Erkki Saarikettu LITIUMIONIAKUN VALMISTUS

Erkki Saarikettu LITIUMIONIAKUN VALMISTUS Opinnäytetyö KESKI-POHJANMAAN AMMATTIKORKEAKOULU Kemiantekniikan koulutusohjelma Toukokuu 2009

TIIVISTELMÄ OPINNÄYTETYÖSTÄ Yksikkö Tekniikka ja liiketalous Kokkola Aika 4.4.2009 Koulutusohjelma Kemiantekniikan koulutusohjelma Työn nimi Litiumioniakun valmistus Työn ohjaaja DI, KM Maija Rukajärvi-Saarela Työelämäohjaajat Toimitusjohtaja Olle Sirén Keliber Oy Tutkija Siru Tuomaala, Kokkolan yliopistokeskus Chydenius Tekijä/tekijät Erkki Saarikettu Sivumäärä 31 + 3 liitettä Tämän työn tarkoituksena oli selvittää Keliber Oy:lle litiumioniakun valmistusta ja akun valmistusprosessia. Lisäksi työhön liittyi selvitys Arbin-bt2043-akuntestauslaitteen toiminnasta ja mahdollisuudesta tehdä joitain yksittäisiä akkutestejä. Tutkimuksen kannalta sopivaa materiaalia hankittiin pääasiassa tietoverkkojen, sähköpostin ja henkilökohtaisten yhteydenottojen avulla. Työn teoreettisessa osassa on käsitelty yleisesti litiumin käyttöä ja ominaisuuksia. Lisäksi siinä kerrotaan litium-ioniakun toimintaperiaatteesta ja akkujen rakenteista. Litiumioniakkutekniikka on myös esitelty Thunder Sky Battery Ltd:n (TS) ja akunhallintajärjestelmien osalta. Työssä on käsitelty maailman suurimman suuritehoisia litiumioniakkuja valmistavan yrityksen TS:n tuotantoprosessia ja sen käyttämiä materiaaleja sekä akkujen koostumusta. Pääpaino on akkujen koostumuksessa ja valmistusprosessissa. Lisäksi on käyty läpi litiumioniakuissa käytettävät akunhallintajärjestelmät, jotka ovat tärkeitä turvallisuuden ja suorityskyvýn kannalta. Tämän opinnäytetyön testauksiin ajatellulla, kauan käyttämättömänä olleella ja massiivisella akuntestauslaitteistolla ei ollut kannattavaa suorittaa yksittäisiä akkutestejä. Asiasanat litiumioniakku, akkuvalmistajat, akun valmistusprosessi

ABSTRACT CENTRAL OSTROBOTHNIA UNIVERSITY OF APPLIED SCI- ENCES Date 4.4.2009 Author Erkki Saarikettu Degree programme Chemical Engineering Name of thesis Manufacturing of a Lithium-ion Battery Instructor Maija Rukajärvi-Saarela Pages 31 + 3 Appendices Supervisors Olle Sirén Siru Tuomaala The aim of this thesis was to examine the process of manufacturing of a lithium-ion battery. Another aim was to find out how the Arbin-bt 2043 battery testing system would work and the possibility to do some tests with it. Research material was acquired from the Internet, by e-mail and by contacting people who were specialists of this field. The theoretical part of the thesis introduces lithium in general and the technique which is used in lithium battery technology. Thunder Sky Ltd (TS) is one of the largest lithium-ion battery manufacturers in the world. TS produces large-capacity lithium-ion batteries in China. The Finnish Electric Vehicle Technologies Ltd (FEVT) produces battery management systems, which are very important to be used with lithium-ion batteries because of safety reasons and better performance. This thesis mostly deals with the manufacturing process and technology of TS batteries. Materials and battery management systems have also been introduced. The battery testing system was old and software outdated; therefore they were not used for the research. Key words lithium, lithium-ion battery, battery manufacturer

KÄYTETYT LYHENTEET EB European Batteries Oy FEVT Finnish Electric Vehicle Technologies BAT Best Available Techniques CCS Cell Control System BMS Battery Management System TS Thunder Sky Battery Ltd LCP Litium-kobolttioksidi LMP Litium-mangaanioksidi LFP Litium-rautafosfaatti TS Thunder Sky Battery Ltd NiMH Nikkelimetallihybridi Ah Ampeeritunti

TIIVISTELMÄ ABSTRACT SISÄLLYS 1 JOHDANTO 1 2 YLEISTÄ 3 2.1 Keliber Oy 3 2.2 Litium 4 2.3 Litiumin käyttö 5 3 LITIUM-IONIAKKU 8 3.1 Yleistä 8 3.2 Litium-ioniakun toimintaperiaate 8 3.3 Akun muodot ja rakenne 10 3.4 Edut ja heikkoudet 12 4 LITIUMIONIAKKUTEKNIIKKA 14 4.1 Thunder Sky Battery Ltd (TS) 14 4.2 Akunhallintajärjestelmät 15 5 LITIUMIONIAKUN KOOSTUMUS 17 5.1 Akkukotelo 17 5.2 Terminaalit 17 5.3 Elektrodit 18 5.4 Pinnoitteet 18 5.5 Elektrolyytti 19 5.6 Erottimet 20 6 LITIUMIONIAKUN VALMISTUS 21 6.1 Kiinan tehtaan tuotantoprosessin yleiskuvaus 21 6.2 Tuotantoprosessi 21 7 POHDINTA 29 LÄHTEET 31 LIITTEET LIITE 1. TS:n tuote-esite LIITE 2. TS:n valmistamien akkujen koostumus LIITE 3. TS:n prosessikaavio

1 1 JOHDANTO Akkuteollisuus on kasvamassa tulevaisuudessa paljon muun muassa hybridiautojen tultua markkinoille. Ilmaston muutos vauhdittaa asiaa, ja öljyn ja hiilen käyttö vähenevät tulevaisuudessa, mikä edistää sähköautojen kehitystä. Hybridiautot käyttävät polttomoottorin lisäksi sähkömoottoria, ja litiumioniakut sopivat hyvin käytettäviksi ominaisuuksiensa puolesta verrattuna moniin muihin akkutyyppeihin. Litiumin energiatiheys on varsin suuri, ja se on kevein metalli. Se on ominaisuuksiltaan parempi kuin muun muassa nikkeliakku, jota on aikanaan jo kokeiltu sähköautoissa, mutta joka on haudattu ongelmiensa vuoksi polttomoottorin vallattua silloisen maailman. Lisäksi litiumioniakku on nykyisin ympäristöystävällinen, taloudellinen ja akunhallintajärjestemien vuoksi myös turvallinen. Akun tehtävänä on varastoida mahdollisimman paljon energiaa ja ladattaessa siirtää se myös nopeasti. Tämä on ollut ongelma, jota ei aiemmin ole saatu ratkaistua, mutta litiumioniakkujen avulla saattaa sekin ongelma olla ratkaistu. Kysynnän kasvaessa tulevaisuudessa ja tuotannon laajetessa myös akkujen hinnat tulevat putoamaan nykyisestä huomattavasti. Thunder Sky on maailman johtava yli 200 ampeeritunnin kokoisten akkujen valmistaja. Suuritehoisten litiumioniakkujen valmistus Suomessakin voisi olla kannattavaa kysynnän kasvamisen ja hyvän tehokkaan tuotannon sekä laatutekijöiden vuoksi. European Batteries Oy on jo rakentamassa Varkauteen suuritehoisia litiumioniakkuja valmistavaa tuotantolaitosta, joka on tarkoitus käynnistää keväällä 2009. Tämän opinnäytetyön tarkoituksena oli selvittää litiumioniakun valmistusta ja tuotantoprosessia. Työssä oli tarkoitus selvittää erityisesti suuritehoisten litiumioniakkujen valmistusta. Näiden akkujen käyttö kasvaa tulevaisuudessa voimakkaasti erityisesti hybridi- ja sähköautojen kasvavan suosion vuoksi. Lisäksi tavoitteena oli selvittää Arbin BT-2043- akuntestauslaitteen toimintaa ja tehdä mahdollisesti joitain testejä. Työssä perehdytään pääasiassa suuritehoisten litiumioniakkujen toimintaan ja valmistukseen sekä käydään läpi litiumioniakkutekniikka. Lisäksi selvitetään akun koostumusta ja

