AKKUJEN NYKYTILA SMG-4050 Energian varastointi ja uusiutuvat energialähteet kurssin seminaarityö
2 SISÄLLYS 1. Johdanto... 3 2. Akun toimintaperiaatteet... 4 3. Suureet ja käsitteet... 5 4. Lyijyakut... 7 4.1. Yleistä tietoa...7 4.2. Sovellutukset...7 4.3. Edut...8 4.4. Haitat ja rajoitukset...8 5. Nikkelimetallihydridi-akku (NiMH)... 10 5.1. Edut ja haitat...10 6. Nikkeli-kadmium, NiCd... 12 6.1. Toimintaperiaate ja käyttökohteet...12 6.2. Muisti-ilmiö...12 6.3. Edut ja haitat...13 7. Li-Ion... 14 7.1. Yleistä tietoa...14 7.2. Edut ja haitat...15 7.3. Säilytys...15 8. Litiumpolymeeriakku... 16 8.1. Toimintaperiaate ja käyttö...16 8.2. Edut ja haitat...16 9. Akkujen kierrätys... 17 9.1. Yleistietoa ympäristöhaitoista...17 9.2. Kierrätykseen liittyvää liiketoiminta Suomessa...17 9.3. Lainsäädännöstä...18 10. Tulevaisuus... 20 10.1. Näkymät...20 10.2. Polttokennot...20 10.3. Tulevaisuuden akku...21 10.4. Litiumakku...21 11. Lähteet... 22
1. Johdanto 3 Akkujen käyttö nykypäivänä on monimuotoista. Akut ovat mahdollistaneet nykypäivän monien sovellutusten käytön, joille kiinteät sähköverkot eivät pysty tarjoamaan energiaa. Akkujen avulla yhteiskuntamme ja infrastruktuurimme on kehittynyt mobiilimpaan suuntaan. Tästä syystä akuille on suuri määrä sovelluskohteita ja monet järjestelmät ovat riippuvaisia niistä. Käsittelemme seminaarityössämme akkujen toimintaa yleisti, kertaamme akkuteknologiassa käytettävät suureet ja käsitteet, käsittelemme käytetyt akkutyypit erikseen ja pohdimme akkujen nykytilaa sekä tulevaisuuden näkymiä.
2. Akun toimintaperiaatteet 4 Galvaanisia pareja kutsutaan primäärisiksi virtalähteiksi eli niissä tapahtunutta reaktiota ei saada palautumaan takaisin. Galvaanisessa pari on sähkökemiallinen virtalähde, jossa kemiallinen energia muutetaan sähköenergiaksi hapetus ja pelkistysreaktion kautta. Galvaanisessa kennossa on kaksi eri elektrodia, jotka ovat eri astioissa/kennoissa ja ne on kytketty toisiinsa sähkönjohtimella. Virtapiiri suljetaan suolasillalla, jolloin eri kennojen liuokset eivät pääse sekoittumaan mutta mahdollistaa ionien liikkumisen kennosta toiseen. [3] Akku on sekundäärinen virtalähde eli se on uudelleenladattava. Tällöin tyhjentynyt akku voidaan toistuvasti varata tuomalla siihen sähköenergiaa, joka varastoituu kemiallisena energiana. Akussa on kaksi eri elektrodia positiivinen ja negatiivinen ja ne ovat samassa elektrolyytissä. Akkutyyppi määräytyy siitä, mitä aineita käytetään.[3] Tällä hetkellä yleisimpiä käytettyjä akkuja ovat lyijyakku, nikkeli-kadmium-akku (NiCd), nikkelimetallihydridi-akku (NiMH), litiumioniakku (Li-ion) ja litiumpolymeeriakku (LiPo). Kaupallistettuja ovat myös alumiini-ilma akku, alumiini-rikkiakku. Lisäksi osittain kaupallistettuja ja kehitystyön alla ovat korkean lämpötilan akut, kuten vaikka natriumrikki-akku, metalli-ilma-akut, nikkeli-rauta-akut, polymeeri-litiumakut ja redoksi- ja virtausakut. [4]
3. Suureet ja käsitteet 5 Tärkeitä parametreja ovat: 1. Energiatiheys (Wh/kg) ja tehotiheys (W/kg): määrittelee kuinka paljon akussa on tehoa massaan nähden. Tyypillisesti akusta riippuen se on luokkaa 30 120 Wh/kg ja 100-3000W/kg 2. Sisäresistanssi: tyypillisesti se on luokkaa 25 200 milliohmia 3. Lataus-purkauskertojen määrä ja elinikä: jotain akkuja voi ladata vain 300 kertaa kun taas jotain voi yli 1000 kertaa, jolloin 20 % akun tehosta on lähtenyt. 4. Latauksen nopeus: tyypillisesti alle tunnista 16 tuntiin. 5. Itse purkautumisnopeus: kertoo kuinka paljon akku tyhjenee kun se on käyttämättömänä. Akusta riippuen purkautuu 5 %:sta 20 %:iin. 6. Ulostulojännite: tyypillisesti 1,25 voltista - 3,3 volttiin 7. Toimintaolosuhteet: missä lämpötilassa kennot toimivat. Tyypillisesti -20 asteesta 60 asteeseen. Ovatko kennot umpinaisia ja ovatko ne paineen alaisia. 8. Turvallisuustekijät: miten akku toimii virhetilanteessa ja kuinka usein sellaisia tapahtuu. 9. Käytetäänkö akussa myrkyllisiä aineita. Miten akku toimii oikosulku tilanteessa. 10. Ympäristölliset tekijät: käytetäänkö myrkyllisiä aineita ja miten ongelma jätteitä voidaan kierrättää tai hävittää. 11. Hinta ja kaupallisuus, ylilatautumisen kesto, jonka lisäksi täytyy ottaa huomioon että akuissa saattaa olla muistiominaisuutta. Muistiominaisuus tarkoittaa, että jos akkua ei huolla oikein ja esimerkiksi käyttää vain pientä osaa akun kapasiteetista niin se voi menettää kapasiteetistaan suurenkin osan pysyvästi tai väliaikaisesti akku tyypistä riippuen. [4]
