Akku
Akku (alun perin akkumulaattori < "kasata") on laite, joka varastoi sähköenergiaa sähkökemiallisessa muodossa. Ladattaessa akku muuttaa sähköenergian kemialliseksi energiaksi ja purettaessa takaisin sähköenergiaksi. Sanalla akku tarkoitetaan yleisesti sekundääriparistoa, jossa purkauksen aikana tapahtuu ensiksikin primäärireaktio, jossa sähköenergia vapautuu. Sen lisäksi tapahtuu sekundäärireaktio, jossa purkauksessa vapautuneet yhdisteet sitoutuvat kemiallisesti akkuun. Näin reaktiot ovat myös käänteisiä, eli akku voidaan jälleenvarata. Paristoissa sen sijaan tapahtuu vain primäärireaktio ja reaktiotuotteet sitoutuvat esimerkiksi imeytymällä kennon materiaaleihin. Näin ollen reaktiot eivät ole kahdensuuntaisia. Paristoja sanotaan myös primäärikennoiksi. Akku-sanaa voidaan käyttää myös energian säilömisestä paineeseen esimerkiksi paineakkuun tai muulla tavalla, esimerkiksi vauhtipyörään.
Kemiallisessa sähköparissa jännitesarjan mukaan vähemmän jalo metalli syöpyy liuokseen jalomman pelkistyessä levylle. Esimerkiksi tyhjän lyijyakun molemmat lyijylevyt ovat peittyneet lyijysulfaatilla ja ladattaessa akun positiivinen napa hapettuu lyijyoksidiksi ja negatiivinen napa pelkistyy lyijymetalliksi.
Gaston Planté kehitti vuonna 1859 lyijyakun kahdesta lyijykelmusta, jotka oli eristetty kumisuikaleilla ja upotettu 10-prosenttiseen rikkihappoon.
Akut voidaan jakaa perinteisiin akkuihin ja litiumakkuihin. Perinteiset akut jaetaan kahteen perusryhmään niissä olevan elektrolyytin mukaan:
Kaikki akut voidaan jaotella elektrodien tai käyttötarkoituksen mukaan:
Nikkelikadmiumakku keksittiin alun perin jo vuonna 1899. Waldemar Jungner ja Thomas Alva Edison saivat patentit "lipeä"akulle lähes samanaikaisesti. Molemmilla oli useita patentteja lipeä-akkuihin: Jungnerilla NiCd-akuille: Swed. Pat. No. 8,558 (1897), 10,177 (1899), 11,132 (1899), 11,487 (1899) ja 15,567 (1901, Huom: FeOH) sekä Ger.Pat 110,210 (1899). Edisonilla NiFe-akuille: Ger.Pat 157,290 (1901, U.S. Pat. No. 678,722 (1901), 692,507 (1902). Avoin NiCd-akku on ollut teollisuuskäytössä keksimisestään lähtien. Suljettu NiCd-akku patentoitiin jo 1930-luvulla (Dassler ym., Ger.Pat. 674,829, 1933). Kuluttajamarkkinoille se tuli vasta 1950-luvulla, kun oivallettiin negatiivisen massan ylimitoituksen vaikutus vedyn kehityksen vähentämiseksi. NiCd-akku on vanhimpia markkinoilla edelleen olevia akkutyyppejä.
NiCd-akun positiivinen elektrodi on valmistettu nikkelihydroksidista ja negatiivinen kadmiumista. Nikkelihydroksidin valmistuksessa käytetään jauhemetallurgista 255-tyyppistä nikkelijauhetta. Elektrolyyttinä on kaliumhydroksidiliuos. Vaikka uusia akkutekniikoita on viime aikoina kehitetty, ovat myös NiCd-akkujen ominaisuudet kehittyneet. Kapasiteetti on kasvanut ja muisti-ilmiötäkin on saatu vähennettyä.
Syksystä 2009 alkaen EU:n alueella direktiivin 2006/66/EY mukaan NiCd-akkuja ei ole saanut käyttää kuluttajatuotteissa. Käyttö on sallittua vain erikseen ilmoitetuissa käyttötarkoituksissa, koska kadmium (Cd) on ympäristölle ja ihmisille erittäin vaarallinen myrkky.