2 käytettäviä materiaaleja. Työ tehdään Keski-Pohjanmaalla toimivalle kaivosyhtiö Keliber Oy:lle, jolla on kolmen eri litiumesiintymän kaivosoikeudet. Sen tarkoituksena on aloittaa litiumin tuotanto vuoden 2010 tienoilla päätuotteenaan litiumkarbonaatti (Li 2 CO 3 ).

3 2 YLEISTÄ 2.1 Keliber Oy Keliber Oy on Keski-Pohjanmaalla toimiva kaivosyhtiö, joka on osa norjalaista Nordic Mining Groupia. Yhtiön omistus koostuu norjalaisen kaivosyhtiön Nordic Mining ASA:n (68 %) ja suomalaisten yksityishenkilöiden (32 %) omistuksesta. Yhtiö perustettiin kaivosalan tutkimus- ja kehitysyhtiöksi ja muutettiin vuonna 2006 kaivosyhtiöksi. Yhtiön hallussa on kolmen eri litiumesiintymän kaivosoikeudet. Keliber Oy on kehittänyt tuotantoprosessin, joka mahdollistaa kilpailukykyisen tuotannon, ja tuotannon on tarkoitus alkaa vuonna 2010 päätuotteenaan litiumkarbonaatti. (Keliber 2008a.) Tutkimus akkukemikaalien valmistamisesta litiumkarbonaatista on parhaillaan käynnissä. Projektin osapuolina ovat Tekes ja Oulun yliopisto. Yrityksistä mukana ovat Nordic Mining ASA, Keliber Oy, OMG Kokkola Chemicals Oy ja Akkuser Oy. Yleisenä tavoitteena projektilla on edistää uuden kaivos- ja kemianteollisuuden syntymistä Suomeen. Teknologisena tavoitteena on löytää litiumkarbonaatille uusia jatkojalostusreittejä litiumakkukemikaalituotannossa. Tavoitteena on myös hankkia ja omaksua tietoa litiumakkukemikaalien materiaalikemiasta, valmistusteknologioista, karakterisoinnista ja testaamisesta. (Chydenius 2008.) Keliber Oy käyttää BAT-tekniikkaa (Best Available Techniques), joka tarkoittaa tehokkainta ja kehittyneintä tekniikkaa taloudellisesti, teknisesti ja ympäristöystävällisesti. Prosessiin tuleva kiviaines voidaan hyödyntää varsin tehokkaasti, sillä 85 95 % aineksesta saadaan talteen hyvien sivutuotteiden ansiosta. Prosessi puolestaan koostuu louhinnasta, murskauksesta, jauhatuksesta, rikastuksesta, kiderakenteen muutoksesta ja liuotuksesta. Tuotantokustannuksia voidaan huomattavasti pienentää biokaasun avulla. (Keliber 2008b.) Litiumin tuotantoprosessi on esitetty kuviossa 1.

4 KUVIO 1. Keliber Oy:n tuotantoprosessi (Keliber 2008b.) 2.2 Litium Litium kuuluu alkalimetalleihin ja on erittäin reaktiivinen sekä reagoi kiivaasti muun muassa veden ja ilman kanssa. Litium on ominaisuuksiltaaan varsin hyvä metalli akkuteollisuuden käyttöön, koska se on kevein metalli. Lisäksi sen energiatiheys on varsin suuri ja sillä on suuri pelkistyspotentiaali. Tämä on hyvä ominaisuus autoteollisuuden siirtyessä palvelemaan yhä enemmän hybridiautoilua ja tulevaisuudessa ehkä jopa kokonaan sähköllä toimivia autoja. Ilmastonmuutos vauhdittaa tätä prosessia ja antaa uskoa kehittää litiumakkutekniikkaa tulevaisuudessa. (Keliber 2008b; Kaivosseminaari 2007a.) Litiumkemikaalit valmistetaan nykyisin suurimmalta osaltaan suolajärvistä peräisin olevista raaka-aineista, ja niitä valmistetaan teollisesti jo yli 80 erilaista. Litium- mineraaleja ovat spodumeeni, petaliitti ja lepidoliittirikasteet, jotka esiintyvät kallioperän pegmatiiteissa. Litiumkemikaalien kolme päätuottajaa ovat SQM Chilessä, Chemetall Chilessä ja

5 USA:ssa sekä FMC Lithium Argentiinassa. Salar de Atacaman suolajärvi Chilessä on tärkein litiumin lähde maailmassa. Muun muassa Brasiliassa ja Kiinassa tuotetaan litiumkemikaaleja spodumeenista. Litiummineraalien kolme päätuottajaa ovat Sons of Gwalia Australiassa, Tanco Kanadassa ja Bikita Minerals Zimbabwessa. Muita pienempiä tuottajia ovat Brasilia ja Portugali. (Kaivosseminaari 2007a.) 2.3 Litiumin käyttö Litiumakkuja on tutkittu jo 1970-luvulta lähtien, mutta aluksi metalliseen litiumiin perustuneet versiot kärsivät huonosta uudelleenvarauskyvystä. 1980-luvulla päädyttiin litiumionitekniikkaan tutkimalla hiilipohjaisia elektrodeja. Ensimmäiset litium-ioniakkujen energiatiheydet olivat 90 Wh/kg, ja vuosituhannen vaihteessa ne olivat jo 150 Wh/kg. Muutokseen ovat vaikuttaneet akun sähkökemialliseen reaktioon osallistumattomien osien keveneminen ja tilavuuden pieneneminen. Myös kemiallisen tehokkuuden paraneminen on edistänyt kehitystä. (Snellman 2005a.) Litiumin käyttö on viime vuosikymmeninä lisääntynyt huomattavasti ja litiumille on löydetty uusia käyttökohteita. Aiemmin litiumin suurimmat käyttöalueet ovat olleet lasi- ja keramianteollisuus, voiteluaineet ja rasvat sekä alumiinin ja synteettisen kumin valmistus. Akku- ja paristoteollisuus on kasvanut 1990-luvulta lähes nollasta nykyiseen noin 20 %:iin kaikesta litiumin käytöstä. Käytön onkin ennustettu kasvavan erityisesti ladattavien litiumioniakkujen takia voimakkaasti, kuten (kuvio 2) litiumin käytön kasvuennusteesta voidaan havaita. (Keliber 2008c.)