Taulukko 1. Yleisimmin käytettyjen akkujen parametreja. (5) Nikkelikadmium Nikkeli- Metallihydridi Lyijyakku Litiumion Energiatiheys (Wh/kg) 45 80 60 120 30 50 150 190 Sisäresistanssi(milliohmia) 100 200 (6V) 200 300 (6V) <100 (12V) 150 300 Lataus-purkaus kertojen määrä1500 300-500 200-300 300 500 Lataus nopeus 1h 1h-4h 8-16h 1,5-3h Ylilatautumisen kesto tavallinen matala korkea matala Itse purkautumisen nopeus 20% kk 30 % kk 5 % kk <10 % kk Ulostulo jännite 1.25V 1.25V 2V 3,6V Toiminta lämpötila (Celsius) -40 60-20 60-20 60-20 60 Turvallisuus vakaa vakaa vakaa Turvapiiri Tarvitaan, Vakaa 150 celsius asteeseen asti Ympäristöystävällisyys Myrkyllinen ympäristölle Hieman myrkyllinen, kierrätettävä Myrkyllinen ympäristölle 6 Hieman myrkyllinen, Voidaan hävittää pienessä mittakaavassa
4. Lyijyakut 7 4.1. Yleistä tietoa Lyijyakku on vanhin ladattava akkutyyppi, sen toimintaperiaate perustuu elektrolyysiin. Elektrodeina käytetään kahta lyijylevyä joiden välissä elektrolyytti aineena on noin 37 % rikkihappoa. Lyijyakun molemmat lyijylevyt ovat peittyneet lyijysulfaatilla sen ollessa tyhjä. Kun akkua ladataan, katodi lyijylevy peittyy lyijyoksidilla ja anodi lyijylevy puhdistuu lyijymetalliksi. Lyijyakkujen kapasiteetit vaihtelevat tavallisesti 14 100 Ampeerituntiin. Lyijyakut ovat ekonomisin vaihtoehto laitteisiin joissa tarvitaan suurta tehoa ja joissa paino ei ole ongelma. Lyijy akkuun pystytään siis varastoimaan suhteellisen paljon energiaa joten se on käyttökohteissaan varsin edullinen ratkaisu. Tästä seuraa se että lyijy akut ovat yleensä kooltaan varsin suuria, joten niitä ei pystytä käyttämään läheskään kaikissa sovellutuksissa.[1] Lyijyakun kehitti ranskalainen fyysikko Gaston Planté vuonna 1895. Lyijyakku oli ensimmäinen uudelleen ladattava akku tyyppi yleisessä käytössä. 1970-luvulla tutkijat kehittivät lyijyakku tyypin joka ei tarvinnut erillistä huoltoa vaan sitä pystyi käyttämään joka asennossa. Elektrolyyttineste korvattiin elektrolyyttinesteeseen kostutetuilla erottimilla, jotta elektrodit eivät koskisi toisiinsa, kansi suljettiin tiiviisti sekä varauksen ja purkauksen aikana muodostuvan kaasun takia akkuihin lisättiin ulostuloventtiili, jotta akut olisivat turvallisia. Markkinoiden eritarpeiden takia lyijyakuista nousi pintaan kaksi erityyppistä ratkaisua. Ensimmäinen ratkaisu oli suljettu lyijyhappoakku, niin sanottu lyijyhyytelöakku (SLA). Siinä akkuhappoon lisättiin silikaattia, eli piitä, ja tuotannossa se muokattiin geelimäiseen olotilaan. Toinen ratkaisu oli VRLA-akku, jossa happo imeytettiin lasikuitumattoon(amg). Nämä molemmat tyypit ovat tänä päivänä akkutehtaiden tuotannoissa ja ovat varmistaneet paikkansa akkumarkkinoilla nyt ja tulevaisuudessa. [1] 4.2. Sovellutukset Lyijyakkua käytetään sovellutuksissa missä tarvitaan paljon sähköenergiaa ja joissa suuresta painosta ja koosta ei ole haittaa. Lyijyakuille sopivia käyttökohteita ovat esimerkiksi autot, sähköautot, moottoriveneet, sairaala varusteet, pyörätuolit, golf kärryt, hätävalaistukset, UPS järjestelmät, sähkötrukit ja monet muut sovellutukset. Autoissa (bensiini ja dieselkäyttöisissä) ja perämoottoriveneissä käytetään jännitteeltään 12-volttisia lyijyakkuja jotka koostuvat kuudesta kahden voltin lyijyparista. Ne ovat muodoiltaan neliömäisiä muovisia laatikoita joissa plus- ja miinus navat ovat kannessa. Sähköautoissa käytetään lyijyakkuja, mutta käyttö on varsin vähäistä, sillä lyijyakun energia sisältö on varsin heikko kokoonsa ja painoonsa verrattuna. Esimerkiksi