NiCd-akun kestoikä on suuri oikein käytettynä. NiCd-akun virranantokyky on suuri: akkua voidaan kuormittaa yli 10 C:n virralla (eli esimerkiksi 1,2 Ah:n akkua 12 A:n virralla), ja hetkellisesti akku kykenee antamaan vielä huomattavan paljon suurempiakin virtapulsseja, koska sen sisäinen resistanssi on matala. Tämän vuoksi NiCd-akkuja käytetään paljon virtaa tarvitsevissa työkaluissa, esimerkiksi porakoneissa. Käyttölämpötila-alue on laaja, ja akku antaa virtaa hyvin pakkasellakin, koska elektrolyytti toimii vain virrankuljettimena eikä osallistu reaktioon. Suljettuja NiCd-kennoja valmistetaan erilaisilla tekniikoilla ja ominaisuuksilla monenlaisiin käyttötarkoituksiin. Esimerkkinä voidaan mainita nappikennot, jotka valmistetaan massatekniikalla, ja sylinterimäiset kennot, jotka valmistetaan sintraustekniikalla. Sylinterimäisiä kennoja valmistetaan myös suuremmille käyttölämpötiloille (+70 °C). NiCd-akku kestää muita akkutyyppejä paremmin väärinkäyttöä, esimerkiksi ylilatausta ja syväpurkausta. Se ei ole arka syväpurkauksille eikä vahingoitu, vaikka sitä pidetään varaamattomana pitkäänkin.
NiCd-akkujen itsepurkaus on suhteellisen suuri, eikä niissä siksi ole uutena täyttä kapasiteettia. Ensimmäisellä kerralla akkua pitää ladata pitkään (yleensä 24 tuntia). Täysi kapasiteetti saavutetaan vasta 2–3 lataus- ja purkauskerran jälkeen. Kapasiteetti vähenee käytön ja latauskertojen myötä, mutta NiCd-akku kestää noin 800–1000 varaus-purkausjaksoa.
NiCd-akku kestää pikalatausta (n. 1 h) mikäli lämpötila on 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 esimerkiksi 60 °C:ssa saavutettava varaustaso on enää 50 % nimellisestä kapasiteetista. Myös akun lataaminen kuumemmaksi kuin 45 °C lyhentää akun ikää.
Kun NiCd-akun napajännite latauksessa kääntyy laskuun, voidaan akun katsoa olevan täyteen varattu. Tällöin sen lämpötila on alkanut nousta, mikä aiheuttaa akun sähkömotorisen voiman alenemisen. Hyvälaatuinen latauslaite tunnistaa nämä 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 eli kapasiteetti alenee käytettyyn purkausmäärään. Muisti-ilmiö esiintyy vain sintratuissa NiCd-akuissa. Muisti-ilmiö johtuu akkukennojen elektrodien aktiiviaineen kahden arvoisen oksidin muutoksesta alempiasteiseksi ja sitä kautta materiaalikiteiden muutoksesta alemman energiatason kiderakenteeseen, joka aiheuttaa purkausjännitteen alenemisen. Se näkyy akun purkausjännitteessä noin 0,2 voltin ylimääräisenä alentumisena. Tämä ilmiö huomattiin ensimmäistä kertaa, kun NiCd-akkuja käytettiin satelliittien testauksessa.. Simuloitaessa satelliitin toimintaa sen ollessa maan pimeällä puolella akut purkaantuivat vain osittain, ja kun virtaa sitten olisi tarvittu enemmän, se ei 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 yhden kuukausittaisen "tyhjennysharjoituksen" riittää. 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 lataamalla sen sitten normaalisti täyteen. Jos täyttä akkua säilytetään käyttämättä, se purkaantuu itsestään. 24 tunnin sisällä akku on menettänyt 10 % varauksestaan, ja normaalilämpötilassa itsepurkaus jatkuu sen jälkeen 10 % kuukaudessa.
NiCd-akkua voi säilyttää käyttämättä jopa viiden vuoden ajan. Parhaiten akku säilyy, kun se puretaan aivan tyhjäksi. Akkua ei missään tapauksessa pidä oikosulkea navoistaan. Pitkän säilytyksen aikana on tarpeen ladata ja purkaa akku silloin tällöin. Akkua tulee säilyttää kuivassa ja viileässä paikassa.
NiCd-akut ovat ympäristölle kaikkein haitallisin akkutyyppi. NiCd-akun sisältämä kadmium on erittäin myrkyllistä jo pieninä pitoisuuksina, ja siksi NiCd-akut ovat ongelmajätettä. Suomessa käytetyt kannettavat paristot ja akut voi palauttaa niitä myyvään kauppaan tai kioskiin ongelmajätepisteen ohella. 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 NiCd-akut.