6 Li 2 CO 3 t / a 1000000 900000 800000 700000 600000 500000 400000 Min Max 300000 200000 100000 0 2006 2010 2015 2020 KUVIO 2. Litiumkarbonaatin ennustettu käytön kasvu eri teollisuuden aloilla. (Kaivosseminaari 2007b.) Litiumia ei ole aiemmin käytetty auton akuissa epävarmuustekijöiden takia, mutta tulevaisuudessa litiumioniakku on syrjäyttämässä perinteisesti sähköautoissa käytetyn nikkelimetallihydridiakun parempien ominaisuuksiensa ja kehitystyön takia. Metallihydridiakut antavat kaksi kertaa enemmän sähköä kuin lyijyakut, kun taas litiumakut antavat kaksi kertaa enemmän kuin nikkeliakut. Lisäksi se antaa suuremman jännitteen kuin muut vastaavat akut, ja näin myös energiamäärä kasvaa. Nikkeliakkua joudutaan purkamaan ja lataamaan säännöllisin välein muisti-ilmiön takia, jotta akun kapasiteetti ei heikkenisi. Litiumakut puolestaan saavuttavat yhden latauskerran jälkeen täyden kapasiteettinsa toisin kuin esimerkiksi nikkeliakut. (Rantanen 2008a; Nuutinen 2007, 21.) Kuviosssa 3 nähdään vertailua eri energiatiheysominaisuuksista kolmen eri litiumionikemian ja perinteisten lyijyn, nikkelikadmiumin ja nikkelimetallihydridin välillä.

KUVIO 3. Erilaisten akkujen energiatiheysarvoja (Superbpower 2008.) 7

8 3 LITIUMIONIAKKU 3.1 Yleistä Jotta akku on täydellinen, sillä tulee olla mahdollisimman suuri varauskapasiteetti, nopea ladattavuus ja pieni koko. Lisäksi sen tulisi olla kohtuullisen edullinen ja sen pitäisi kestää useita vuosia. Akku on sähkökemiallisen energian varastointijärjestelmä. Se muuntaa sähkökemiallisessa reaktiossa kemiallista energiaa sähköenergiaksi, jota mitataan wattitunteina (Wh). Akku sisältää tavallisesti useita kennoja, joiden perusrakenne on hyvin yksinkertainen. Kennossa kaksi elektrodia on upotettu elektrolyyttiliuokseen. Kun elektrodien välille kytketään kuormaksi ulkoinen resistanssi, käynnistyy akun sähkökemiallinen reaktio ja virta alkaa kulkea kuorman kautta. (Snellman 2005a.) Ladattavien akkujen varaaminen taas perustuu käänteiseen sähkökemialliseen reaktioon, jossa purkautunut akku varataan sähkövirran avulla uudelleen. Akkujen vertailussa käytetään usein tunnuslukuina energiaa massa- tai tilavuusyksikköä kohti (Wh/kg, Wh/l), tehoa massayksikköä kohti (W/kg) sekä purkau-latausjaksojen maksimimäärää, joka samalla sanelee akun käyttöiän. (Snellman 2005a.) 3.2 Litiumioniakun toimintaperiaate Litiumioniakku varastoi energian litiumionien muodossa. Elektrodien välillä tapahtuvan Li-ionien liikkeen avulla energia voidaan muuntaa sähkövirraksi. Litiumioniakku koostuu yleensä huokoisesta grafiittianodimateriaalista, johon on sekoitettu litium-metallia ja johon elektrolyyttissä olevat litiumionit varastoituvat. Katodimateriaaleina voi toimia muun muassa huokoinen metallioksidimateriaali, kuten esimerkiksi litiumkobolttioksidi (LiCoO 2 ), litiummangaanioksidi (LiMnO 2 ) tai kobolttinikkelioksidi (LiCoNiO 2 ). Elektrolyyttinä käytetään vedettömiä seoksia litiumin reaktiokyvyn vuoksi. Lisäksi sen tulee johtaa hyvin ioneja ja sen on säilytettävä nestemäinen olomuoto koko toimintalämpöalueella. Elektrolyyt-

9 tinä voi toimia esimerkiksi litiumheksafluorifosfaatti (LiPF 6 ). (Snellman 2005a; Nuutinen 2007, 21 22.) Kun ladattu akku kytketään kuormaan, litiumionit siirtyvät elektrolyytin välityksellä anodilta katodille. Tämä mahdollistaa elektronien irtoamisen anodilta, jolloin ne luovuttavat virtaa ulkoiselle laitteelle. Kuviossa 4 on esitetty tämä litiumionikennon toimintaperiaate. Anodi on litiumilla saostettua grafiittia, katodi yleensä metallioksidia, negatiivinen virrankeräyslevy kuparia ja positiivinen virrankeräyslevy alumiinia. Isompiin akkuihin mahtuu enemmän litiumioneja, jolloin myös akun kapasiteetti ja tehokkuus kasvavat, kun elektrodipinta-ala kasvaa. Latauksessa prosessi tapahtuu päinvastoin. (Snellman 2005a; Nuutinen 2007, 21 22.) KUVIO 4. Litiumionikennon toimintaperiaate (Snellman 2005a.)

10 3.3 Akun muodot ja rakenne Litiumioniakun rakenteen tulee olla kestävä ja helppo valmistaa. Rakenteen täytyy pysyä hyvin koossa, ja lämmön tulee päästä helposti ulos, mikä on erityisen tärkeää hybridiautoissa. Pieni massa on etuna muihin akkutyyppeihin verrattuna. (Vuorilehto 2008.) Tyypilliset litiumioniakkujen muodot ja rakenteet on esitetty kuvioissa. Kuviossa 5 nähdään yleisrakenne halkaistusta sylinterin muotoisesta akusta. Pinoamisjärjestys koostuu seuraavasti: positiivinen elektrodi, erotin, negatiivinen elektrodi, erotin, positiivinen elektrodi jne. Ylhäällä ovat positiivinen terminaali, tiiviste, eriste, virran purkuaukko ja pohjalla eriste. KUVIO 5. Sylinterin muotoinen akku ja sen rakenne (Airship 2009.) Kuviossa 6 on elliptisen muotoinen akku, joka on yleisesti käytössä esimerkiksi kännyköissä. Katodin pinnoitemateriaalina käytetään litiumferriittiä (LiFePO 4 ). Kuviosta nähdään myös litiumioniakun toimintaperiaate.

11 KUVIO 6. Elliptisen muotoinen akku. (Vuorilehto 2008.) Kuviossa 7 nähdään tyypillinen sähköautoissa käytetty akkutyyppi. Liitteessä 1 nähdään tuote-esite kyseisestä akusta. KUVIO 7. Särmiön muotoinen akku (ThunderSky 2009.)

