Akut ja akkuteknologian kehitys


Akku on laite, joka varastoi sähkökemiallisessa muodossa olevaa sähköenergiaa. Aiemmin akusta käytettiin nimitystä akkumulaattori, joka tulee latinan kielen kasaamista tarkoittavasta sanasta ”accumulare”. Akku muuttaa ladattaessa sähköenergian kemialliseksi energiaksi, joka muuttuu purettaessa taas takaisin sähköenergiaksi. Yleensä akulla tarkoitetaan sekundääniparistoa, jossa tapahtuu sähköenergiaa vapauttava primäärireaktio purkauksen aikana ja lisäksi sekundäärireaktio, jonka aikana akkuun sitoutuvat kemiallisesti purkauksen aikana vapautuneet yhdisteet. Koska reaktio toi myös käänteisesti, akun voi varata uudelleen.

Paristoissa, joita sanotaan myös primäärikennoiksi, tapahtuu ainoastaan primäärireaktio, jonka reaktiotuotteet voivat esimerkiksi sitoutua kennon materiaaleihin imeytymällä. Reaktiot ovat siis ole näin ollen kahdensuuntaisia.

Lyijyakku

Lyijyakkujen elektrodeina on kaksi lyijylevyä ja elektrolyyttinä noin 37 % rikkihappoa. Lyijyakkujen päätyypit ovat käynnistysakut ja paikallis- tai putkilevyakut. Lyijyakkujen kapasiteetti on normaalisti 2–500 Ah. Tyhjässä akussa molemmat levyt ovat peittyneet lyijysulfaatilla. Kun lyijyakkua ladataan, sen katodi peittyy lyijydioksidilla ja anodi puhdistuu lyijymetalliksi. Nimellisjännitteeltään lyijyparit ovat 2 volttia, joten esimerkiksi 12 voltin sähköjärjestelmällä toimivan auton akkuun niitä on oltava kytkettyinä sarjaan kuusi kappaletta. Kuorma-autoissa tavallisesti olevaan 24 voltin järjestelmään on kytketty sarjaan kaksi 12-volttista akkua. Teollisuudessa käytettävät lyijyakut poikkeavat merkittävästi kuluttajille myytävistä käynnistysakuista.

Käynnistysakkujen tarkoitus on kyetä antamaan hetkellisesti suuriakin virtoja. Auton akku voi kyetä antamaan hetkellisesti jopa 800 ampeeria. Syväpurkaus lyhentää käynnistysakkujen elinikää huomattavasti, joten niiden runsasta purkamista tulee välttää. Trukkiakut sekä paikallisakut ja putkilevyakut ovat samantapaisia rakenteeltaan, mutta ne eivät kykene antamaan ulos suuria hetkellisiä virtoja. Niihin on tarkoitus varata mahdollisimman runsaasti energiakapasiteettia, jota akku luovuttaa ulos käynnistysakkua paremmin.

Nikkelikadmiumakku

Nikkelikadmiumakut keksittiin jo 1800-luvun ja 1900-luvun taitteessa, kun Waldemar Jungner ja Thomas Alva Edison saivat lähes samanaikaisesti patentit lipeäakulle. Avoimet nikkelikadmiumakut ovat olleet teollisuuskäytössä jo niiden keksimisestä lähtien. Suljettu nikkelikadmiumakku patentointiin 1930-luvulla, mutta se saatiin tuotua kuluttajamarkkinoille vasta 1950-luvulla, kun akkujen vedyn kehitystä saatiin vähennettyä ylimitoittamalla negatiivista massaa. Nikkelikadmiumakut ovat vanhimpia akkutyyppejä, joita markkinoilla edelleen on.

Eräs huono puoli NiCD-akuissa on niissä esiintyvä muisti-ilmiö, kun akkua puretaan jatkuvasti saman verran, ilman että se puretaan välillä tyhjäksi, jolloin sen sähkönvarauskyky alenee käytettyyn purkausmäärään.

Nikkelimetallihybridi

Nikkelimetallihybridiakkujen kehitystyö aloitettiin 1970-luvulla, ja NiMH-akku saatiin markkinoille 1980-luvulla. NiMH-akun kennossa on nikkelihydroksidi positiivisena elektronina ja metallihybridi negatiivisena. Elektrolyyttinä käytetään kaliumhydroksidia. NiMH-akkujen kapasiteetti on suurempi kuin NiCD-akuilla, mutta niiden elinikä lyhyempi. NiMH-akuilla esiintyy myös muisti-ilmiötä, mutta vähäisempänä kuin NiCD-akuilla. Heikkoutena NiMH-akuilla on huonompi virranantokyky ja suuri itsepurkaus, jonka myötä akun varauksesta purkautuu noin viidesosa kuukaudessa.

NiMH-akun lataaminen on melko aikaa vievää, ja se kehittää latauksen aikana lämpöä. Latausaika on ehdottomasti vähintään yhden tunnin verran. NiMH-akun käyttöikää voi pidentää lataamalla akkua, ennen kuin se on purkaantunut kokonaan. Akku on kuitenkin tyhjennettävä silloin tällöin kokonaan muisti-ilmiön eliminoimiseksi.

Litium-ioni

Litium on kaikista metalleista kevein alkuaine. Sen sähkökemiallinen jännite taas on suurin, joten sen energiatiheys on suuri. Luonnostaan epävakaasta litiumista kehitetyt litiumrakenteiset akut olivat aluksi vaarallisia. Vakaampien Li-ion-akkujen kehityksen jälkeen Sony toi vuonna 1991 markkinoille ensimmäisenä turvallisen Li-ion-akun.

Li-ion-akku muuttuu epävakaaksi lämpöä ja painetta kehittäen, jos sitä yliladataan. Sitä ei ole suositeltavaa myöskään oikosulkea tai purkaa täysin tyhjäksi. Akun latausta valvoo piiri, joka säätää akun lataukseen käytettävää virtaa akun jännitetason mukaan ja katkaisee latauksen, kun latausvirta on pienentynyt riittävästi. Akkujen suojapiirit katkaisevat sähköisen yhteyden, jos ne havaitsevat yli- tai alijännitettä tai liian suuren lämpötilan.