Akkutyyppejä
Perusjako
Akut jaetaan kahteen perusryhmään niissä olevan elektrolyytin mukaan.
- happoakku, joissa elektrodit ovat lyijyä
- lipeäakku, joissa elektrodit ovat nikkeliä, kadmiumia, rautaa tai metallihydridiä.
Elektrodien mukaan
Käyttötarkoituksen mukaan
Nikkeli-kadmiumakku (NiCd)
Nikkeli-
kadmium-akku on keksintönä vanha, se keksittiin alun perin jo vuonna
1899. Waldemar Jungner ja Thomas Alva Edisonakulle saivat patentit
lipeä v.
1901, Jungner tammikuussa Ruotsissassa NiCd-akulle ja Edison helmikuussa
Saksa NiFe-akulle. Avoin Ni-Cd-akku on ollut teollisuuskäytössä keksimisestään lähtien. Suljettu NiCd-akku patentoitiin jo 1930-luvulla (Dassler at al, Ger.Pat. 674,829, 1933). Kuluttajamarkkinoille se tuli vasta 1950-luvulla, kun oivallettiin negatiivisen massan ylimitoituksen vaikutus vedyn kehityksen vähentämiseksi /3/. NiCd-akku on yksi vanhimpia markkinoilla edelleen olevia akkutyyppejä.
Akun positiivinen elektrodi on valmistettu nikkelihydroksidista ja negatiivinen kadmiumista. Nikkelihydroksidin valmistuksessa käytetään jauhemetallurgista 255-tyyppistä nikkelijauhetta.[http://www.incosp.com/products/type_255/] 
Elektrolyyttinä on kaliumhydroksidiliuos eli lipeä. Vaikka uusia akkutekniikoita on viime aikoina kehitetty, ovat myös NiCd-akkujen ominaisuudet kehittyneet. Kapasiteetti on kasvanut ja muisti-ilmiötäkin on saatu vähennettyä.
Nykyään NiCd-akkuja ei saa käyttää kuluttajatuotteissa. Käyttö on sallittu vain teollisuuskäytöissä. Kadmium (Cd) on ympäristölle ja ihmisille erittäin vaarallinen myrkky.
Ominaisuudet
NiCd-akun kestoikä on suuri oikein käytettynä. NiCd-akun virranantokyky on suuri: akkua voidaan kuormittaa yli 10 C:n virralla (eli esim. 1,2 Ah:n akkua 12 A:n virralla) ja hetkellisesti akku kykenee antamaan vielä huomattavan paljon suurempiakin virtapulsseja johtuen sen matalasta sisäisestä resistanssista. Tästä johtuen NiCd-akkuja käytetään paljon virtaa tarvitsevissa työkaluissa, esimerkiksi porakoneissa. Käyttölämpötila-alue on laaja, eli akku antaa virtaa hyvin pakkasellakin, koska elektrolyytti toimii vain virrankuljettimena eikä osallistu reaktioon. Suljettuja NiCd-kennoja valmistetaan erilaisilla tekniikoilla ja ominaisuuksilla erilaisiin käyttötarkoituksiin. Esimerkkinä nappikennot, jotka valmistetaan massatekniikalla ja sylinterimäiset kennot, jotka valmistetaan ns sintraustekniikalla. Sylinterimäisiä kennoja valmistetaan myös suuremmille käyttölämpötiloille (+70°C). NiCd-akku kestää muita akkutyyppejä paremmin väärinkäyttöä, esim. ylilatausta ja syväpurkausta. Se ei kuitenkaan ole arka syväpurkauksille, eikä vahingoitu vaikka se pidetään varaamattomassa tilassa pitkäänkin. Huonona puolena on sintraustekniikalla valmistetun akun ns. muisti-ilmiö: jos akkua ei hoideta oikein, se voi menettää väliaikaisesti suurenkin osan alkuperäisestä kapasiteetistaan.
Lataus ja käyttö
NiCd-akkujen itsepurkaus on suhteellisen suuri, siksi niissä ei ole uutena täyttä kapasiteettia. Ensimmäisellä kerralla sitä pitää ladata pitkään (yleensä 24 h). Täysi kapasiteetti saavutetaan vasta 2-3 lataus- ja purkauskerran jälkeen. Kapasiteetti vähenee käytön ja latauskertojen myötä, mutta NiCd-akku kestää n. 800-1000 varaus-purkausjaksoa.