12 3.4 Edut ja heikkoudet Litium on tunnetuista metalleista kevein, ja sen energiatiheys (Wh/kg) on varsin suuri verrattuna muihin akkutyyppeihin. Litiumioniakulla voidaan helposti toteuttaa yksikennoisia ratkaisuja muun muassa puhelimien akkuihin, sillä sen kennojännite (3,6 V) on kolme kertaa suurempi esimerkiksi nikkeliakkuihin verrattuna. Suurena etuna on myös niin sanotun muisti-ilmiön puuttuminen. Muisti-ilmiö aiheuttaa muun muassa nikkeliakkujen täyden purun ja lataamisen sännöllisesti, jottei akkujen kapasiteetti heikkenisi. Litiumakkujen itsepurkautuminen on myös verrattain vähäistä muihin vastaaviin akkuihin verrattaessa. (Snellman 2005a; Nuutinen 2007, 21.) Pisimpään käytössä olleet litium-kobolttiakut eivät ole täysin stabiileja, mikä voi aiheuttaa akun lämpötilan äkillistä kasvamista. Jos akun lämpötila nousee liian korkeaksi voi katodipinnoite alkaa käyttäytyä epästabiilisti, mikä johtaa akun räjähtämiseen. Ongelma voidaan kuitenkin poistaa akunhallintajärjestelmällä. Mangaaniakuilla on parempi stabiilisuus kuin kobolttiakuilla, mutta tämänkin tekniikan on osoitettu käyttäytyvän korkeissa lämpötiloissa epästabiilisti. Uusin markkinoille tullut litiumioniakuissa käytetty katodipinnoitemateriaali on ferriittipinnoite, joka on todistettavasti huomattavasti mangaani- ja kobolttioksidipinnoitteita stabiilimpi materiaali. (Snellman 2005a; Nuutinen 2007, 21 22.) Litiumioniakun latauskäyrät nähdään kuviosta 8. Ensimmäisessä vaiheessa latausvirta nostetaan niin suureksi, että kennojännete nousee maksimiin (4,2 V). Toisessa vaiheessa latausvirta laskee, kunnes kenno saavuttaa maksimaalisen varaustason. Kolmannessa vaiheessa latausvirta katkaistaan, kun se on pienentynyt alle kolmeen prosenttiin nimellisvirrasta. Eräät laturit kytkevät kennoon vielä ajottaisen ylläpitovirran. (Snellman 2005a; Nuutinen 2007, 21 22.)

KUVIO 8. Litiumioniakun tyypillinen latauskäyrä (Snellman 2005a.) 13

14 4 LITIUMIONIAKKUTEKNIIKKA Thunder Sky Battery Ltd (TS) on maailman johtava suurikapasiteettisten (>200 Ah) litiumioniakkujen valmistaja. Yhteistyössä TS:n kanssa toimii FEVT (Finnish Electric Vehicle Technologies), ja nämä yhdessä kehittävät litiumioniakkuja ja niihin sopivia akunhallintajärjestelmiä. Akunhallintajärjestelmien tarkoituksena on taata akun käyttöturvallisuus sekä hallita akun purkua ja latausta. Lisäksi myös akkujen käyttöikä pitenee ja ominaisuudet paranevat. Yhteistyössä FEVT:n kanssa toimii myös Varkaudessa keväällä 2009 aloittava suurikapasiteettisten (>200 Ah) akkujen valmistaja European Batteries Oy (EB). FEVT toimittaa EB:lle sen kehittämän ja patentoiman akkujen ohjaus- ja hallintajärjestelmän (CCS, Cell Control System). Näitä suurikapasiteettisten akkujen valmistajia on maailmassa tällä hetkellä vain muutamia. (Fevt 2008; Nuutinen 2007, 11 12.) 4.1 Thunder Sky Battery Ltd (TS) Thunder Sky Battery Ltd (TS) on kiinalainen litiumioniakkuja kehittävä ja valmistava yritys, joka perustettiin vuonna 1998. Winston Chung toimii teknologian ja tuotannon pääkehittäjänä ja on kehittänyt ja keksinyt tekniikan suurikokoisten litiumioniakkujen tuotannossa. Suurin TS:n valmistama akku on kapasiteetiltaan 10 000 Ah. TS:n käyttämä tuotantoprosessi kattaa ISO 9001:n laatustandardi- ja 14001:n ympäristöstandardivaatimukset. TS:n käyttämät katodipinnoitteiden pääkomponentit ovat litiumkobolttioksidi (LCP), litiummangaanioksidi (LMP) tai litiumrautafosfaatti (LFP). Pääkomponenttien lisäksi käytetään muun muassa kromia ja fluoria. Lisäksi akut sisältävät muitakin materiaaleja, jotka ovat valmistajakohtaisia. (Nuutinen 2007, 11 12.) Liitteessä 2 on esitetty edellä mainittujen TS:n valmistamien akkujen koostumus painoprosentteina (Thundersky 2009). TS valmistaa lieriön ja särmiön muotoisia akkuja. Särmiön muotoisissa akuissa terminaalit sijaitsevat päällä, mutta lieriön muotoisissa toinen terminaali on akun päällä ja toinen pohjassa. Akkujen muodot vaikuttavat akun rakenteeseen, mutta sillä ole vaikutusta akun toimintaan. TS valmistaa myös akkuihin sopivia akunhallintajärjestelmiä, mutta ne eivät paranna akkujen ominaisuuksia tai pitkäkestoisuutta, vaan

15 estävät akkujen ylikuumenemisen toimien turvallisuustekijänä. Tämän vuoksi TS on kiinnostunut yhteistyöstä FEVT:n kanssa. (Nuutinen 2007,13.) 4.2 Akunhallintajärjestelmät Akunhallintajärjestelmä pitää jännitteen ja virran arvot halutulla tasolla ja hallitsee akun purkua ja lataamista. Akunhallintajärjestelmän avulla akku on stabiilimpi ja sen elinikää voidaan pidentää. Lisäksi akusta saadaan hetkellisesti suurempaa virtaa jolloin tehokkuus paranee. Suomalainen litiumpohjaisten akkukennojen elektronisten ohjaus- ja hallintajärjestelmien kehittäjä ja valmistaja on FEVT. Näihin viitataan lyhenteillä BMS tai CCS (Battery Management System ja Cell Control System). Yrityksen päämääränä on kehittää menetelmiä, jotka auttavat sähkökäyttöisten kulkuneuvojen ja laitteiden käyttöönottoa ja kehitystä energiataloudelliseen ja ympäristöystävälliseen suuntaan. Erona FEVT:n ja kilpailijoiden välillä on se, että FEVT:n akunhallintajärjestelmään voidaan vaikuttaa myös myöhemmin akun käyttöönoton jälkeen, kun taas kilpailijoiden järjestelmät toimivat vain etukäteen asennettujen tietojen perusteella. Lisäksi se kontrolloi eri tavalla akun purkua ja latausta sen mukaan missä kunnossa akku on. (Nuutinen 2007, 15 16.) Kuviossa 9 on esitetty CCS-piirilevy, joka on FEVT:n valmistama. Kuvasta näkee selvästi kontaktipinnat joilla akun ja CCS:n piirilevyn kiinnittäminen toisiinsa tapahtuu.

