niiden virta kasvaa nopeasti, kunnes saavutetaan jänniteraja, joka osoittaa akun olevan täyteen ladattu. Kun tämä tapahtuu, virran voimakkuus alkaa laskea 3 prosenttiin nimellisarvostaan, ja lopulta saavutetaan kyllästysvaihe, joka käynnistää itsestään purkautumisen.
Syvemmät purkaukset lyhentävät akun käyttöikää, kun taas matalammat purkaukset pidentävät sitä. Lisäksi akun huolto vaikuttaa sen käyttöikään: optimaaliset purkaussyvyystasot (DoD), käyttölämpötilat ja C-arvot voivat pidentää akun käyttöikää merkittävästi.
Litiumioniakkujen jänniteraja on tyypillisesti 4,20 V/kenno, minkä vuoksi ne soveltuvat kuluttajalaitteisiin, kuten matkapuhelimiin ja digitaalikameroihin. Teollisissa sovelluksissa, kuten satelliiteissa ja sähköajoneuvoissa, käytetään usein matalampia jänniterajoja, jotta käyttöaika voidaan pidentää. Lisäksi monissa litiumioniakuissa on suojapiirejä, jotka estävät jännitteen nousemisen asetetun rajan yli.
Litiumioniakun jännitteen pitäminen ihanteellista korkeammalla rasittaa sen kennoja ja lyhentää sen käyttöikää, mikä lisää näihin elintärkeisiin resursseihin kohdistuvaa rasitusta. Näiden herkän akkujen rasituksen minimoimiseksi akku kannattaa tyhjentää säännöllisesti noin 50% kapasiteettiin asti ja ladata sen jälkeen hitaasti täyteen, mikä vähentää kennoihin kohdistuvaa rasitusta ja pidentää niiden käyttöikää.
Turvallisuus
Litiumioniakut toimivat voimanlähteenä lukuisissa kuluttajaelektroniikkalaitteissa ja sähköajoneuvoissa, mutta vikaantuessaan ne voivat myös aiheuttaa tulipaloja. Tulipalot johtuvat elektrolyytissä olevan litiumin aiheuttamista sisäisistä itselämpenemisreaktioista, jotka johtavat lämpökarkailuun ja voivat ajan mittaan heikentää akkua, ylikuumentaa sen tai jopa saada sen räjähtämään. Tällaisten reaktioiden vakavuus riippuu akun koosta, rakenteesta ja kemiallisesta koostumuksesta – samoin kuin niistä mahdollisesti aiheutuvat räjähdykset.
Litiumioniakkujen vikaantumisaste on laskenut ajan myötä, mutta ne ovat edelleen alttiita tulipaloille. Vaurioita voi aiheutua huolimattomasta käsittelystä, virheellisistä latausmenetelmistä tai pitkäaikaisesta altistumisesta korkeille lämpötiloille; myös valmistusvirheet vaikuttavat rakenteelliseen heikkenemiseen ja sisäisiin oikosulkuongelmiin, jotka voivat aiheuttaa tulipalon.
Akkupalot suljetuissa tiloissa, kuten lentokoneessa, sukellusveneessä tai laivassa, voivat olla erityisen tuhoisia; itse asiassa jotkut pahimmista tapauksista ovat tapahtuneet juuri tällaisissa olosuhteissa, kuten UPS:n rahtilentokoneen onnettomuus, joka johtui litiumioni-apuakun itsestään syttymisestä koneen sisällä.
Nykyaikaiset litiumioniakut ovat ehkä vähentäneet palovaaroja merkittävästi, mutta niiden turvaominaisuudet eivät pysty estämään kaikkia lämpökarkailutapauksia. Yksi 200 000:sta akkukennojen viasta voi aiheuttaa mikroskooppisten metallihiukkasten kosketuksen, mikä johtaa nopeaan hajoamiseen, jota mikään turvakytkin ei pysty pysäyttämään sen aktivoituessa.