NiCd-akku kestää pikalatausta (n. 1 h) mikäli lämpötila on välillä 5-45°C. Akku ottaa latausta vastaan alhaisemmissakin lämpötiloissa, mutta kehittää kaasuja, jotka nostavat painetta kennojen sisällä. Tämän vuoksi kylmässä olisi käytettävä hidaslatausta sopivan latausajan ollessa 10 tunnin luokkaa. Kuumemmassa kuin 45°C akku ei ota vastaan latausta täyden kapasiteetin edestä, vaan esim. 60°C:ssa saavutettava varaustaso on enää 50 % nimellisestä kapasiteetista. Myös akun lataaminen kuumemmaksi kuin 45°C alentaa akun ikää.
Kun NiCd-akun napajännite latauksessa kääntyy laskuun, voidaan akun katsoa olevan täyteen varattu. Tällöin sen lämpötila on alkanut nousta, joka aiheuttaa akun SMV:n alenemisen. Hyvälaatuinen latauslaite tunnistaa em. ilmiöt ja lopettaa pikalatauksen siirtyen hitaaseen ylläpitolataukseen. Vaikka NiCd-akku kestääkin ylilatausta, sitä ei kannata pitää pitkiä aikoja ylläpitovarauksessa, vaan akku tulisi mieluummin ottaa käyttöön.
NiCd-akun yksi huono puoli on muisti-ilmiö: mikäli akkua puretaan jatkuvasti samanmääräisesti, eikä pureta välillä tyhjäksi, sen sähkönvarauskyky, kapasiteetti, alenee ko. käytettyyn purkausmäärään. Tämä johtuu akkukennojen elektrodien aktiiviaineen kahden arvoisen oksidin muutoksesta alempiasteiseksi ja sitä kautta materiaalikiteiden muutoksesta alemman energiatason kiderakenteeseen, joka aiheuttaa varauskyvyn pienenemisen. Tämä ilmiö huomattiin ensimmäistä kertaa kun akkuja käytettiin satelliittien akkuina. Satelliitti kiersi maapalloa ja akut purkaantuivat vain osittain satelliitin ollessa maan pimeällä puolella. Kun virtaa sitten oltaisiinkin tarvittu enemmän ei se onnistunutkaan, sillä akut olivat 'oppineet' kuinka tyhjäksi ne yleensä käytetään. Muisti-ilmiö on myös puhelimen käyttäjälle varsin epämiellyttävä tuttavuus, akun kapasiteetti ikään kuin 'häviää' jonnekin. Muisti-ilmiön voi välttää purkamalla akun aika-ajoin kunnolla tyhjäksi (siten että kennojen napajännite laskee 1 V:iin)ja varaamalla akut taas täyteen. Nykyisille NiCd akuille, jotka ovat päivittäisessä käytössä pitäisi riittää yksi kunnon 'tyhjennysharjoitus' kerran kuukaudessa. Jos akkua ei ole hoidettu asianmukaisesti ja se on päässyt huonoon kuntoon, sitä voi elvyttää purkamalla akun pienellä virralla hitaasti hyvin tyhjäksi (U < 0,6 V) ja sen jälkeen lataamalla normaalisti se täyteen. Jos täyttä akkua säilytetään käyttämättä, purkaantuu se itsestään. 24 h:n sisällä akku on menettänyt 10 % varauksestaan ja normaalilämpötilassa itsepurkaus jatkuu sen jälkeen vauhdilla 10 %/kk.
Säilytys
NiCd-akkua voi säilyttää käyttämättä jopa 5 vuoden ajan. Parhaiten akku säilyy kun se puretaan aivan tyhjäksi ja oikosuljetaan navoistaan säilytyksen ajaksi. Jos tätä on mahdotonta toteuttaa, niin akku kannattaa purkaa niin tyhjäksi kuin on mahdollista. Säilytys kuivassa ja viileässä paikassa.