16 KUVIO 9. Akun terminaalien päälle kiinnitettävä CCS-piirilevy (Nuutinen 2007, 15 16.) Vain lititumioniakut tarvitsevat akunhallintajärjestelmiä turvallisuuden vuoksi. Muilla akuilla, kuten esimerkiksi lyijyakulla, akunhallintajärjestelmän avulla voitaisiin pidentää akun elinikää, mutta se ei ole kannattavaa lyijyakun edullisuuden takia. Lisäksi akunhallintajärjestelmän kehittäminen ja valmistaminen on varsin vaikea prosessi. Akkutyyppi, koko ja käytetty akkutekniikka vaikuttavat akunhallintajärjestelmän rakenteeseen ja asetuksiin. Akunhallintajärjestelmissä käytetyt komponentit ja ohjelmoinnin taso vaikuttavat järjestelmien tehokkuuteen ja hintoihin. Lisäksi myös suojapiirien tasossa on eroja, mistä osittain johtuvat halpojen kännykän akkujen vahingot. (Nuutinen 2007, 17.)

17 5 LITIUMIONIAKUN KOOSTUMUS Akun rakenne koostuu kuudesta eri osasta: kotelo, terminaalit, elektrodit, pinnoitteet, elektrolyytti ja erottimet. (Nuutinen 2007, 28.) Seuraavaksi käsitellään materiaaleilta vaadittavat ominaisuudet ja TS:n akuissa käytettävät materiaalit. 5.1 Akkukotelo Kotelon pitää olla kovaa ja sitkeää materiaalia, joka kestää koviakin iskuja. Esimerkiksi latauksen aikana akku voi laajeta, mikä kotelon pitäisi kestää rikkoutumatta. Muita vaatimuksia on kotelomateriaalin keveys, jotta akun energia-painosuhde pysyisi hyvänä. Kotelomateriaalin pitää olla myös sellaista, että se ei vaikuta kennoissa tapahtuviin reaktioihin. Ajoneuvoissa käytetään yleensä kartion mallisia akkuja, ja ne on yleensä asennettu vierekkäin, sillä ne vievät paljon vähemmän tilaa kuin sylinterin malliset akut. Kotelon valmistuksessa tulee ottaa huomioon, että näiden vierekkäin olevien akkujen väleihin jäisi pienet ilmaraot lämpötilan takia. (Nuutinen 2007, 22.) TS käyttämä kotelomateriaali on polypropeenia. Muitakin mahdollisia kotelomateriaaleja on olemassa, mutta ominaisuuksiensa puolesta kovat muovit ovat parhaita, koska ne ovat kevyitä, eivät vaikuta akussa tapahtuviin reaktioihin ja ovat edullisia valmistaa. (Nuutinen 2007, 28.) 5.2 Terminaalit Terminaalit toimivat akuissa sähkonjohteena akun ulkopuolelle. Akun sisällä ne koskettavat elektrodeja ja ulkopuolella terästä, joten terminaalimateriaali ei saa aiheuttaa galvaanista korroosiota kosketuksessa teräksen kanssa. Terminaalien tulee johtaa mahdollisimman paljon virtaa ylikuumenematta itse. Mikäli ylikuumenemista tapahtuu, ne kuumentavat elektrodit. Tätä voidaan estää suurentamalla kosketuspinta-aloja, jolloin virrantiheyttä saadaan pienemmäksi. Terminaalien riittävä kovuus takaa sen, että kierteet pysyvät ehjinä, kun ruuveja kiinnitetään akkuihin. Terminaalien kovuuden tulisi myös olla riittävä, jottei-

18 vät niiden kierteet murtuisi liian helposti kiinnitettäessä ruuveja akkuihin. (Nuutinen 2007, 22 23.) Nykyisin molemmat terminaalit on tehty alumiinista, kun taas aikaisemmin katoditerminaalien materiaalina käytettiin elektrodien tapaan puhdasta kuparia. Mutterien ja pulttien valmistusmateriaalina on ruostumaton teräs. (Nuutinen 2007, 28.) 5.3 Elektrodit Suurikokoinen pinta-ala elektrodeilla parantaa virrananto- ja vastaanottokykyä. Pinta-alan suurennus voidaan tehdä elektrodiparien määrän kasvattamisella akussa tai niiden koon suurentamisella. Tämä lisää akkujen hetkellistä virran vastaanotto- ja luovutuskykyä. Tulevaisuudessa ovat käyttöön tulossa myös tähän liittyvät nanoteknologiaan perustuvat litiumioniakut, joiden avulla pinta-ala voidaan saada 100-kertaiseksi nanoteknologian avulla. Teho ja kapasiteetti saadaan tämän ansiosta moninkertaiseksi ja akkuja voidaan myös pienentää oleellisesti. (Nuutinen 2007, 23.) Anodin elektrodimateriaalina on puhdas kupari ja katodin elektrodimateriaalina puolestaan alumiiniseos. Elektrodimateriaalit eivät saa osallistua elektrolyytin ja pinnoitteiden välillä tapahtuviin kemiallisiin reaktioihin ollenkaan, vaan ne toimivat akuissa virrankerääjinä ja johtimina. Kupari ja alumiini ovat hyviä materiaaleja elektrodeiksi, koska ne kestävät hyvin korroosiota ja johtavat hyvin sähköä. (Nuutinen 2007, 28.) 5.4 Pinnoitteet Kennojännite määräytyy hapetus- ja pelkistysreaktioiden potentiaalierosta kyseisessä elektrolyytissä. Elektrolyytin koostumus ja käytetty pinnoitemateriaali määräävät kennoissa tapahtuvat reaktiot. Sama periaate on kuitenkin kaikilla pinnoitemateriaaleilla. Akun purussa anodi luovuttaa litiumioneja, jotka elektrolyytin välityksellä siirtyvät katodille. (Nuutinen 2007, 24 25.)

19 Yleinen katodipinnoitemateriaali on litiumkobolttioksidi, joka on yksi tehokkaimmista koska sitä on kehitetty jo kauan. Lisäksi se on suhteellisen kallis materiaali ja myös myrkyllinen. (Vuorilehto 2008.) Turvallisuuden kehittäminen on ollut yksi tärkeimmistä seikoista pinnoitemateriaalien kehityksessä, sillä litiumkobolttioksidi ei ole täysin stabiili korkeissa lämpötiloissa. Sama koskee myös litium-mangaanioksidia (LiMnO 2 ) ja kobolttinikkelioksidia (LiCoNiO 2 ) jotka eivät ole pystyneet syrjäyttämään kobolttioksidia katodimateriaalina. (Nuutinen 2007, 25.) Stabiilimpi pinnoitemateriaali on puolestaan litiumferriitti (LiFePO 4 ), joka on fosfaattipohjainen pinnoite, jonka kehitykseen tulevaisuudessa uskotaan. Hyvänä puolena ovat nopeat lataus- ja purkuominaisuudet, mutta jännite on vastaavasti 3,2 V. (Vuorilehto 2008.) Tehokkaampia litiumvanadiumpinnoitteita on myös kehitteillä, mutta ne ovat epästabiilimpia kuin ferriittipinnoitteet. Lisäksi vanadium on varsin myrkyllistä, mistä saattaa aiheutua vaaraa esimerkiksi valmistus- ja kierrätysvaiheissa. Anodin pinnoitemateriaalina on grafiittipinta. Anodimateriaali ei ole turvallisuuden takia yhtä merkittävä kuin katodimateriaali. Sen kestävyys vaikuttaa kuitenkin merkittävästi akun käyttöikään. Anodimateriaalin kulumisen myötä akun kapasiteetti pienenee ja käyttöikä lyhenee. (Nuutinen 2007, 25 26.) Katodinpinnoitemateriaalin koostumukset TS:n prosessissa ovat seuraavat: LFB:, rauta, fosfaatti, fluori (LiFePO 4 F). LMB: litium, koboltti, mangaani, fluori (LiCoMn 2 F). LCB: litium, koboltti, nikkeli, mangaani, fluori (LiCoNiO 2 Mn 2 O 4 F). TS:n prosessissa anodin pinnoitemateriaalina puolestaan käytetään hiiltä/grafiittia ja nanoselluloosaa. (Nuutinen 2007, 29.) 5.5 Elektrolyytti Elektrolyytti johtaa varautuneita litiumioneja kennossa ja estää samalla elektronien kulkeutumisen elektrodilta toiselle akun sisällä. Elektronien kulkeutuminen elektrodilta toiselle tapahtuu akun ulkopuolisia reittejä pitkin. Akun itsepurkautuminen aiheutuu siitä, että elektrolyytti ei pysty estämään kaikkien elektronien siirtymistä elektrodien välillä. Elektrolyytin johtokykyyn ja sisäiseen resistanssiin voidaan vaikuttaa erilaisten aineiden avulla. Lisäksi esimerkiksi akun lämpötilan noustessa resistanssi pienenee ja akku pystyy luovut-