8 keskiverto sähköautoin lyijyakun energia sisältö on noin 30 Wh/Kg. Kun taas samankokoisen sähköauton litiumakun energia sisältö on 300 Wh/kg. Huomataan siis että litiumakkuihin pystytään varaamaan kymmenenkertainen määrä energiaa. Näin muilla akkutyypeillä saadaan aikaan parempi teho-paino suhde, jolla autoihin saadaan parempi huippunopeus ja enemmän ajokilometrejä yhdellä latauksella. UPS järjestelmissä, joiden tehtävänä on taata tasainen virransyöttö lyhyiden katkosten varalle ja tasoittaa syöttöjännitteen epätasaisuuksia, käytetään lyijyakkuja. Hätävalaistus järjestelmissä käytetään myös lyijyakkuja, niistä saadaan virta tarvittaessa valaisimille, jos yleiseen verkkoon sattuu jostain syystä tulemaan katkos. Muut ajat hätävalaistuksen akut voivat olla kiinni verkossa jolloin lataus tapahtuu. Lyijyakut soveltuvat siis hyvin tähän sovellutukseen, koska ne pitää varastoida muutenkin varatussa tilassa. Erikoisemmissa sovellutuksissa kuten pyörätuoleissa tai sähkötrukeissa akut ovat käyttökohteen mukaan suunniteltuja, eli rakenteet vaihtelevat mutta toimita periaate pohjautuu samaan lyijylevyjen välissä tapahtuvaan elektrolyysiin. [1;2] 4.3. Edut Lyijyakuilla on etuja muihin akkutyyppeihin verrattuna, minkä takia ne ovat pysyneet markkinoilla tähän päivään asti. Lyijyakkuja on edullista ja yksinkertaista valmistaa, tämä takaa niille hyvän hintalaatusuhteen ja saatavuuden. Myös niissä käytettävä teknologia on hyvin valmista, tavallista ja helposti ymmärrettävää. Oikein käytettynä lyijyakku on kestävä. Huolto vaatimukset ovat myös alhaiset, mikä pitää lyijyakuista tulevat kokonaiskustannukset asiakkaille alhaisina. Tiiviisti suljetuissa lyijyhyytelöakuissa ei tarvitse lisätä elektrolyyttiainetta, mikä vähentää huollon tarvetta entisestään. Lyijyakuille ominaista että niillä on korkea virranantokyky, eli virtaa saadaan ulos paljon ja nopeasti, tästä johtuen se on ylivoimainen sovellutuksissa joissa tarvitaan paljon virtaa ja akun massasta ja koosta ei ole haittaa. Lyijyakuissa itsestään purkautuminen on pienintä kaikista ladattavista akkusysteemeistä, eli vain noin 40 % vuodessa. Vertailuksi nikkeli-kadmium akut purkautuvat saman verran kolmessa kuukaudessa, eli lyijyakuissa purkautuminen on noin neljä kertaa hitaampaa. [1] 4.4. Haitat ja rajoitukset Lyijy akuilla on myös haittapuolia ja rajoituksia. Niiden energiatiheys on melko heikko, eli energian suhde akun painoon on alhainen, joten moniin sovellutuksiin se on epäkorrekti. Esimerkiksi kannettaviin, pieniin ja kompakteihin laitteisiin, kuten kännyköihin. Lyijyakkua ei saa koskaan purkaa loppuu asti joten se sopii vain sovellutuksiin jossa harvoin puretaan akku enemmän. Joka täysipurkaus laskee lyijyakun kokonaisenergian säilöntäkapasiteettia. Sitä ei voi varastoida purkautuneessa
9 tilassa vaan sen kennojännite pitäisi pysyä aina yli 2.10V. Jos lyijyakku varastoidaan purkautuneessa tilassa, sen lataaminen jälkeenpäin on lähes mahdotonta, eli akku pilaantuu. Joten akku tulisi aina varastoida täydessä varauksessa ja viileässä tilassa. Loppujännitettä tulisi myös tarkkailla ja ladata akku joka kuudes kuukausi tai valmistajan suositusten mukaisesti. Lyijyakku ei suvaitse pikalatausta, vaan lataus on suoritettava hidaslatauksena, tällöin varausaika on suhteellisen pitkä, eli noin 8-16 tuntia. Alhaisilla lämpötiloilla lyijyakun suorituskyky on heikko. Optimaalinen käyttölämpötila lyijyakuille on 25 C ja jokainen 8 C lämpötilan lasku tai nousu puolittaa akun iän. Esimerkiksi normaali VRLA akku kestää käytössä 25 C noin kymmenen vuotta, jos toiminta lämpötila on 33 C akun ikä on viisi vuotta. Mikäli akku sijoitettaisiin aavikolle, missä lämpötila on noin 42 C, teoreettisesti voitaisiin ajatella että toiminta-aika olisi vain noin vuoden. Riippuen purkauksien syvyydestä ja toimita lämpötiloista lyijyakuilla on latauskertoja suhteellisen vähän. Suljettu lyijyakku kestää siis noin 200-300 latauskertaa. Pääsyy suhteellisen lyhyelle purkaus/lataus sykli-iälle on positiiviselle elektrodille muodostuva korroosio, positiivisten levyjen laajentuminen ja aktiivisen materiaalin loppuminen. Lyijypitoisuus ja elektrolyyttiaine tekevät lyijyakuista haitallisia ympäristölle, joten käytetyt lyijyakut tulisi kierrättää määrättyjen ohjeiden mukaan. [1;2] Lyijyakkuteollisuus on näyttänyt tietä akkujen kierrätyksessä. Varsinkin autoteollisuus on ollut kärkipäässä organisoimassa käytettyjen akkujen kierrätystä. Yhdysvalloissa noin 98 % kaikista lyijyakuista kierrätetään. Vertailuksi vain yksi kuudesta pohjoisamerikkalaisista kotitaloudesta kierrättää yleisesti pattereita. [1] Jos esitetään kysymys että voiko lyijyakku pärjätä tulevaisuudessa? Vastaus on kyllä, koska sillä on vahva markkinaosuus sovellutuksissa joissa akun koolla ja painolla ei ole merkitystä, akun hinta ei saa olla korkea ja virran on oltava jatkuvasti päällä. Näin voimme todeta että lyijyakkujen nykytila on vahva ja tulevaisuuskin näyttää lupaavalta omilla sovellussegmenteillään