Ympäristöystävällisyys ja hävittäminen
NiCd-akut ovat ympäristölle kaikkein haitallisin akkutyyppi. NiCd-akun sisältämä kadmium on erittäin myrkyllistä jo pieninä pitoisuuksina ja siksi NiCd-akut ovat ongelmajätettä. Ainoa tapa päästä niistä eroon, on viedä ne paristojen- ja akkujenkeräyspisteeseen joita on lasinkeräyspaikkojen yhteydessä. Myös jotkin valokuvaus- ja radioliikkeet ottavat niitä vastaan. NiCd-akuille on olemassa kierrätysmenetelmä jossa niiden sisältämät raaka-aineet otetaan talteen ja ohjataan uudelleenkäyttöön. NiCd-akkujen myrkyllisyyden vuoksi niiden käyttö uusissa laitteissa on kielletty. Nykyään uudet Litium polymeeriakut, joiden purkuvirta voi olla jopa 16 A, pystyvät korvaamaan Ni-Cd akut.
Nikkeli-metallihydridi (Ni-MH)
- Pääartikkeli: Nikkelimetallihydridiakku
1970-luvulla alettiin tehdä tutkimustyötä nikkelimetallihydridi-akkujen kehittämiseksi ja 80-luvun lopulla NiMH-akku oli saatu markkinakelpoiseen kuntoon. NiMH-kennossa positiivisena elektrodina on nikkelihydroksidi ja negatiivisena metallihydridi elektrolyytin ollessa kaliumhydroksidia.
Ominaisuudet
NiMH-akulla on suurempi kapasiteetti, mutta lyhyempi kestoikä verrattuna NiCd-akkuun. Muisti-ilmiö vaivaa tätäkin akkutyyppiä, mutta selvästi vähemmin kuin NiCd akkua. Heikkouksina ovat matala virranantokyky (ei sovellu esim. akkuporakoneisiin) sekä suuri itsepurkaus: akun varauksesta purkautuu itsestään noin 20 % kuukaudessa. Matkapuhelimissa tai tietokoneissa em. huonot puolet eivät ole merkittävästi haitaksi käytön luonteesta johtuen. Pakkasella NiMH-akku ei kykene antamaan yhtä hyvin virtaa kuin NiCd.
Lataus ja käyttö
NiMH kehittää latauksen aikana lämpöä, eikä se pysty ottamaan virtaa vastaan yhtä nopeasti kuin NiCd. Täten lataaminen käy vähän hitaammin, ehdottoman minimilatausajan ollessa 1 h.
NiMH-akun kestoikään vaikuttaa purkukertojen määrä, ja se kuinka tyhjäksi akkua puretaan. Akun käyttöikää voi pidentää merkittävästi siten, että akku ladataan ennen kuin se on kokonaan tyhjentynyt. Muisti-ilmiön eliminoiminen vaatii, että akku tyhjennetään ajoittain kokonaan. NiMH-akun muisti ei ole yhtä vahva kuin NiCd-akuissa, joten riittää kun akku tyhjennetään kunnolla kerran 2-3 kuukaudessa. Lataus pitäisi suorittaa lämpötilassa 10-45°C, sillä kylmemmässä latauksen aikana kennojen sisäinen paine nousee haitallisesti.
Säilytys
Pitkään käyttämättä jäävä NiMH-akku on parasta purkaa mahdollisimman tyhjäksi säilytyksen ajaksi. Säilytyslämpötila ei ole kovin kriittinen.
Ympäristöystävällisyys ja hävittäminen
NiMH-akku on ympäristölle haitallinen akkutyyppi. NiMH sisältää huomattavan määrän nikkeliä joka on jo pieninä määrinä ympäristölle haitallista, siksi NiMH-akut ovat ongelmajätettä. Ainoa tapa päästä niistä eroon, on viedä ne paristojen- ja akkujenkeräyspisteeseen joita on tyypillisesti kierrätyspisteissä ja kauppakeskusten yhteydessä. NiMH-akuille on olemassa Suomessa kierrätysmenetelmä AkkuSer, jossa niiden sisältämät raaka-aineet otetaan talteen ja ohjataan uudelleenkäyttöön.