20 tamaan enemmän virtaa. Akkua ladattaessa elektrolyytissä olevat vapaat litium-ionit siirtyvät katodilta anodille, ja purettaessa vapaat ionit paikkaavat elektronien aiheuttamia varauksia katodipinnoitteella. Akun tyhjentyessä vapaat ionit loppuvat elektrolyytistä ja anodipinnoitteelta. Reaktion jatkumisen estämiseksi on kehitetty akunhallintajärjestelmät estämään akun täydellinen purkautuminen, joka saattaa aiheuttaa elektrodien vaurioitumisen. (Nuutinen 2007, 25 27.) Elektrolyytti koostuu orgaanisista liuoksista, kuten etyylikarbonaatista, dietyylikarbonaatista, etyyliasetaatista ja dimetyylikarbonaatista. Lisäksi elektrolyytti sisältää litiumheksafluorifosfaattia (LiPF 6 ). Elektrolyytti on orgaaninen happoliuos, johon on liuotettu litiumsuoloja, ja se on syttymisherkkää ainetta. Se ei saa sisältää vettä, koska litium reagoi voimakkaasti veden kanssa. (Nuutinen 2007, 28.) 5.6 Erottimet Erottimien tehtävänä on erottaa positiiviset ja negatiiviset elektrodit toisistaan, mutta kuitenkin päästää litiumionit läpi. Sen tulisi olla ohut, jotta se ei veisi turhaa tilaa akussa. Lisäksi sen tulisi olla kestävä elektrodien pinnoitteille muodostuvien epätasaisuuksien vuoksi. Nämä ominaisuudet tulee säilyttää myös korkeammissa lämpötiloissa. Erottimien materiaalina voi olla esimerkiksi nylon, lasikuitukangas, polyeteeni tai polypropeeni. (Nuutinen 2007, 28 30.)

21 6 LITIUMIONIAKUN VALMISTUS Thunder Sky Battery Ltd (TS) on maailman johtava suurikapasiteettisten (>200 Ah) litiumioniakkujen valmistaja. (TS) on kiinalainen litiumioniakkuja kehittävä ja valmistava yritys, joka perustettiin vuonna 1998. Winston Chung toimii teknologian ja tuotannon pääkehittäjänä ja on kehittänyt ja keksinyt tekniikan suurikokoisten litiumioniakkujen tuotannossa. Seuraavaksi kaydään läpi TS:n käyttämä tuotantoprosessi. Liitteessä 3 on esitetty tuotantoprosessikaavio. 6.1 Kiinan tehtaan tuotantoprosessin yleiskuvaus Akkutuotantoprosessi koostuu eri komponenttien kokoamisesta ja yhdistelystä. Raakaaineet ja materiaalit hankitaan ulkopuolisilta valmistajilta. Akkutuotantoprosessi tehtaalla alkaa pinnotteiden valmistamisesta ja jatkuu niiden levittämiseen metallilevyille. Sen jälkeen metallilevyt (elektrodilevyt), leikataan oikean kokoisiksi ja kasataan elektrodikennoksi erottimineen. Seuraavaksi laitetaan elektrodikennot akkukoteloon, syötetään elektrolyytti ja suljetaan kotelo, jolloin akku on valmis. Ulkopuolisesti valmis akku testataan ennen varastointia ja myyntiä lataus-purkusyklillä, jonka jälkeen akku ladataan varastointikuntoon. Kiinan tehtaalla pinnotteiden kuivausvaiheita on prosessissa kolme, sillä kosteutta on voinut kertyä edellisen vaiheen aikana pinnoitetulle elektrodilevylle. (Nuutinen 2007, 49.) Prosessin tarkempi kuvaus on esitetty luvussa 6.2. 6.2 Tuotantoprosessi Pinnoitemateriaalin valmistus Tarkemmat koostumukset pinnoitepulvereiden osalta ovat patentoituja, ja ne valmistetaan TS:n omalla tehtaalla. Tehtaalla pinnoitteen valmistus tapahtuu sekoittamalla slurry mix -laitteella pulveri, tislattu vesi ja etanoli keskenään. Molemmille pinnoitteille, sekä positiiviselle että negatiivisille, on omat sekoittajansa. Työntekijät siirtävät pulvereita sekoittajiin ja tyhjentävät sekoittajat pinnoitteesta sekoituksen loputtua. Käytössä olevat sekoittajat

22 pystyvät kerralla sekoittamaan 300 kg pinnoitetta, mikä kestää kolme tuntia. Sekoittajat pestään hyvin eri pinnoitemateriaalien, kuten koboltin ja mangaanin vaihdon yhteydessä. (Nuutinen 2007, 49 50.) Pinnoitteen kiinnittäminen metallikalvoihin Katodipinnoite on joko koboltti, mangaani tai ferriittipinnoite. Toiseen pinnoituslaitteeseen syötetään katodipinnoite sekä alumiinikalvo ja toiseen anodipinnoite ja kuparikalvo. Laitteet levittävät pinnoiteaineen tasaisesti metallikalvoille. Ohuet kupari- ja alumiinikalvot ovat levyjä, jotka tuodaan prosessiin rullina, joiden pituus vaihtelee 800 metristä 1600 metriin. Työntekijät valvovat laitteen molemmilla puolilla elektrodilevyn syöttöä ja vastaanottoa. (Nuutinen 2007, 49 50.) Elektrodilevyjen kuivaus Pinnoituslaitteiden jälkeen elektrodilevyrullat kuivataan elektrodilevykuivaimella. Tarkoitus on poistaa pinnoitetuilta elektrodilevyiltä kosteus, jota on voinut siirtyä edellisen vaiheen aikana. Yhden pinnoitetun elektrodirullan kuivattaminen kestää kahdeksan tuntia. Käytetyt lämpötilat kuivaimessa ovat 120 160 C. Elektrodien puristaminen ja leikkaaminen Seuraavassa vaiheessa elektrodilevyt puristetaan, jotta pinnoite saadaan tiiviimmäksi ja levyt ohuemmiksi. Tämän ansiosta akkuun mahtuu enemmän elektrodilevyjä, ja siten saadaan suurempi kokonaispinta-ala. Lisäksi levyt leikataan oikean kokoisiksi. Tämä suoritetaan Kiinan tehtaalla eri vaiheissa. (Nuutinen 2007, 51 52.) Kuviossa 10 on havannollistettu mahdollisuutta yhdistää laitteet yhdeksi vaiheeksi.