5. Nikkelimetallihydridi-akku (NiMH) 10 Nikkelimetallihydridi akku saatiin kaupalliseen kuntoon 80-luvun lopulla. Nikkelimetallihydridi kennossa positiivisena elektrodina on nikkelihydroksidi ja negatiivisena metallihydridi. Nikkelimetallihydridi-akku on lipeäakku, koska elektrolyytti on kaliumhydroksidia. Kadmium on korvattu metallihydridillä. [6] Nikkelimetallihydridi-akun reaktio on seuraavanlainen: Hapettuminen: MH + OH - > M + H 2 O + e - 0,83 V Pelkistyminen: NiOOH + H 2 O + e - > Ni(OH) 2 + OH - 0,52 V Kokonaisreaktio: NiOOH + MH > Ni(OH) 2 + M 1,35 V 5.1. Edut ja haitat Nikkelimetallihydridi akkujen etuja ovat korkea energiatiheys, lataus-purkauskertojen määrä on noin 500 kertaa, pieni sisäresistanssi, toimii hyvin erilaisissa lämpötiloissa, nopea lataus mahdollinen. Nikkelimetallihydridi akku soveltuu hyvin viihde elektroniikan akuksi esim. digitaalikamerat, matkapuhelimiin ja tietokoneisiin. Halpa hinta myös mahdollistaa sen käytön useissa muissa käyttökohteissa. Esimerkiksi nikkelimetallihydridiakkuja käytetään Toyota Prius hybridiautossa. [8] Nikkelimetallihydridi akkujen huonoja puolia ovat huono virran anto kyky, suuri itse purkautumisnopeus, kärsii muistiominaisuudesta mutta siitä pääsee eroon kun se tyhjennetään, kärsii jos on käyttämättömänä pitkiä aikoja, ei kestä hyvin ylilatautumista ja tuottaa latautumisen aikana lämpöä, huono hyötysuhde, kennon pieni ulostulojännite jolloin tarvitaan useita kennoja. Toistaiseksi kalliimpi kuin nikkeli-kadmium akku mutta hinta laskee kun nikkeli-kadmium akkujen valmistusta vähennetään. Nikkelimetallihydridi akku on hieman ympäristölle haitallinen, koska se sisältää nikkeliä mutta koska se ei sisällä kadmiumia se ei ole niin haitallinen kuin nikkeli-kadmium akku. Akku on ongelmajätettä mutta on kierrätettävissä. Matalan virran anto kyvyn takia akku ei sovellu tarpeisiin jossa sellaista tarvitaan kuten vaikkapa akkuporakoneet. Tällä hetkellä Nikkelimetallihydridi akku on menettämässä markkinaosuuttaan litiumakuille. [6;4;7]
Kuva 1. 11
6. Nikkeli-kadmium, NiCd 12 6.1. Toimintaperiaate ja käyttökohteet Nikkeli-kadmium-akun keksi vuonna 1899 ruotsalainen Walmar Jungner. Se on pisimpään käytössä ollut akkumalli, jonka käytettävyys on parhaimmillaan kannettavissa akuissa. Erään akkuvalmistajan mukaan yli puolessa kaikista kannettavista laitteista on käytössä NiCd-akku. Erityisesti sen käyttöä suositaan radiopuhelimissa, hätä- ja hälytysjärjestelmissä, lääkinnällisissä laitteissa sekä johdottomissa työkaluissa, sillä näissä käytöissä vaaditaan kovaa kestävyyttä. Lisäksi nikkeli-kadmiumin etuna on edullinen hinta. [1;6] NiCd-akussa positiivinen elektrodi on valmistettu nikkelihydroksidista ja negatiivinen kadmiumista. Elektrolyyttinä käytetään kaliumhydroksidiliuosta. Oikein käytettynä sen käyttöikä on muihin verrattuna pitkä, jonka lisäksi se kestää muita paremmin myös väärinkäyttöä, kuten ylilatausta. Sisäinen resistanssi on NiCd-akulla matala ja virranantokyky suuri: sitä voidaan kuormittaa yli 10C:n virralla (eli esimerkiksi 1,2Ah:n akkua 12 A:n virralla), mutta hetkellisesti siitä voidaan saada huomattavasti suurempiakin virtapulsseja. [6] Kovissa olosuhteissa NiCd-akku on muihin malleihin verrattuna luotettavin. Sen paras toiminta-alue sijoittuu välille 5 45 C, mutta se latautuu alhaisemmissakin lämpötiloissa. Silloin olisi kuitenkin käytettävä hidaslatausta, jottei kennojen sisällä painetta nostavia kaasuja kehittyisi. Hyvä hidaslatausaika tässä olisi noin 10 tuntia, kun taas normaalitoiminnan lämpötila-alueella NiCd-akulle suositellaan yhden tunnin mittaista pikalatausta pitkän latausajan sijaan. Yli 45 C lämpötilassa akku ei enää lataudu täyden kapasiteetin edestä, ja 60 celsiusasteessa saavutettava varaustaso yltää enää puoleen nimellisestä kapasiteetista. NiCd-akun ikää lyhentää myös lataaminen liian kuumaksi (yli 45 C) sekä istuttaminen latauslaitteessa. Se täytyisi päästää purkautumaan säännöllisesti, jottei ns. muisti-ilmiö pääsisi alentamaan sen kapasiteettia eli sähkönvarauskykyä. [1; 6] 6.2. Muisti-ilmiö Muisti-ilmiö ilmenee nikkeli-kadmium-akussa silloin kun akkua ei ole käytetty oikein. Tällöin sitä on pidetty latauksessa turhaan purkamatta akkua välillä kokonaan siten että kennojen napajännite laskee 1V:iin. Ilmiö johtuu akkukennoissa elektrodien materiaalikiteiden suurenemisesta, joka siten aiheuttaa varauspinnan pinta-alan pienenemisen alentaen akun sähkönvarauskykyä. Täytenä käyttämättä säilytetty akku
13 purkautuu itsestään menettäen 24 tunnin sisällä 10 % varauksestaan. Itsepurku jatkuu tämän jälkeen vauhdilla 10 % /kk. [6] 6.3. Edut ja haitat Nopea latausaika, jopa pitkän säilytysajan jälkeen, on yksi NiCd-akun suurimmista eduista. Erityisesti kun ottaa huomioon, että oikein säilytettynä se kestää jopa 5 vuotta käyttämättä. Toinen tärkeä seikka on kestävyys ankarissakin olosuhteissa niin poikkeuksellisten lämpötilojen kuin kovakouraisen käyttäjän suhteen. Kuten edellä mainittu, myös hinta on erittäin kilpailukykyinen kun otetaan huomioon sen kestävyys: jopa 1000 lataus/purkaus-kertaa. [1] Huonoin ominaisuus NiCd-akulla on sen haitallisuus ympäristölle. Vaikkei käytöllä olekaan mainittavia ympäristövaikutuksia, on raskasmetalli kadmium, joutuessaan virheellisesti esimerkiksi kotitalousjätteiden mukana kaatopaikalle, ympäristömyrkky. Nikkeli-kadmium-akun energiatiheys on muihin verrattuna heikko, vain 45-80 Wh/kg, mikä on huonompi ainoastaan lyijyakulla. Myös itsepurkunopeus lasketaan haitalliseksi ominaisuudeksi. [1; 11]
7. Li-Ion 14 7.1. Yleistä tietoa Tänä päivänä kasvavin ja lupaavin akkutyyppi on litium-ioni akku. Ensimmäiseksi litiumakut tulivat Sony:n toimesta kannettaviin sovelluksiin hyvän kapasiteettinsa ja painonsa ansiosta. Nykyään lähes kaikkien uusien matkapuhelinten akut ovat litiumakkuja. Lisäksi litiumakkuja käytetään erilaisissa kameroissa, mediasoittimissa ja nykyään myös sähkötyökaluissa. Akulla ei ole muistiominaisuutta kuten NiCd-akulla. Sen positiivinen elektrodi on litiumoksidia ja negatiivien elektrodi perinteisesti kobolttia. Li-Ion akku tyypillisesti on kevyempi kuin muut akkutyypit ja sen kenojännite on korkea 3,6 volttia. Litium on kevein metalli ja hyvin reaktiivinen esimerkiksi veden kanssa. Tämän takia akku on usein muovikuorien ja pakattu ilmatiiviisti. Väärinkäytettynä akku voi vaurioitua ja jopa räjähtää. Akun kennojännite ei saa laskea liian matalaksi ja siksi akut onkin varustettu sisäisellä turvapiirillä joka katkaisee piirin jos se havaitsee yli tai alijännitteen. joissain turvapiireissä on myös suoja liialliselle lämpötilalle ja oikosululle. Litium on kaikista metalleista kevein ja tarjoaa suurimman sähköpotentiaali arvon. Lisäksi litiumakulla on suurin energiatiheys painoon nähden. Usein kun puhutaan litiumakusta, tarkoitetaan litiumioniakkua. Litium tarjoaisi suuremman energiatiheyden kuin litiumionit mutta se ei olisi yhtä turvallinen ladata. Litiumioniakun energiatiheys on tyypillisesti kaksinkertainen verrattuna normaaliin nikkeli-kadmium akkuun. Kennon jännite on 3,6 volttia mikä mahdollistaa laitteen käytön usein yhdellä kennolla. Useat tämän päivän matkapuhelimet toimivatkin yhdellä kennolla. Nikkelipohjaisia 1,2 voltin akkuja pitäisi kytkeä kolme sarjaan. Litiumioniakussa ei ole muistiominaisuutta eikä sitä tarvitse purkaa tyhjäksi ennen latausta säilyttääkseen eliniän. Itsepurkautuminen on vain puolet verrattuna nikkelikadmium-akkuun. Vaikka litiumioniakulla on paljon hyviä puolia, on sillä myös huonoja puolia. Akun rakenne on hauras joten se pitää vahvistaa kotelolla. Lisäksi akkuun pitää sijoittaa turvapiiri joka estää yli- ja alijännitteen latauksen ja purun aikana. Usein turvapiiri sisältää myös lämpötila-anturin. Ikääntyminen on yksi litiumioniakun ongelmista. Osa litiumakun kapasiteetista menetetään jo vuoden päästä vaikka akkua ei käytettäisi. Kuitenkin akkua voidaan käyttää yli viisi vuottakin ongelmitta. Ikääntyminen johtuu kosteudesta jota pääsee aina hieman akun sisälle. Ikääntymistä voi hidastaa säilyttämällä akkua viileässä ja osittain ladattuna. Moni valmistaja suosittelee 40 % varausta säilytyksen ajaksi. Litiumioniakut