Litiumioni (Li-ion, LiIon)
Litium on metalleista kevyin, sillä on suurin sähkökemiallinen jännite ja täten suuri energiatiheys. Mutta koska litium on luonnostaan epästabiili, olivat 80-luvulla kehitetyt litiummetallirakenteiset akut hieman vaarallisia, eikä niitä voitu turvallisuussyistä ottaa kaupalliseen käyttöön. Alettiin kehittää stabiilimpaa Litiumioniakkua, joka on turvallinen kunhan lataus, purkaminen ja akun käsittely suoritetaan asiamukaisesti. Ensimmäisenä Li-ion -akun sai markkinoille Sony vuonna 1991. Akun positiivinen elektrodi on valmistettu litiumoksidista ja negatiivinen grafiitista tai muusta hiilipohjaisesta aineesta. Elektrolyyttinä voi olla esim. etyleenikarbonaatti.
Ominaisuudet
Litiumionikennon nimellisjännite on muita akkutyyppejä huomattavasti korkeampi: 3,6 V. Kapasiteettia painoon nähden on kaksin verroin NiCd-akkuun verrattuna. Li-ion -akku kykenee antamaan virtaa paremmin kuin NiMH, ja nykyään Litiumioniakku soveltuu jopa akkuporakonekäyttöön. Pakkasessa Li-ion menettää tehoaan samaan tapaan kuin NiMH. Li-ion -akkuja on ainakin kolmea eri tyyppiä sen mukaan, mistä negatiivinen elektrodi on valmistettu. Ominaisuudet vaihtelevat hieman sen mukaan. Li-ion -akun ikä on rajattu ja akku vanhenee vaikkei sitä käytettäisikään. Li-ion -akun raaka-aineet ovat kriittisiä kosteudelle. Siksi esimerkiksi valmistustehtaan tulee olla ilmatiivis ja ilmankosteuden tulee olla 0%. Koska valmistusvaiheessa akun sisään pääse kuitenkin aina hieman kosteutta, alkaa akku ikääntyä heti tehtaalta lähtiessään. Litiumioniakuilla on saavutettu jopa 20 vuoden käyttöikiä. Tällaiset akut ovat metallikuorisia, jolloin ilmankosteus ei pääse tunkeutumaan akun sisään. Nykyisten kuluttajatuotteiden Li-ion -akut ovat muovikuorisia, jolloin niiden normaali ikä on 1-3 vuotta riippuen siitä kuinka huolellisesti akkua on säilytetty. Hyvin säilytetyt akut kestävät normaalisti 2-3 vuotta. Li-ion -akun itsepurkaus on n. 5 % kuukaudessa. Muista akkutyypeistä poikkeavana hyvänä puolena on, että muisti-ilmiötä Li-ion -akussa ei esiinny ollenkaan. Akun kapasiteetti ei alene, olipa lataus kuinka epäjärjestelmällistä tahansa.
Lataus ja käyttö
Li-ion -akku on herkkä: kennot tulee varustaa turvallisuussyistä kennokohtaisella ylilataussuojalla, sillä Li-ion ei siedä ylilatausta, vaan muuttuu epästabiiliksi kehittäen lämpöä ja painetta. Myöskään akun oikosulkeminen tai purkaminen aivan tyhjäksi (U < 2,5 V) ei ole suositeltavaa. Latausaika on yli 3 tuntia ja akku ei juurikaan lämpene sen aikana. Lataus suoritetaan aluksi suuremmalla virralla ja sen jälkeen kun tietty jännitetaso on saavutettu, virtaa alennetaan siten, että jännite ei enää nouse. Lataus katkaistaan, kun latausvirta on pienentynyt 3 %:iin alkuperäisestä, eikä ylläpitolatausta suoriteta. Useimmissa akuissa on monimutkainen suojapiiri, joka katkaisee sähköisen yhteyden akkuun, jos se havaitsee yli- tai alijännitettä tai liian korkean lämpötilan. Ilman suojapiiriä akun lataaminen ja jopa käyttö on vaarallista räjähdysvaaran vuoksi.