23 KUVIO 10. Elektrodilevyjen leikkuri ja puristin yhdeksi vaiheeksi yhdistettynä (Nuutinen 2007, 52). Anodipinnoitteen puristamiseen tarvitaan kaksi puristinta, koska se on niin paksu. Katodipinnoitteen puristamiseen riittää puolestaan yksi puristin Kiinan tehtaalla. Oikeankokoisten elektrodilevyjen lisäksi leikkuri leikkaa myös osan pinnoittamattomasta osasta, johon terminaalit asennetaan. Leikatut elektrodit tippuvat kasoihin, josta ne siirretään työntekijän voimin eteenpäin tarvitun määrän täyttyessä. (Nuutinen 2007, 51 52.) Kuviossa 11 on esitetty elektrodilevy pinnoituksen jälkeen.

24 KUVIO 11. Pinnoitettu metallikalvo, jonka päällysteenä on 0,5 mm paksu pinnoite. Mitat on arvioita 150 Ah:n kokoiselle akulle. (Nuutinen 2007, 53.) Valmiit elektrodilevyt laitetaan pieneen puristuslaitteeseen, joka on esitetty kuviossa 12. (Nuutinen 2007, 53.) KUVIO 12. Elektrodilevyjen puristuslaite. (Nuutinen 2007, 53.) Puristimella suoristetaan elektrodilevyt ja pidetään niitä paikoillaan reikien teon aikana. (Nuutinen 2007, 54.) Kuviossa 13 on esitelty valmis levy reikien teon jälkeen.

25 KUVIO 13. Leikattu elektrodilevy, johon on tehty kontaktipinta akun terminaaleihin kiinnittämistä varten (Nuutinen 2007, 54.) Pinoaminen Seuraavassa vaiheessa pinotaan kuvion 14 mukaisesti erottimet, pinnoitetut kupari- ja alumiinilevyt yhdeksi sarjaan kytketyksi akkukennoksi. Kuviosta 14 nähdään järjestys: erotin, positiivinen elektrodi, erotin, negatiivinen elektrodi, erotin ja niin edelleen. Erotin on yhtenäinen huokoinen liuska, joka estää eletkrodien kosketuksen. Liuska kiertyy elektrodien ympärille kuviosta nähtävällä tavalla. Nykyisin Kiinan tehtaalla on jokaisella laitteella yksi työntekijä asettelemassa elektrodilevyjä paikalleen. Tulevaisuudessa kuitenkin siirrytään automaattipinoajiin, jolloin työn laatu paranee. Lisäksi työstä tulee nopeampaa ja epäpuhtauksien siirtyminen estyy. Isoille akuille (>400 Ah) käytetään eri pinoamislaitteita kuin pienemmille akuille. (Nuutinen 2007, 54 55.)

26 KUVIO 14. Pinoamisjärjestys akun sisällä (Nuutinen 2007, 54-55.) Terminaalien kiinnitys Pinoamisen tultua valmiiksi voidaan terminaalit kiinnittää kennoihin ruostumattomasta teräksestä valmistetuilla ruuveilla kuvion 15 mukaisesti. Alumiinisten terminaalien avulla yhdistetään kaksi pinottua kennoa. Ruuvien ja elektrodin väliin asetetaan ohut metallinen liuska (kuparinen/alumiininen) suojaamaan elektrodia ja ruuveja galvaaniselta korroosiolta. Kun terminaalit on kiinnitetty, viedään kennot ytimenkuivauslaitteeseen, joka poistaa kosteutta elektrodeista. Kuivaus kestää kaksi vuorokautta lämpötilassa 120 160 C. (Nuutinen 2007, 55.)

27 KUVIO 15. Elektrodien kiinnittäminen toisiinsa terminaalien ja ruuvien avulla (Nuutinen 2007, 56.) Kotelonti Kuivatut akkukennot laitetaan käsin koteloihin, joista puuttuu enää kansi. Kansi kiinnitetään kotelointilaitteen ultraäänen avulla, jotta akku ei kuumenisi liikaa. Kiinnityksen yhteydessa on vielä viimeinen kuivaus lämpötilassa 90 110 C. (Nuutinen 2007, 56.) Elektrolyytin kaataminen ja korkin kiinnnitys Elektrolyytin kaato tapahtuu käsin vetokaapeissa, sillä se sisältää elektrolyyttihappoa, joten tehokas ilmanvaihto on tarpeen. Täytön jälkeen korkki kiinnitetään ja akku on valmis lataukseen. (Nuutinen 2007, 56 57.)

28 Akun lataus ja testaus Akkujen lataus suoritetaan kahdeksan kappaleen ryhmissä, jolloin ne ladataan pienellä virralla. Täysiä akkuja aletaan hiljalleen purkaa tyhjäksi. Tämän aikana tietokoneet seuraavat akkujen jännitearvoja ja latausvirran suuruutta. Tämän avulla saadaan selville akun kunto ja voidaan poistaa huonokuntoiset joukosta ennen myyntiin siirtoa. Hitaan latauksen ja purun jälkeen akut ladataan isolla virralla täyteen ja puretaan puolilleen varastointia varten. Tässä vaiheessa myös testataan akun kykyä ottaa suurempia määriä virtaa vastaan. Purkujännite vaihtelee eri tyyppien mukaan. Kobolttiakulla se on 3,0 V, rauta-akulla 2,0 V ja mangaaniakulla 2,5 V. Akun oletetaan olevan täysi, kun jännite on 4,25 V. (Nuutinen 2007, 57.)

29 7 POHDINTA Tämän työn tarkoituksena oli selvittää litiumioniakun valmistusta ja selvittää Arbin-BT 2043 -akuntestauslaitteen toimintaa sekä mahdollisuutta tehdä joitain akkutestejä. Päätarkoituksena oli selvittää litiumioniakun valmistusta ja sen koostumusta. Akuntestauslaitteisto oli seisonut tehtaalla käyttämättömänä yli kymmenen vuotta, ja sen käyttö yksittäisiä akkutestejä varten ei ollut asiantuntijan mielestä kannattavaa tämän työn ja resurssien puitteissa. Ohjemisto oli myös vanhentunut, ja mikäli sillä olisi testejä suoritettu, olisi laitevalmistajaan pitänyt olla ensimmäiseksi yhteydessä. Näin ollen sen testaus jäi tämän työn aikana tekemättä. Työssä käsitellään TS:n Kiinan tehtaan akkujen valmistusprosessia. Akkujen koostumus, eri osien merkitys, käytetyt materiaalit ja prosessin yksityiskohtainen käsittely ovat työn pääsisältöä. Lisäksi tärkeä seikka on akunhallintajärjestelmät, joiden tarkoituksena on taata akun käyttöturvallisuus sekä hallita akun purkua ja latausta. Työn alussa on käyty läpi yleisiä seikkoja litiumista ja sen ominaisuuksista sekä eri akkutyypeistä. Myös litium-ioniakun toimintaperiaate on selvitetty johdatuksena akun valmistusprosessille. Kirjallisuutta oli vaikea käyttää työssä, sillä aiheeseen liittyvää asiatietoa ei juurikaan löytynyt kirjoista. Jatkuvan kehitystyön vuoksi käytetyt menetelmät, materiaalit ja pinnoitteet muuttuvat paljon. Hankitut tiedot eri lähteistä olivat usein myös varsin ristiriitaisia, ja niiden käyttöä joutui miettimään tarkkaan. Lisäksi aiheeseen oli vaikea saada tietoa yhteydenotoilla alan eri henkilöihin, ja monikaan ei ollut ymmärrettävistä syistä halukas niitä antamaan. Työssä käytettyjen tietolähteiden materiaali on kerätty TS:n tehtaalla Kiinassa seuraamalla siellä tehtyjen litiumioniakkujen eri prosessivaiheita. Tämä akkutuotantoprosessi oli selkeästi parasta materiaalia tähän aiheeseen liittyen. Koko maailmassa on vain muutamia tämän kokoluokan valmistajia. Kiinan tuotantoprosessin eri vaiheita voisi automatisoida Suomessa, koska työvoimakustannukset täällä ovat paljon korkeammat kuin Kiinassa. Lisäksi työn laatu ja osaaminen on