1970-luvulla alettiin tehdä tutkimustyötä nikkelimetallihydridiakkujen kehittämiseksi ja 80-luvun lopulla NiMH-akku saatiin markkinoille. NiMH-kennossa positiivisena elektrodina on nikkelihydroksidi ja negatiivisena metallihydridi elektrolyytin ollessa kaliumhydroksidia.
NiMH-akulla on suurempi kapasiteetti mutta lyhyempi kestoikä kuin NiCd-akulla. Muisti-ilmiö vaivaa NiMH-akkuakin, mutta selvästi vähemmin kuin NiCd-akkua. Heikkouksina ovat matalampi virranantokyky kuin NiCd-akuilla sekä suuri itsepurkaus: akun varauksesta purkautuu itsestään noin 20 % kuukaudessa. Matkapuhelimissa tai tietokoneissa nämä huonot puolet eivät kuitenkaan ole merkittävästi haitaksi. Pakkasella NiMH-akku ei kykene antamaan yhtä hyvin virtaa kuin NiCd-akku.
NiMH-akku kehittää latauksen aikana lämpöä, eikä lataudu yhtä nopeasti kuin NiCd-akku. Ehdoton vähimmäislatausaika on 1 tunti.
NiMH-akun kestoikään vaikuttaa, kuinka usein ja kuinka tyhjäksi akkua puretaan. Akun käyttöikää voi pidentää merkittävästi lataamalla akku, ennen kuin se on kokonaan tyhjentynyt. Muisti-ilmiön eliminoiminen kuitenkin vaatii, että akku tyhjennetään ajoittain kokonaan. Lataus pitäisi suorittaa 10–45 °C:n lämpötilassa, sillä kylmemmässä kennojen sisäinen paine nousee latauksen aikana haitallisesti.
Pitkään käyttämättä jäävä NiMH-akku on parasta purkaa mahdollisimman tyhjäksi säilytyksen ajaksi. Säilytyslämpötila ei ole kovin kriittinen.
NiMH-akku on ympäristölle haitallinen akkutyyppi. Se sisältää huomattavan määrän nikkeliä, joka on jo pieninä määrinä ympäristölle haitallista, joten 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.
Litium on metalleista kevyin, sillä on suurin sähkökemiallinen jännite ja täten suuri energiatiheys. Mutta koska litium on luonnostaan epävakaata, 1980-luvulla kehitetyt litiummetallirakenteiset akut olivat hieman vaarallisia, eikä niitä voitu turvallisuussyistä ottaa kaupalliseen käyttöön. Alettiin kehittää vakaampaa litium-ioniakkua, 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 esimerkiksi etyleenikarbonaatti.
Litium-ionikennon nimellisjännite on muita akkutyyppejä huomattavasti korkeampi: 3,2–3,7 V. Kapasiteettia painoon nähden on kaksin verroin NiCd-akkuun verrattuna. Li-ion-akku kykenee antamaan virtaa paremmin kuin NiMH, ja nykyään litium-ioniakku soveltuu jopa akkuporakonekäyttöön. Pakkasessa Li-ion-akku menettää tehoaan samaan tapaan kuin NiMH-akku. Li-ion-akkuja on ainakin kolmea tyyppiä sen mukaan, mistä negatiivinen elektrodi on valmistettu. Ominaisuudet vaihtelevat hieman sen mukaan. Li-ion-akun ikä on rajallinen: akku vanhenee, vaikkei sitä käytettäisikään. Muista akkutyypeistä poikkeavana hyvänä puolena on, että muisti-ilmiötä Li-ion-akussa ei esiinny ollenkaan. Akun kapasiteetti ei alene, olipa lataus kuinka epäjärjestelmällistä tahansa.
Li-ion-akku ei siedä ylilatausta, vaan muuttuu epävakaaksi kehittäen lämpöä ja painetta. Myöskään akun oikosulkeminen tai purkaminen aivan tyhjäksi ("U" < 2,5 V) ei ole suositeltavaa. Latausaika voi olla jopa alle 1 tunnin, eikä akku juurikaan lämpene sen aikana. Lataus suoritetaan aluksi suuremmalla virralla, ja 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. LiFePO4-litiumakut ovat suhteellisen turvallisia verrattuina muihin litium-tekniikoihin.
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 kolmea kuukautta 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.