15 voidaan valmistaa joko pyöreiksi sylinterimäisiksi tai ohuiksi levyiksi. Tosin ohuet ovat kalliimpia kuin sylinterimäiset. [1] 7.2. Edut ja haitat Edut: Suuri energiatiheys Ei tarvitse ajoitettua latausta Pieni itsepurkautuminen Ei muistiominaisuutta Myös suuritehoisiin sovelluksiin Haitat: Vaatii turvapiirin Ikääntyminen vaikkei käytössä Kallis valmistaa. Noin 40 % kalliimpi kuin nikkeli-kadmium Kehittyy vielä 7.3. Säilytys Litiumakut suositellaan säilytettävän viileässä 40 % täysvarauksesta tai noin puolillaan, mutta ei tyhjänä. Vaaran litiumakun säilytyksessä on esimerkkinä kannettavan tietokoneen akku joka ensin käytetään tyhjäksi niin että turvapiiri katkaisee piirin jotta kennojännite ei menisi liian alas. Nyt jos jätetään tietokone lataamatta niin akun itsepurkautuminen joka on noin 5-10 % kuukaudessa purkaa akkua hiljalleen jota turvapiiri ei voi estää. Akku saattaa alkaa vuotamaan tai mennä käyttökelvottomaksi. Yksikin tällainen kerta vaurioittaa akkua, eikä sitä voi elvyttää. Kuitenkin litiumakku purkaa itseään huomattavasti vähemmän kuin Ni-Cd- tai Ni-Mh-akut ja vain hieman enemmän kuin lyijyakku. [1]
8. Litiumpolymeeriakku 16 8.1. Toimintaperiaate ja käyttö Litiumpolymeeriakku lyhennetään usein Li-Po. Polymeerillä voidaan korvata nestemäinen elektrolyytti joka lisää turvallisuutta. Tavallisessa litiumioniakussa elektrodien välissä on elektrolyyttiin kostutetut huokoiset erottimet jotka pitävät elektrodit irrallaan, mutta mahdollistavat elektrolyytin kosketuksen molempiin elektrodeihin. Litiumpolymeeriakun elektrodien välissä on hyvin ohut polymeerikerros joka ei johda sähköä, mutta sallii litiumionien kulkea lävitseen. Tekniikka mahdollistaa jopa yhden millin paksuiset kennorakenteet. Kuitenkin kuivalla polymeeriakulla ei voida tuottaa yhtä suuria virtoja kuin tavallisella märällä litiumioniakulla, koska sen sisäresistanssi on suurempi. Kompromissiksi on valmistettu litiumakkuja joissa on polymeerikerros johon on lisätty hieman geelimäistä elektrolyyttiä mutta nämä akut ovat jo kemiallisesti ja rakenteellisesti hyvin lähellä normaalia litiumioniakkua jonka erottimet ovat polyeteeniä tai polypropeenia. Valitettavasti polymeeriakkujen kapasiteetti on hieman pienempi kuin normaalin litiumioniakun. 8.2. Edut ja haitat Edut: Erittäin ohut ja joustava rakenne Kevyt Turvallisempi, koska ei voi vuotaa elektrolyyttiä ja siinä on suuri sisäinen resistanssi. Haitat: Matalampi energiatiheys Kallis valmistaa Ei standardikokoja
9. Akkujen kierrätys 17 9.1. Yleistietoa ympäristöhaitoista Euroopan unionin markkinoille saapuu vuosittain 160 000 tonnia kannettavia akkuja ja paristoja, 800 000 tonnia ajoneuvoakkuja ja paristoja sekä 190 000 tonnia akkuja ja paristoja teollisuuden käyttöön. Osa näistä sähkökemiallisista laitteista sisältää huomattavan suuria määriä raskasmetalleja, pääasiassa elohopeaa (Hg), lyijyä (Pb) ja kadmiumia (Cd). Lisäksi niissä käytetään muita ympäristölle haitallisia aineita, kuten sinkkiä, kuparia, mangaania, litiumia ja nikkeliä. [10] Raskasmetallit, erityisesti lyijy, elohopea ja kadmium, ovat haitallisia ympäristölle sen vuoksi, että ne ovat erittäin pysyviä. Kerran luontoon päästyään, ne jäävät sinne, sillä ne eivät liukene veteen ja sitä kautta laimene. Esimerkiksi elohopea, jota käytetään muun muassa paristoissa ja loisteputkissa, muuttuu luonnossa mikrobitoiminnan seurauksena metyylielohopeaksi CH 3 Hg, joka on erittäin haitallinen keskushermostolle. Tässä muodossa se on ainoa metalli, joka rikastuu ravintoketjussa, sillä se sitoutuu eläinten elimistöissä valkuaisaineisiin. [11] Kierrätyksen kannalta olisi tietenkin helpointa, jos kaikki akut voitaisiin korvata ympäristöystävällisimmillä vaihtoehdoilla, kuten nikkeli-hydridi- tai litium-ioni akuilla. Se ei kuitenkaan, ainakaan