Litiumioniakkujen lataamiseen liittyvien riskien vähentämiseksi kuluttajien tulisi käyttää ainoastaan litiumioniakkujen turvalliseen lataamiseen erityisesti suunniteltuja latureita ja noudattaa kaikkia valmistajan antamia käyttö-, säilytys- ja hävittämisohjeita. Asiakkaiden tulisi lopettaa sellaisten laitteiden ja akkujen käyttö, joista lähtee epätavallista hajua, jotka kuumenevat liikaa, muuttavat muotoaan äkillisesti, vuotavat, savuttavat tai joissa ilmenee muita toimintahäiriön oireita. Katso uusi yleishyödyllinen tiedotteemme ja opi, miten voit huolehtia akkujen turvallisuudesta! Videossa esitellään New Yorkissa tapahtunut sähköpyörän tulipalo, jonka aiheutti ylikuumentunut litiumakku. Lisätietoja ja turvallisuusvinkkejä löytyy NFPA:n sähköpyörien ja -skootterien akkujen turvallisuutta käsittelevältä verkkosivulta, josta löytyy myös valmiita lehdistötiedotteita paikallisille tiedotusvälineille tietoisuuden lisäämiseksi.
Sovellukset
Litiumioniakut ovat nopeasti nousseet välttämättömäksi osaksi nykyaikaisia elektroniikkalaitteita, kannettavista tietokoneista ja matkapuhelimista hybridi- ja sähköautoihin. Nämä kevyet akut eivät ole vain kätevämpiä, vaan ne tarjoavat myös suuremman energiatiheyden – eli suuremman sähkövarauksen määrän litiumgrammaa kohti.
Litiumioniakkujen suorituskyky perustuu elektrolyyttiliuokseen, joka koostuu liuottimista, lisäaineista ja suoloista ja joka toimii välittäjänä litiumionien liikkuessa anodi- ja katodielektrodien välillä. Elektrodien välissä oleva huokoinen muovierotin toimii lisäesteenä, joka estää litiumioneja törmäämästä suoraan toisiinsa purkautumisen tai latautumisen aikana, mikä voisi aiheuttaa akun oikosulun ja lyhentää tarpeettomasti purkautumis- ja latausjaksoja.
Grafiittia on pitkään pidetty litiumioniakkujen ensisijaisena anodimateriaalina sen alhaisen interkalaatiojännitteen ansiosta, mikä lisää kapasiteettia ja parantaa syklivakautta. Tutkimusta jatketaan kuitenkin edelleen, jotta löydettäisiin entistä kestävämpiä materiaaleja, jotka pystyvät varastoimaan enemmän energiaa.
Näitä akkuja käytetään usein varmistamaan, että kriittiset laitteet, kuten hälytysjärjestelmät tai valvontakamerat, voivat jatkaa toimintaansa tarvittaessa. Tarjoamalla välitöntä virtaa tarvittaessa nämä akut poistavat kiinteiden virtalähteiden tarpeen ja varmistavat, että laitteilla on aina virtaa tarvittaessa.
Litiumioniakkuja voidaan käyttää myös liikkumista helpottavien apuvälineiden, kuten pyörätuolien ja skootterien, virtalähteenä. Koska näiden apuvälineiden on toimittava pitkään, niiden akkujen on kestettävä pitkään yhdellä latauksella. Luotettava toimittaja myy ainoastaan litiumioniakkuja, jotka on testattu perusteellisesti turvallisuuden, kestävyyden ja käyttöiän suhteen.
Litiumakut voivat toimittaa virtaa monille elektronisille laitteille ja järjestelmille, kuten hätävaloille ja lääkinnällisille laitteille. Litiumakut ovat erityisen hyödyllisiä syrjäisillä tai väliaikaisilla paikoilla, joissa kiinteiden virtalähteiden käyttö voi olla haastavaa tai mahdotonta; lisäksi ne kestävät paremmin korkeita lämpötiloja kuin lyijyakut ja niiden käyttöikä on pidempi.