Kipparin numerossa 11/2020 käsittelimme akkutekniikan perusteita, lähinnä perinteisten lyijyakkujen näkökulmasta. Saimme lukijoiltamme useita kysymyksiä litiumioniakkuihin liittyen.
Moni edelläkävijäksi itsensä tunteva veneilijä on mahdollisesti jo vaihtanut tai ainakin pohtinut veneen akun vaihtamista uudempaa tekniikkaa edustavaan litiumioni- eli Li-ioni-akkuun.
Akku on tosin huomattavasti kalliimpi kuin lyijyhappoakku ja jopa kalliimpi kuin aikaisempaa huippua edustaneet AGM-akut. Akkumyyjien mukaan litiumioniakulla on kuitenkin niin paljon etuja, että hankintahinta tulee perustelluksi mennen tullen. Onko tosiaan näin? Entä mitä tulee ottaa huomioon akkua hankittaessa? Kokosimme yhteen vastauksia kysymyksiin.
Onko akun tyypillä väliä?
Akun ostajan on syytä varmistua, että akku on LFP-tyyppinen. Yleensä se ilmoitetaan selvästi, mutta verkkokaupoissa on myynnissä myös akkuja, joiden kerrotaan olevan tyypiltään vain ”Li-ion”.
Jos tarkempaa tyyppiä ei mainita, on se pääteltävä jännitteestä. Jännite 11,1 V viittaa kolmeen NMC-kennoa sarjaan. Tällaista akkua ei missään nimessä saa ladata moottorin omalla laturilla, vaan siinä on käytettävä laturia, jonka tuottama jännite on 12,6 V tai sopivaa muuntajaa.
On olemassa myös eri akkukemioilla toteutettuja litium-polymeeri-akkuja, joiden elektrolyytti on geelimäistä. Ne ovat siinä mielessä turvallisempia, ettei elektrolyytti pääse valumaan akusta pois.
1.Mikä litiumioniakku on?
Litiumioniakku on yleisnimi useille akkutyypeille, joissa elektrodien välillä kulkee alkuaine litiumin varautuneita atomeja eli ioneja. Jokaisessa kennossa on positiivinen ja negatiivinen elektrodi sekä nestemäistä tai geelimäistä ionien välittäjäainetta eli elektrolyyttiä.
Negatiivinen elektrodi on useimmiten pinnoitettu grafiitilla, mutta positiivisen elektrodin pinnoitemateriaali määrittelee akkukemian eli akun tyypin. Veneisiin tarkoitetut 12 voltin akut ovat litium-rautafosfaattiakkuja, ja niitä merkitään lyhenteellä LFP. Ne tunnistaa myös kemiallisesta merkistä LiFePO4.
Muita vaihtoehtoisia kemioita edustaa esimerkiksi NMC-akku, jossa positiivisella elektrodilla on nikkeliä, mangaania ja kobolttia. NMC-akuissa on paljon energiaa, mutta niissä on myös suurempi paloriski. Niitä käytetään sähköautojen ja myös sähköveneiden akkuina.
Normaaleiksi 12 voltin käynnistysakuiksi tai vapaa-ajanakuiksi NMC sopii vain poikkeustapauksessa.
2. Miksi yksi akku on 12,8 V ja toinen yli 13 volttia?
12 voltin LFP-akku on koottu neljästä kennosta, joiden jännite on häviöt mukaan laskettuna 3,2 volttia. Kennojen sarjakytkennällä akun nimellisjännitteeksi saadaan 12,8 V. Jotkin akkuvalmistajat ilmoittavat yhden kennon jännitteeksi 3,3 V, jolloin koko akun ilmoitettu jännite nousee 13,2 volttiin.
NMC-kennoissa lähimmäksi 12 volttia päästään kytkemällä kolme 3,7 voltin NMC-kennoa sarjaan, joten koko akun jännitteeksi tulee 11,1 V. Neljäs kenno nostaisi jännitteen jo liian korkeaksi ”12 voltin akulle”. Sähköautoissa samoilla kennoilla jännite nostetaan satoihin voltteihin.
3. Mikä ero on merkinnöillä Ah ja kWh?
Jännitteen lisäksi olennaista on kapasiteetti, joka kertoo akun energiasisällön. Esimerkiksi sadan ampeeritunnin (100 Ah) akusta voidaan saada 10 ampeerin virtaa noin 10 tunnin ajan. Li-ioni-akun energiasisältö ilmoitetaan joko ampeeritunteina tai (kilo)wattitunteina.