toistaiseksi, ole mahdollista akkumateriaalien erilaisten ominaisuuksien vuoksi. Esimerkiksi johdottomissa työkaluissa käytettävien NiCd-akkujen kestävyys on kovassa käytössä aivan toista luokkaa kuin olisi vaikkapa Li-ionin vastaavassa tilanteessa. Siksi huomio onkin tällä hetkellä kiinnitettävä haitallisia aineita sisältävien (ja muidenkin) akkujen ja paristojen huolelliseen kierrätykseen. Jätteenkäsittelylaitoksessa kerätyistä akuista ja paristoista pystytään erilaisten polttoprosessien kautta erottelemaan eri metallit, jotka sitten kerätään talteen uusiokäyttöä varten. [1] 9.2. Kierrätykseen liittyvää liiketoiminta Suomessa NiCd-akut ja elohopeaa sisältävät paristot luokitellaan ongelmajätteeksi. Muut alkaliparistot ja tavalliset ruskokiviparistot sekä hopeaoksidi- tai litiumparistot eivät ole ongelmajätettä, vaikka ne eivät kelpaakaan normaalin kaatopaikkajätteen sekaan laitettaviksi. Suomalainen Ekokem Oy ilmoittaa toimittavansa paristo- ja akkujätteen suhteellisen vähäisen kokonaismäärän vuoksi ulkomaille hyötykäyttömateriaaliksi. Samalla ilmoitetaan hyötykäyttöasteen liikkuvan vähintään 50 prosentista parhaimmillaan lähes 80 prosenttiin. [12] Lisäksi, 28.9.2007 julkaistun lehdistötiedotteen mukaan yhtiö on tiivistänyt yhteistyötä suomalaisen kuiva-akkuja ja
18 paristoja hyötykäyttävän AkkuSer Oy:n kanssa. AkkuSer Oy:n toimitusjohtaja toteaa tiedotteessa, että he tulevat hyödyntämään käytettyjä pienakkuja tehokkaasti yhteistyöyritystensä kautta siten, että jalostettuaan akku- ja paristoraaka-aineet palautuvat kokonaisuudessaan uusiokäyttöön. Todettakoon vielä, että vastikään Nivalaan rakennettu AkkuSer Oy:n kierrätyslaitos on pohjoismaissa ensimmäinen laatuaan, sillä se kykenee kierrättämään ongelmajätteeksi luokiteltavat kuiva-akut ja paristot ympäristöystävällisesti. Luonnollisesti, myös muita toimijoita tällä alalla on, mutta nämä yritykset lienevät kuitenkin tunnetuimpia alansa erikoisosaajina. [6] 9.3. Lainsäädännöstä Tekniikan kehittyminen ja sen myötä sähkölaitteiden käytön lisääntyminen niin teollisuudessa kuin kotitalouksissakin on saanut myös päättäjät uudistamaan sähkö- ja elektroniikkalaitteiden kierrätystä koskevaa lainsäädäntöä. Ainakin EU:ssa on 2000- luvulla otettu monta edistysaskelta ympäristön suojelemiseksi, josta seurauksena esimerkiksi direktiivit RoHS, REACH, WEEE sekä tässä luvussa tarkemmin käsiteltävä Akku- ja paristodirektiivi. Euroopan Parlamentti ja Neuvosto antoivat 6. syyskuuta 2006 direktiivin 2006/66/EY, paristoista ja akuista sekä käytetyistä paristoista ja akuista ja direktiivin 91/157/ETY kumoamisesta. Tämä, lyhyemmin paristo- ja akkudirektiivi astuu voimaan kahden vuoden siirtymäajan jälkeen vuonna 2008.. Uusi direktiivi korvaa siis entisen vuodelta 1991 olevan direktiivin, joka koski ainoastaan runsaasti elohopeaa, kadmiumia tai lyijyä sisältäviä ns. vaarallisia paristoja ja akkuja sekä niistä syntyvää jätettä. [13; 10] Akku- ja paristodirektiivin keskeisin tavoite on artiklan 7 mukaan toteuttaa jäsenvaltioissa, kuljetusten ympäristövaikutukset huomioon ottaen, tarvittavat toimet, jotta voitaisiin maksimoida käytettyjen paristojen ja akkujen erilliskeräys. Tämän lisäksi tavoitteena on minimoida paristojen ja akkujen hävittäminen sekalaisena yhdyskuntajätteenä. Toisin sanoen päämääränä on saavuttaa mahdollisimman korkea keräys- ja kierrätystaso kaikille yhteisön alueella oleville käytetyille akuille ja paristoille. [13] Korkean kierrätystason saavuttamiseksi on jäsenvaltioiden sekä direktiivien 2006/66/EY 8 artiklan että 2002/96/EY (WEEE) 5 artiklan 2 kohdan mukaisesti varmistettava loppukäyttäjille (väestön tiheys huomioon ottaen) helppopääsyinen keräyspiste, jonne käytöstä poistettavat kannettavat akut ja paristot voi vähintään ilmaiseksi toimittaa. Tuottajilta tämä edellyttää kyseisenlaisen järjestelmän perustamista sekä muilta taloudellisilta toimijoilta näihin järjestelmiin osallistumista. [13; 14]
