Liitiumioonaku

Liitiumioonaku ehk Li-ioonaku on aku, milles kannavad elektrilaengut ühelt elektroodilt teisele liitiumi ioonid. Liitiumi kõrge elektroodipotentsiaali tõttu on liitiumioonelemendi nimipinge vähemalt 3 volti. Liitiumioonakut nimetatakse lühemalt liitiumakuks (ioonid on elektrilaengukandjaks ka teistes keemilistes vooluallikates). Liitiumaku on üldnimetus erinevat tüüpi liitiumakudele, nagu liitiumpolümeeraku, liitiummangaanaku, liitiumtitanaataku, liitiumraudfosfaataku. Liitiumioonakuna käsitatakse mõnikord ainult esimese põlvkonna liitiumkoobaltdioksiidist plusselektroodiga liitiumakut. Liitiumakut ei või segi ajada liitiumelemendi ehk (kõnekeelse) liitiumpatareiga, mis tegelikult on primaarelement. Aku negatiivne elektrood on enamasti grafiidist, mille kristallivõretasandite vahele paigutuvad liitiumi neutraalsed aatomid. Niisuguse interkalatsiooni (ladina k intercalare vahele paigutama) tarvis on grafiidi pinnale moodustatud kattekiht, mis laseb läbi suhteliselt väikesed Li+-oonid, kuid on läbimatu elektrolüüdi ioonidele. Uuemates akutüüpides kasutatakse negatiivses elektroodis nanokristallilist räni vm. Positiivne elektrood on liitiumi ja mõne teise metalli (koobalt, raud, mangaan) ühendist. Esimese põlvkonna ning senini kasutatavas akutüübis on elektroodimaterjaliks oksiid LiCoO2. Positiivse elektroodi materjal määrab aku nimipinge, mis jääb vahemikku 3,0–3,7 V. Negatiivse elektroodi materjal on kantud kihina vaskfooliumile ja positiivse elektroodi materjal alumiiniumfooliumile. Elektroode eraldav separaator on immutatud elektrolüüdiga, milleks on liitiumisool (nt LiPF6 ) aprootilises (prootonit mittekaasavas) lahustis. Liitiumioonaku laadimisel suunatakse liitiumi aatomid elektrolüüsi protsessis tekkivate ioonidena positiivselt elektroodilt läbi elektrolüüdi negatiivsele elektroodile, kus nad muutuvad laadimisvoolu elektronide arvel neutraalseteks aatomiteks. Positiivsel elektroodil ioniseeritakse koobalti aatomid. Tühjendamisel toimuvas redoksprotsessis annab iga liitiumi aatom negatiivsele elektroodile ühe elektroni, mis kulgeb elektrivooluna läbi välise vooluahela positiivsele elektroodile. Elektronita jäänud liitiumiaatom – positiivne ioon – suundub läbi elektrolüüdi ja separaatori positiivsele elektroodile. Seal aga ei liida ta endaga välisahelast saabuvat elektroni, vaid selle seob koobalti aatom (või olenevalt aku tüübist muu metalli aatom), mis on laadimisel tugevasti ioniseeritud. Nii jääb liitium positiivsele elektroodile endiselt positiivse ioonina. Reaktsioonivõrrandid (aku tühjendamisel): negatiivsel elektroodil L i x C n →   n C + x L i + + x e − ; {\displaystyle \mathrm {Li} _{x}\mathrm {C} _{n}\rightarrow \ n\,\mathrm {C} +x\,\mathrm {Li} ^{+}+x\,\mathrm {e} ^{-};} positiivsel elektroodil L i 1 − x M n 2 O 4 + x L i + + x e − →   L i M n 2 O 4 . {\displaystyle \mathrm {Li} _{1-x}\mathrm {Mn_{2}O_{4}} +x\,\mathrm {Li} ^{+}+x\,\mathrm {e} ^{-}\rightarrow \ \mathrm {LiMn_{2}O_{4}} .} Redoksreaktsiooni võrrand L i 1 − x M n 2 O 4 + L i x C n →   L i M n 2 O 4 + n C . {\displaystyle \mathrm {Li} _{1-x}\mathrm {Mn_{2}O_{4}+Li} _{x}\mathrm {C} _{n}\rightarrow \ \mathrm {LiMn_{2}O_{4}} +n\,\mathrm {C} .} Esimese põlvkonna (LiCoO2 ) aku nimipinge on 3,6 V, laadimise lõpp-pinge kuni 4,3 V, tühjenduse lõpp-pinge 2,5 V. Energiatihedus ehk erienergia on sõltuvalt elektroodimaterjalidest 110–190 Wh/kg, vastavalt 300–500 Wh/dm2, erivõimsus 300–1500 W/kg. Laadimise kasutegur – vähemalt 90%. Isetühjenemine on alla 5% kuus ja tingitud peamiselt energiast, mida tarbib akusse sisse ehitatud kaitselülitus ebanormaalsete töörežiimide puhuks. Laadimis-tühjendustsüklite arv – 1000–5000. Aku kestvuseks loeti 1. põlvkonna akudel 2–3 aastat ja seda sõltumatult töötsüklite arvust, sest mahutavusvõime vähenes ka lihtsalt säilitamisel. Täiustatud akutüüpide eluiga on märksa pikem ja määravaks osutub laadimis-tühjendustsüklite arv; nende puhul kaotavad aktuaalsuse ka varasemad soovituses säilitada akut jahedas ja osaliselt laetult. Kasutatav temperatuurivahemikus 0–60 °C (miinustemperatuuridel pole laadimine võimalik). Liitiumioonaku vajab spetsiaalset laadimislülitust, mis on akust toidetavasse seadmesse sisse ehitatud või eraldi laadijana seadmega kaasas. Laadimine toimub siis aku kestvuse seisukohast optimaalses ja turvalises (plahvatusohutus) režiimis. Laadimispinge on 3,6-voldise nimipingega akuelementidel 4,1 V ja 3,7-voldistel liitiumpolümeerelementidel 4,2 V. Laadimisvool jääb normaallaadimisel vahemikku (0,6–1,0)C, seega nt akut mahutavusega C = 3 Ah laetakse 1C korral algul vooluga kuni 3 A. Laadimisvool väheneb sedamööda, kuidas aku täitub. Kui see vool on vähenenud näiteks väärtuseni 0,05C, lõpetab seade laadimise. Kiirlaadimisel võib laadimisvool olla 2C, 4C ja isegi 8C, millele vastavalt lüheneb laadimiskestus, kuigi mitte võrdeliselt. Üldjuhul lühendab kiirlaadimine ka aku tööiga. Et liitiumakuakudel puudub mäluefekt ning uued akud ei vaja formeerimist, pole tarvis erilisi laadimisrežiime. Siiski sügavtühjendatud aku "äratamiseks" on täiuslikumatel laadijatel võimalus alustada laadimist nõrga vooluga. Kasutamatult seisvat akut on soovitatav isetühjenemise kompenseerimiseks iga poole aasta tagant veidi järele laadida, et ta pinge ei langeks alla 3 voldi. Samuti tuleb arvestada, et ka väljalülitatult võib seade vähest voolu tarbida. Aku koormamisel langeb aku pinge laadimise lõpul saavutatud väärtuselt kiiresti nimipingeni ja jääb siis peaaegu püsima, kuni tühjaks saamisel langeb järsult. Tühjendamise lõpp-pingeks loetakse keskmiselt 2,5 V; edasine koormamine võib aku rikkuda. Ka aku üldise kestvuse huvides on soovitatav aku laadima panna enne, kui toidetav seade selle välja lülitab. Liitiumioonaku süsteem töötati välja 1980. aastate algul, ent kulus veel kümme aastat, kuni jõuti töökindla ja ohutu aku tootmiseni. Nimelt on seda tüüpi aku väga tundlik äärmuslike töörežiimide suhtes, mistõttu vajab erisuguseid kaitsemeetmeid (BMS Battery Management and Monitoring System) nii akus kui ka laadijas. Sellest tulenevalt tohib laadimiseks kasutada üksnes seadmega kaasas olevat laadurit. Mõne teise laadija kasutamise tagajärjel võib aku kuumeneda, millega kaasneb süttimis- ja plahvatusoht. Väikese ja keskmise suurusega akudesse on elektrooniline kaitselülitus sisse ehitatud. See lülitus kaitseb akut sügava tühjendamise, ülelaadimise ja soojusliku ülekoormamise eest. Tühjendamisel katkestab lülitus (enamasti ajutiseks) toiteahela, kui pinge akuelemendi kohta langeb alla 2,5–3 voldi; iseennistuv lülitus kaitseb akut liigvoolu ja lühise eest. Kaitselülitus jälgib ka laadimispinge muutumist ja muutumise kiirust ning katkestab ülelaadimes ohu tekkimisel laadimisahela. Akupatareis ühtlustab kaitselülitus elementidele langevad laadimispinged, et ära hoida mõne elemendi ülelaadimist ning ülekuumenemist. Akuelementide ülekuumenemisele reageerivad ka temperatuuriandurid. Kuigi akusisene kaitselülitus on väga energiasäästlik, on tal siiski aku isetühjenemisel oluline osa. Akude tüüpe eristatakse elektroodide ja elektrolüüdi materjali järgi. Liitiumioonaku (liitiumkoobaltaku) jõudis müügile 1991. aastal Sony Hi8-videokaamera toiteallikana. Selle aku plusselektrood on liitiumkoobaltdioksiidist (LiCoO2) ja miinuselektroodil seob liitiumi aatomeid grafiit. Seda akutüüpi toodetakse ja kasutatakse tänaseni (2013). Aku nimipinge on 3,6 V. Liitiumpolümeeraku on samasuguste elektroodidega kui eelkirjeldatu, kuid vedela elektrolüüdi asemel kasutatakse polümeerist kilet, milles sisaldub liitiumi ioone juhtivat ainet tahkel kujul või geelina. Neil on suurem erivõimsus (vähemalt 3000 W/kg) ja peaaegu püsiv pinge tühjenduse kestel. Aku nimipinge on 3,7 V. Liitiumtitanaataku on negatiivne elektrood grafiidi asemel nanostruktuuriga liitiumtitanaadist (Li2TiO3). Et elektroodi efektiivne pind on mitukümmend korda suurem kui liitiumioonaku grafiitelektroodil, on selline aku väga kiiresti laetav ja võib anda tugevat voolu. Ka on ta kasutatav temperatuuril kuni ‒40 °C. Laadimis-tühjendustsüklite arv võib ulatuda kümne tuhandeni ja kasutusiga 20 aastani. Energiatihedus (70–90 Wh/kg) on väiksem kui tavalisel liitiumioonakul. Liitiummangaanaku positiivne elektrood valmistatakse liitiummangaanoksiidist. Negatiivne elektrood on kas grafiidist (nn suure energiaga akudel) või amorfsest süsistruktuurist (suure võimsusega akudel). Neid akusid kasutatakse elektriautodel ja -mootorratastel. Aku nimipinge on 3,7 või 3,8 V. NMC-aku positiivne elektrood koosneb liitiumi, nikli, mangaani ja koobalti oksiidide komposiidist.See suure erienergia ja erivõimsusega akutüüp on laialt kasutusel elektriautodes veoakuna. Liitiumraudfosfaataku positiivne elektrood on liitiumraudfosfaadist (LiFePO4). Aku on võimeline andma tugevat voolu, on pikaealine ja kasutatav laias temperatuurivahemikus, süttimisoht praktiliselt puudub. How Lithium-ion Batteries Work Charging Lithium-ion LiIon-Akkumulatoren lithium ion battery