Sähköauton akun energiasisältö ilmoitetaan nimenomaan kilowattitunteina (kWh), koska akkujen jännitteet voivat erota toisistaan huomattavasti. Silloin kWh-lukema kertoo energiasisällön yksiselitteisesti.
12 V -akkujen energiasisältö taas on perinteisesti ilmoitettu ampeeritunteina. Wh-lukema on helppo saada Ah-lukemaksi jakamalla se akun jännitteellä. Esimerkiksi 1280 Wh:n jakaminen 12,8 V:n jännitteellä antaa kapasiteetiksi 100 Ah. Kyse on siis samasta asiasta mutta eri tavoin ilmaistuna.
4. Millaisen akun uskaltaa ostaa?
Akkua ostaessa on varmistuttava siitä, että akussa on itsessään akunhallintajärjestelmä eli BMS. Mihinkään tee-se-itse-akkujärjestelmän rakentamiseen ei kannata ryhtyä.
Akkujen turvallisuus kulkee myös käsi kädessä laadun kanssa. Hyvien akkujen kennot ovat tasalaatuisia, joten yksittäisen kennon ylijännitevaara on vähäisempi. Kannattaa siis suosia tunnettuja akkumerkkejä.
LFP-akuille on olemassa omia irtolatureita, mutta laturin soveltuvuudesta on varmistuttava. Akkuja ei saa ladata tavallisilla akkulatureilla, joissa laturi käyttää aluksi lyijyakulle tarkoitettua sulfaatinpoistotoimintaa!
5. Ovatko akut turvallisia?
12 voltin LFP-akun todellinen jännite on 12,8–13,2 V, ja sille sopiva latausjännite on 14,4–14,6 V. Latausjännitteen nostaminen tätä korkeammalle lyhentää akun elinikää ja pahimmassa tapauksessa aiheuttaa tulipalovaaran.
Matalampi jännite ei lataa akkua aivan täyteen. Venemoottorin latausjärjestelmä toimii useimmiten sopivalla jännitealueella, mutta on syytä varmistua, että lataussäädin on kunnossa ja antaa juuri sellaisen jännitteen, jonka akkuvalmistaja vaatii.
Kun akussa on useampi kenno, ei riitä, että niiden keskimääräinen jännite on oikea, vaan jokaisen kennon jännite on oltava erikseenkin oikea. Toisin sanoen kennojen on oltava balanssissa eli keskenään tasapainossa.
Tasapainosta huolehtii akunhallintajärjestelmä (BMS), jolloin akun jännite ei kasva liian suureksi eikä putoa liian matalaksi. Samalla BMS varmistaa, ettei yksittäisen kennon jännite joudu sallitun alueen ulkopuolelle. Ilman akunhallintajärjestelmää akun käyttöikä jäisi lyhyeksi ja akku muuttuisi vaaralliseksi.
Litiumioniakuissa syntyneistä tulipaloista uutisoidaan usein näyttävästi, eikä lentokoneisiinkaan saa ottaa niitä mukaan kuin pienen määrän. Akkutyypin palo-ongelmat liittyvät enemmän muihin akkukemioihin, ja LFP-akkua pidetäänkin kaikista Li-ioni-akuista turvallisimpana. Silti LFP-akunkin kanssa on oltava valppaampana kuin esimerkiksi lyijyakun kanssa, joka kyllä sekin esimerkiksi oikosulkuun mennessään saattaa räjähtää.
6. Voiko akkuja kierrättää?
Litiumioniakkujen kierrätettävyys on ollut hieman hankalaa, ja siksi puhutaankin niissä käytettävien materiaalien riittävyydestä. LFP-akuissa ei ole lainkaan pahamaineista kobolttia, jonka saatavuus on yleensäkin akkuteollisuuden pullonkaula.
Itse litiumin kierrätys on vielä lapsenkengissä, mutta Harjavaltaan on tarkoitus avata Fortumin johdolla akkukierrätyslaitos, joka kierrättäisi myös litiumin. Sen jälkeen LFP-akun elinkaaren loppukin on hyvissä käsissä ja materiaalin saatavuus uusiin akkuihin paranee.
Artikkelia varten on haastateltu Aalto-yliopiston dosentti Kai Vuorilehtoa.
Näin pidennät litiumioniakun käyttöikää.