Säilytys
Li-ion -akut tulisi säilyttää varattuina, suositeltavin varaustaso on 70-90 %. Varaustaso ei saa päästä laskemaan niin alhaiseksi, että kennon napajännite putoaa alle 2,5 volttiin 3 kk pidemmäksi ajaksi. Jos niin pääsee käymään, osa akun kapasiteetista on mennyttä lopullisesti. Tällöin akku voi vuotaa ja sen lataaminen voi olla vaarallista. Toisinaan akun syväpurkaantuminen voi vaurioittaa sitä välittömästi. Tästä hyvänä esimerkkinä ovat kannettavien tietokoneiden akut, jotka voivat menettää suurimman osan kapasiteetistaan jo yksittäisen syväpurkautumisen yhteydessä. Syväpurkautumista estämään akussa on yleensä erillinen ohjainpiiri. Piiri ei kuitenkaan suojele akkua mikäli se ensin käytetään tyhjäksi ja tämän jälkeen jätetään lataamatta, jolloin se syväpurkaantuu hyvinkin pian itsestään.
Ympäristöystävällisyys ja hävittäminen
Li-ion -akut ovat ympäristölle haitallinen akkutyyppi. Li-ion sisältää huomattavan määrän raskasmetalleja, jotka ovat jo pieninä määrinä ympäristölle haitallista, siksi akut ovat ongelmajätettä. Ainoa tapa päästä niistä eroon on viedä ne paristojen- ja akkujenkeräyspisteeseen, joita on tyypillisesti kierrätyspisteissä ja kauppakeskusten yhteydessä. Li-ion -akuille on olemassa Suomessa kierrätysmenetelmä AkkuSer, jossa niiden sisältämät raaka-aineet otetaan talteen ja ohjataan uudelleenkäyttöön.
Lyijyakku
Lyijyakku on ensimmäinen kaupalliseen käyttöön tullut akku, ja se on käytössä edelleenkin autoissa ja raskaissa sovelluksissa kuten esimerkiksi trukkien akkuina. Akun elektrodit on valmistettu lyijystä ja elektrolyyttinä on rikkihappoliuos. Ensimmäisen kaupallisen lyijyakun kehitti Plante jo vuonna 1859. Tämän akun levyt, jotka ovat puhdasta lyijyä, muokataan pitkällisellä varaus-purkausprosessilla. Vuonna 1881 Faure kehitti lyijyakkumallin, jossa valettuihin lyijyristikkoihin valssattiin pastamainen aktiiviaine. Tämän akkutyypin lyijyristikoiden lyijy on seostettu antimonilla valamisen helpottamiseksi. Molemmat akkutyypit ovat vieläkin teollisessa valmistuksessa. Ensimmäinen suljettu lyijyhappoakku oli 'lyijyhyytelöakku'. Siinä akkuhappoon on lisätty silikaattia (piitä) ja tuotannossa se on muokattu 'geelimäiseen' olotilaan (SiO2). Toinen sovellutus VRLA-akusta, ns. suljetusta lyijyakusta, on toteutus, jossa happo on imeytetty lasikuitumattoon (AGM). Tavalliseen lyijyakkuun verrattuna erona on VRLA:n suljettu rakenne. Lyijyakkujen energiatiheys on matala, ja se rajaakin käyttömahdollisuuksia. [D.Berndt: Maintenance-Free Batteries, ISBN 0-86389-270-6]
Suljettu VRLA-akku (Valve Regulated Lead Acid)
Ominaisuudet
VRLA-akut soveltuvat käyttöön, jossa akku sijaitsee yleisissä tiloissa (ei erillistä akkuhuonetta). Lyijyakku on suosittu käytöissä, joissa hinta halutaan pitää edullisena, eikä akun paino tai tila ole kriittinen. VRLA:ta käytetään nykyisin esim. UPSeissa, pyörätuoleissa ja hätävalaistuksessa. VRLA-akku voidaan valmistaa erilaisten sähköisten vaatimuksien mukaan, joko ns. putkilevyakkuna tai ristikkolevyakkuna. Ristikkolevyakuissa levyjen etäisyys on pieni, jolloin akun sisäinen vastus on alhainen. Nämä akut valmistetaan yleens AGM-tekniikalla. VRLA-akut soveltuvatkin hyvin paikallisakkukäyttöön, koska niiden itsepurkatuminen on hidasta (5 %/kk) ja sitä voidaan sen kärsimättä pitää ylläpitolatauksella täytenä. Kylmässä VRLA ei anna kovin hyvin virtaa. AGM-akkuja suositaan niiden halvemman hintansa ja paremman virranantokykynsä puolesta lyhyillä purkauksilla verrattuina lyijyhyytelöakkuihin. Lyijyhyytelöakut valmistetaan yleensä putkilevyrakenteisina, jolloin levyjen etäisyys toisistaan on isompi kuin AGM-akuissa. Putkirakenteiset hyytelöakut kestävätkin hyvin pitkäaikaista purkausta. Niiden etuina on pidempi elinikä eli enemmän purkaus-varausjaksoja kuin AGM-akuilla. Nykyisin lyijyhyytelöakkua käytetään enimmäkseen syklisissä käytöissä, kuten pyörätuolit, siivouskoneet ja trukit.
Lataus ja käyttö
Lyijyakkujen latauslaitteiden ominaisuudet on määritelty standardissa DIN 41772..4. Trukkiakkujen yksinkertaisin latauslaite on ns Wa-käyrän mukainen laturi. Siinä latausvirta laskee lineaarisesti akkujännitteen noustessa. Latauslaitteen nimellisvirta määritellään akun nimellisjännitteen (2,0V/k) arvolla. Kaasuuntumisjännitteellä (2,4V/k) virta tulee olla 50% nimellisarvostaan ja loppujännitteellä (2,65V/k) n 25% nimellisarvostaan. W-käyrän mukaisen trukkiakkulaturin koko on 80% akun viiden tunnin purkausvirran arvosta. Paikallisakuille käytetään IU-laturia. Tällöin I kuvaa vakiovirta- (virtarajoitus) ja U-vakiojännitevaihetta. Tyhjään tai vajaaseen akkuun latauslaite varaa nimellisvirtaa. Kun akun varaustila nousee nousee samalla akun napajännite ja lataus siirtyy vakiojänitevaiheesen. Tyhjän akun varaamiseen 80-85 % kapasiteetin menee noin 5-8 tuntia ja täyteen varaukseen 24 tuntia. VRLA sietää rajoitettua pikalatausta kunhan akun kennojännite ei pääse nousemaan yli 2,4V. VRLA-akkuja ei saisi koskaan ladata normaalilla auton akkulaturilla, joka on tarkoitettu avoimille lyijyakuille. AGM-akkua ei saa purkaa alle 1,50 V per kenno jännitteeseen, vaan se olisi syytä ladata aiemmin. Akun kestoikä on 50-400 sykliä, riippuen purkamisten syvyydestä ja ympäristöolosuhteista.
Säilytys
Lyijyakut tulee säilyttää aina täyteen varattuina viileässä paikassa. Tyhjäksi puretun akun levyt ovat lyijysulfaattia, joka on hyvä eriste. Normaalisti sulfaatin seassa on johtavia lyijy-tai lyijydioksidikiteitä. Pidempään säilytettynä sulfaattikiteet kuitenkin järjestäytyvät isoiksi rakeiksi. Tässä tilanteessa virta ei enää kulkeudu sulfaattiin ja akku ei enää ota latausta vastaan (sulfatoituminen). Tyhjä akku voi myös jäätyä pakkasella, koska puretun lyijyakun elektrolyytti on lähes vettä.
Ympäristöystävällisyys ja hävittäminen
Lyijyhyytelöakun sisältämä lyijy on myrkyllistä ja haitallista ympäristölle. Lyijyakut tulee toimittaa ongelmajätteidenkeräyspisteeseen josta ne päätyvät raaka-aineiden kierrätykseen.
Lähteet
- G.W.Vinal: Storage Batteries, ISBN 471 908169
- Hans Bode: Lead-Acid Batteries, ISBN 0-471-09455-7
- Falk - Salkind: Alkaline Storage batteries, SBN 471-253626
- C.Vincent: Modern batteries, ISBN 0-7131-3469-0
- D. Lindholm: Batteries & Fuel cells, ISBN 0-07-037874-6
- E. Witte: Blei- und stahlakkumulatoren, ISBN 3-18-419039-0
- Varta AG: Sealed NiCd-batteries, ISBN 3-18-419071-4
Vanhaa kirjallisuutta
- Dr Strasser: Aus der Physik und Chemie des Bleiaccumulators (1912)
- Max Roloff: Der Elektrische Akkumulator (1914)
- W. Turunen: Akkumulaattorit (1913)
Katso myös
Akkumulator (elektrisk)
Akkumulator
Accumulateur électrique
)