LiFePO4-akku on ympäristöystävällinen, sillä siinä ei ole käytetty ympäristölle haitallisia raskasmetalleja. Akut tulee kierrättää viemällä 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 on ensimmäinen kaupalliseen käyttöön tullut akku, ja se on käytössä edelleenkin autoissa ja raskaissa sovelluksissa, kuten trukeissa. Akun elektrodit on valmistettu lyijystä, ja elektrolyyttinä on rikkihappoliuos. Ensimmäisen kaupallisen lyijyakun kehitti Gaston Plante jo vuonna 1859. Tämänmallisen 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 eli niin sanotusta suljetusta lyijyakusta on toteutus, jossa happo on imeytetty lasikuitumattoon (AGM). Tavalliseen lyijyakkuun verrattuna erona on VRLA:n suljettu rakenne. Lyijyakkujen energiatiheys on matala, mikä rajaa käyttömahdollisuuksia.
VRLA-akut soveltuvat käyttöön, jossa akku sijaitsee yleisissä tiloissa (ei tarvita erillistä akkuhuonetta). Lyijyakku on suosittu vaihtoehto, kun hinta halutaan pitää edullisena eikä akun paino tai tila ole rajoittava tekijä. VRLA:ta käytetään nykyisin esimerkiksi UPS:issä, pyörätuoleissa ja hätävalaistuksessa. VRLA-akku voidaan valmistaa joko niin sanottuna putkilevyakkuna tai ristikkolevyakkuna. Ristikkolevyakuissa levyjen välinen etäisyys on pieni, jolloin akun sisäinen resistanssi on alhainen. Nämä akut valmistetaan yleensä AGM-tekniikalla. VRLA-akut soveltuvatkin hyvin paikallisakkukäyttöön, koska niiden itsepurkautuminen on hidasta ja niitä voidaan pitää ylläpitolatauksella täysinä. Kylmässä VRLA ei anna kovin hyvin virtaa. AGM-akkujen etuina lyijyhyytelöakkuihin verrattaessa ovat halvempi hinta ja parempi virranantokyky lyhyillä purkauksilla. 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 lyijyhyytelöakkuja käytetään enimmäkseen syklisissä käytöissä, kuten pyörätuoleissa, siivouskoneissa ja trukeissa.
Lyijyakkujen latauslaitteiden ominaisuudet on määritelty standardissa DIN 41772.4. Trukkiakkujen yksinkertaisin latauslaite on niin sanotun Wa-käyrän mukainen laturi. Siinä latausvirta laskee lineaarisesti akkujännitteen noustessa. Latauslaitteen nimellisvirta määritellään akun nimellisjännitteen (2,0 V/k) arvolla. Kaasuuntumisjännitteellä (2,4 V/k) virran tulee olla 50 % nimellisarvostaan ja loppujännitteellä (2,65 V/k) noin 25 % nimellisarvostaan. W-käyrän mukaisen trukkiakkulaturin koko on 80 % akun viiden tunnin purkausvirran arvosta. Paikallisakuille käytetään IU-laturia. Tällöin I kuvaa vakiovirtavaihetta (virtarajoitus) ja U vakiojännitevaihetta. Tyhjään tai vajaaseen akkuun latauslaite varaa nimellisvirtaa. Kun akun varaustila nousee, nousee samalla akun napajännite ja lataus siirtyy vakiojännitevaiheeseen. Tyhjän akun varaaminen 80–85 %:iin kapasiteetista kestää noin 5–8 tuntia, ja täysi varaus saavutetaan 24 tunnissa. VRLA sietää rajoitettua pikalatausta, kunhan akun kennojännite ei pääse nousemaan yli 2,4 V:n. VRLA-akkuja ei saisi koskaan ladata normaalilla auton akkulaturilla, joka on tarkoitettu avoimille lyijyakuille. AGM-akkua ei saa purkaa alle jännitetason 1,50 V/kenno, vaan se olisi syytä ladata aiemmin. Akun kestoikä voi olla jopa tuhansia syklejä purkamisten syvyydestä ja ympäristöolosuhteista riippuen.
Lyijyakut tulee säilyttää aina täyteen varattuina viileässä paikassa. Tyhjäksi puretun akun levyt ovat peittyneet lyijysulfaattiin, 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 eikä akku enää ota latausta vastaan (sulfatoituminen). Tyhjä akku voi myös jäätyä pakkasella, koska puretun lyijyakun elektrolyytti on lähes vettä.
Lyijy on myrkyllistä ja haitallista ympäristölle. Lyijyakut tulee toimittaa ongelmajätteiden keräyspisteeseen, josta ne päätyvät raaka-aineiden kierrätykseen.
Taulukon pitämiseksi pienenä sen otsikoissa ja osin sisällössä on käytetty lyhenteitä, joiden selitteet ovat alla: