Akut

Akku on sähkökemiallinen energiavarasto, joka koostuu kahden elektrodin, anodin ja katodin muodostamasta sähköparista. Elektrodien välissä on elektrolyytti, joka on usein nestemäisessä tai geelimäisessä muodossa olevaa ainetta.

Akku kytketään virtapiiriin navoistaan, jolloin anodilla tapahtuu hapettumisreaktio ja katodilla pelkistymisreaktio. Kun aine hapettuu, se luovuttaa elektroneja. Nämä elektronit matkaavat negatiivisesti varautuneelta anodilta virtapiirin kautta katodille aikaansaaden samalla sähkövirran.

Akku sisältää yleensä useita sähköpareja, esimerkiksi 12 voltin lyijyakussa on kuusi paria omissa kennoissaan. Akut voi kytkeä samanmerkkisistä navoistaan rinnakkain, jos halutaan lisää käyttöaikaa ja kuormitettavuutta. Erimerkkisistä navoista sarjaan kytkemällä akuista saadaan korkeampi jännite.

Akkujen luokittelu

Akut luokitellaan yleensä elektrodiensa materiaalin mukaan. Akkua ladataan moottorin pyöriessä yleensä vaihtovirtalaturilla, joka ylläpitää auton sähköjärjestelmässä riittävän jännitetason. Akkua voi ladata myös verkkovirralla silloin, kun auton moottori ei ole käynnissä. Koska akku vastaanottaa ja luovuttaa tasavirtaa, pitää laturin vaihtovirta muuntaa tasavirraksi.

Lyijyakku on yleisin akkutyyppi polttomoottoriautoissa. Lyijyakkua käytetään antamaan virtaa moottorin sähköiseen käynnistykseen. Lyijyakun elektrodeina on kaksi lyijylevyä ja elektrolyyttinä rikkihappoliuosta. Perinteisessä lyijyakussa on avattavat kennot, ja niihin voi tarvittaessa lisätä tislattua vettä, jos osa elektrolyytistä on haihtunut. Elektrolyytti voi olla myös geelimäisessä muodossa tai imeytettynä lasikuitumattoon, jolloin akku on suljettu, eikä sitä tarvitse huoltaa.

Lyijyakkuja on saatavilla 12-volttisina; raskaampien ajoneuvojen 24-volttisissa järjestelmissä käytetään usein kahta 12-volttista akkua sarjaankytkettynä. Lyijyakkuja on saatavilla eri tyyppejä. Käynnistysakut on rakennettu antamaan suuria virtoja hetkellisesti. Esimerkiksi telelaitteissa käytettävän paikallisakun ja sähkötrukkien akkujen rakenne on suunniteltu siten, että niihin voi varata mahdollisimman paljon energiaa. Lyijyakku on edullinen, mutta se on muihin akkutyyppeihin verrattuna painava. Lyijyakun energiatiheys on noin 30 Wh/kg.

Lähivuosina henkilöautoihin tekee tuloaan 12-volttista järjestelmää täydentävä 48-volttinen sähköjärjestelmä, jossa käytetään muun muassa litiumakkuja. Tällainen järjestelmä antaa lisätehoa apulaitekäyttöihin, ja mahdollistaa myös hybriditoiminnon, jos voimalinjaan asennetaan 48-volttinen sähkömoottori.

Nikkeli-kadmiumakun elektrodit on valmistettu nikkelihydroksidistä ja kadmiumista. Elektrolyyttinä on yleensä vahvasti emäksinen kaliumhydroksidiliuos, jota käytetään myös saippuan valmistukseen. NiCd-akun kestoikä on pitkä ja virranantokyky on suuri matalan sisäisen resistanssin ansiosta. Nikkeli-kadmiumakun energiatiheys on noin 50 Wh/kg. NiCd-akku toimii laajalla lämpötila-alueella ja sitä käytetään sähkötyökaluissa, kuten porakoneissa. Nikkeli-kadmiumakun ongelmina ovat muun muassa joissain akkutyypeissä esiintyvä kapasiteettia pienentävä muisti-ilmiö sekä erittäin myrkyllinen kadmium, joka tekee akuista ongelmajätettä. Kadmiumin käytöstä uusissa sähköautoissa onkin luovuttu.