30 Suomessa korkeampaa luokkaa kuin Kiinassa. Samalla prosessia saisi myös yksinkertaistaistettua ja nopeutettua, jolloin siitä tulisi tehokkaampaa ja mahdollisten virheiden määrä vähenisi. Akun kehittäminen ei ole aivan yksinkertainen asia. Reaktiot tapahtuvat elektrodien pinnoilla. Jos tehdään kaksi suurta elektrodia, akkuun mahtuu paljon energiaa, mutta akusta tuleva sähkövirta jää pieneksi. Jos taas pakataan akku täyteen ohuita katodi- ja anodilevyjä, virta kulkee nopeasti, mutta akun energiatiheys jää pieneksi. Uusia tekniikoita akkujen kehittämiseksi tehdään jatkuvasti. Nanoteknologian avulla voidaan kasvattaa pintaa ja tehoa, mutta tiettyyn tilaan mahtuva energiamäärä ei kasva. Sähköajoneuvoihin siirtyminen tulevaisuudessa ei ole monelle kuluttajalle helppo tehtävä. Nykyiset sähköauton harrastajat lataavat akkunsa verkkovirralla, joka kestää jopa yli kymmenen tuntia. Tämä riittää vain muutaman tunnin ajomatkaa varten. Suomen olosuhteissa hybridiautoilu on ainakin aluksi toimiva ratkaisu, sillä täällä on pitkät välimatkat ja palveluverkoston rakentaminen vie aikaa. Nykyisin ovat suunnitteilla ensimmäiset latausja akunvaihtopalvelut niihin maihin, joissa on lyhyet välimatkat. Tässä työssä käsiteltiin pääasissa vain TS:n akunvalmistusprosessia. Tulevaisuuden mahdollisia opinnäytetyöaiheita voisivat olla esimerkiksi superkondensaattorien ja polttokennotekniikan tutkiminen.

31 LÄHTEET Airship 2009. Cylindrical lithium ion battery. WWW-dokumentti. Saatavissa: http://www.airshiptg.org/fwthumbnails/cylindrical%20lithium-ion%20battery.bmp. Luettu 18.1.2009. Brain, M. 2008. How Lithium-ion Batteries Work. WWW-dokumentti. Saatavissa: http://electronics.howstuffworks.com/lithium-ion-battery.htm: Luettu 4.3.2009. Chydenius. 2008. Litium. WWW-dokumentti. Saatavissa: http://www.chydenius.fi/yksikot/luonnontieteet/tutkimus/litium/view?set_language=en. Luettu 22.12 2008. Fevt. 2008. Lehdistötiedote. WWW-dokumentti. Saatavissa: http://www.fevt.com/lehdist%c3%b6tiedote-2532008. Luettu 20.12.2008. Kaivosseminaari 2007a. WWW-dokumentti.Saatavissa: http://www.kpakk.fi/kaivosseminaari/keliber_kaivos_2007.ppt. Luettu 28.12.2008. Kaivosseminaari 2007b. WWW-dokumentti. Saatavissa: http://www.kpakk.fi/kaivosseminaari/keliber_kaivos_2007.ppt. Luettu 29.12.2008. Keliber. 2008a. Keliber Oy. WWW-dokumentti. Saatavissa: http://www.keliber.fi. Luettu 21.12.2008. Keliber 2008b.Prosessi.WWW-dokumentti.Saatavissa: http://www.keliber.fi/?p=process. Luettu 21.12.2008. Keliber2008c. Litium. WWW-dokumentti. Saatavissa: http://www.keliber.fi/?p=lithium. Luettu 27.12.2008. Nuutinen, M. 2007. Litium-ioniakkutehtaan tuotannon siirtäminen Kiinasta Suomeen. Espoo: TKK:n Materiaalitekniikan osaston kirjasto. Snellman 2005a. Akkujen monet muodot. Prosessori 4. 59. Superbpower 2008. WWW-dokumentti. Saatavissa:http://www.superbpower.net/Battery/en8.html Luettu 1.1.2009. Rantanen 2008a. Sähköautoissa on kikkisin akku. Tiede 10. 51. ThunderSky 2009. Sähköauton akku. WWW-dokumentti. Saatavissa: http://www.thundersky.com/pdf/2009224102239.pdf. Luettu 22.2.2009. Vuorilehto 2008. Lithium ion batteries. WWW-dokumentti. Saatavissa: http://akseli.tekes.fi/opencms/opencms/ohjelmaportaali/ohjelmat/polttokennot/fi/dokume nttiarkisto/viestinta_ja_aktivointi/seminaarit/03122008_transportation_and_specialty_vehicles/v uorilehto.pdf. Luettu 10.1.2009.

LIITE 1 TS:n tuote-esite Lähde: http://www.thunder-sky.com/pdf/2009224102239.pdf

LIITE 2 TS:n valmistamien akkujen koostumus LCP LFP LMP Chemical Element Index Chemical Element Index Chemical Element Index Fe 0.005 % Fe 42 % Fe 0.1 % Mn 11 % P 16 % Ca 0.3 % Mg 0.7 % Mn 0.5 % PP 3.3 % Co 1 % Ca 0.3 % Ni 1.7 % C 5.1 % Graphite 5 % Mn 18.6 % Li 28 % Na 0.01% C 5.1 % Cu 10 % C 3.1 % Li 25 % Al 6 % Li 3.4 % Cu 10 % PP 3.3 % PP 3.3 % Al 6 % Graphite 7.1 % Cu 10 % Graphite 6 % Ni 8.1 % Al 6 % PU 3.1 % Lix 9 % Lix 8 % Lix 9 % F 3.1 % F 3.3 % F 3.1 % http://www.thunder-sky.com/technical_en.asp?id=345&typeid=81&orderby=1

LIITE 3 TS.n prosessikaavio Lähde: Nuutinen, M. 2007. Litium-ioniakku tehtaan tuotannon siirtäminen Kiinasta Suomeen.