19 Teollisuusakuille ja paristoille keräys suoritetaan siten, että tuottajat tai heidän nimissään toimivat kolmannet osapuolet vastaanottavat käytöstä poistettavat laitteet. Ajoneuvoakuille ja paristoille tulisi jäsenvaltioiden myös varmistaa, että kyseisten laitteiden tuottajat (tai kolmannet osapuolet) perustavat maksuttomia keräyspisteitä tarjoavan järjestelmän. Artiklassa 16 velvoitetaankin tuottajat tai heidän puolestaan toimivat kolmannet osapuolet rahoittamaan kaikkien edellämainittujen käytettyjen akkujen ja paristojen kierrätys-, keräys- ja käsittelynettokustannukset sekä näitä koskeva julkinen tiedotus. [13] Suomeen syntyneitä tuottajayhteisöjä on kaikkiaan viisi kappaletta: NERA (Nordic Electronics Recycling Association) eli Pohjoismaiden Elektroniikkakierrätysyhdistys ry, SER-Tuottajayhteisö ry (SERTY) sekä Elkertuottajaryhmittymä, johon kuuluvat SELT ry ja ICT-Tuottajaosuuskunta-TY ja FLIP ry. [15] Käytettyjen akkujen ja paristojen keräysasteelle asetetaan seuraavanlaiset tavoitteet uusimmassa direktivissä (2006/66/EY): a) 25 % viimeistään 26.9.2012; b) 45 % viimeistään 26.9.2016. Keräysasteella tarkoitetaan tiettynä kalenterivuonna prosenttiosuutta, joka saadaan jakamalla kyseisenä vuonna kerättyjen käytettyjen kannettavien akkujen ja paristojen paino niiden kannettavien akkujen ja paristojen keskimääräisellä painolla, jotka tuottajat (tai kolmannet osapuolet) myyvät loppukäyttäjille kyseisenä ja kahtena sitä edeltävänä vuonna. [13] Akku- ja paristodirektiivin myötä voimaan astuvat kiellot koskevat sekä yli 0,0005 painoprosenttia elohopeaa että yli 0,002 painoprosenttia kadmiumia sisältäviä akkuja ja paristoja, huolimatta siitä, ovatko ne laitteisiin kiinnitettyjä vai kannettavia. Kielloista ensimmäinen ei koske enintään 2 painoprosenttia elohopeaa sisältäviä nappiparistoja. Jälkimmäinen kielto ei koske niitä kannettavia akkuja ja paristoja, jotka on tarkoitettu käytettäviksi hätä- ja hälytysjärjestelmissä, lääkinnällisissä laitteissa tai johdottomissa työkaluissa. Johdottomien työkalujen osalta komissio antaa neljän vuoden sisällä kertomuksen tarvittaessa parannusehdotuksineen siitä, kuinka kadmiumin käyttö voitaisiin kieltää akuissa ja paristoissa kokonaan. [13]
10. Tulevaisuus 20 10.1. Näkymät Akut eivät ole muuttuneet paljon viimeisen sadan vuoden aikana, mutta kehittyneet. Akut pystyvät säilyttämään verrattain vähän energiaa kun otamme huomioon tämän päivän energian kulutuksen. Kuitenkin akut ovat välttämätön energianlähde käytettävissä sovellutuksissa Akut ovat olleet selkeästi kehityksen este mobiilisovelluksissa. Laitteiden suunnittelu on toteutettu pitkälti akun ympärille ja sen asettamilla ehdoilla joka on johtanut muun teknologian kehityksen kulkemisen samaan tahtiin kuin akkujen. Vaikka uusien laitteiden toiminta-aika on kasvanut, se ei ole yksistään kasvaneen akkujen energiatiheyden ansiota. Paljon kehitystä on syntynyt sovellusten tehon käytössä jota on saatu vähennettyä. Tämä kehitys on kuitenkin usein asettanut rajoja esimerkiksi kannettavine tietokoneiden kellotaajuuksille. Akut ovat olleet suurin este sähköautojen yleistymiselle. Lyhyet toimintaetäisyydet ja suuret akustojen painot yhdessä lyhyen käyttöiän myötä ovat pitäneet sähköautot poissa yleisestä käytöstä. Akkujen kehitys on pitkään ollut tasaista. Vuosittainen lisäys kapasiteettiin on ollut vain noin 6 %. Verrattain mikroelektroniikkaan jossa kehitys on seurannut Mooren lakia, on huomattavasti nopeampaa. [1] 10.2. Polttokennot Korvaako polttokenno akun? Vaikka polttokennot keksittiin 1839, ne eivät ole vieläkään kovin yleisesti käytössä. Verrattuna polttomoottoriin jonka kehitys on alkanut samoihin aikoihin kuin polttokennon, on polttokennojen käyttö lähes olematonta. Polttokennoja on käytetty 60-luvulla avaruussovelluksissa ja 90-luvulla auto kokeiluissa, mutta kustannukset wattia kohden ovat vielä kymmenkertaiset polttomoottoriin verrattuna. Polttokennojen ollaan odotettu syrjäyttävän akut mobiilisovelluksissa. Kuitenkin polttokennojen ominaisuudet esim kylmäkäynnistys asettaa rajoituksia niiden yleistymiseen ja ennen kuin nämä ongelmat ovat voitettu, voidaan polttokennoja käyttää lataamaan akustoja. Polttokennot soveltuvat kuitenkin erikoissovelluksiin joissa ei saa syntyä päästöjä ja tarvitaan kenties puhdasta vettä esimerkiksi sukellusveneet ja avaruussukkulat.