Nikkeli-metallihydridiakun elektrodit ovat nikkelihydroksidiä ja metallihydridiä, elektrolyyttinä on kaliumhydroksidi. NiMH-akun kapasiteetti on suurempi mutta kestoikä lyhyempi, lämpötilaherkkyys suurempi ja virranantokyky matalampi kuin NiCd-akulla. NiMH-akkuja käytetään muun muassa matkapuhelimissa ja tietokoneissa sekä joissain hybridiautoissa. Nikkeli-metallihydridiakun energiatiheys on noin 60 Wh/kg. Muita nikkeliakkumuunnoksia ovat painava, helposti itsepurkautuva mutta kestävä nikkeli-rauta-akku sekä kevyt mutta lyhytikäinen nikkeli-sinkkiakku.

Litium-ioniakun elektrodien valmistuksessa on käytetty litiumoksidia. Eri litium-ioniakkujen elektrodeissa on käytetty myös mangaanioksidia, kobolttioksidia, rautafosfaattia, nikkeliä, alumiinia, polymeeria sekä titanaattia tai joidenkin näiden yhdistelmiä. Elektrolyyttinä käytetään esimerkiksi etyleenikarbonaattia. Litium-ionikennolla on muita akkutyyppejä huomattavasti korkeampi yli kolmen voltin nimellisjännite, sekä painoonsa nähden suuri kapasiteetti. Litium-ioniakun materiaalit ovat jo valmistusvaiheessa herkkiä epäpuhtauksille ja kosteudelle, jotka voivat nopeuttaa akun ikääntymistä. Akku on myös herkkä ylilataukselle ja syväpurkamiselle.

Litium-rautafosfaattiakku on litiumia sisältävistä akuista ympäristöystävällisin, sillä se ei sisällä raskasmetalleja, joten se ei ole ongelmajätettä. Uutta sähköautotekniikkaa ajatellen litium-rautafosfaattiakku sekä litium-titanaattiakku ovat kiinnostavimpia. Niissä käyttöiän, painon, tehotiheyden ja ladattavuuden suhde on muita akkutyyppejä parempi. Litium-rautafosfaattiakun energiatiheys on noin 100 Wh/kg, ja litium-polymeeriakun parhaimmillaan noin 200 Wh/kg.

Sinkki-halogeeniakut ovat virtausakkuja, jotka käytännössä ovat nestemäisillä reaktioaineilla varustettuja regeneroitavia polttokennoja. Tällaisessa akussa reagoivat aineet kierrätetään kennoston läpi tarpeen mukaan, jolloin akun aktiivinen materiaali  voidaan säilyttää akun ulkopuolella. Tällaisessa akussa negatiivisena elektrodina toimii metallinen sinkki ja positiivisena elektrodina on halogeeniliuos, yleensä kloori tai bromi.

Redox-akku on myös virtausakku. Sen toiminta perustuu vanadiinin hapetus-pelkistysreaktioon. Näillä akuilla on pitkä käyttöikä, mutta alhainen energiatiheys ja monimutkainen rakenne.

Suola-akut ovat korkean lämpötilan akkuja. Ne toimivat noin 300–400 °C:n lämpötilassa. Akun kennostot on eristetty hyvin, joten lämpötilan ylläpito vaatii vain vähän energiaa. Elektrolyyttinä käytetään sulasuolaa, esimerkiksi natriumkloridiyhdisteitä. Koska raaka-aineet ovat edullisia ja energiatiheys on melko hyvä, suola-akku kiinnostaa sähköautovalmistajia. Suola-akun energiatiheys on noin 90 Wh/kg.

Akut käytössä

Sähköautojen energian varastointiin on vuosien varrella käytetty monia erityyppisiä akkuja. Yhtä ylivoimaista ratkaisua ei ole vielä löytynyt. Käytössä olevat akut ovat eriasteisia kompromisseja hinnan, painon, käyttöiän ja toimintasäteen välillä. Uusissa sähköautoissa yleisin akkutyyppi on litium-ioniakku.

Koska energiaa voidaan kuljettaa mukana hyvin rajallinen määrä, ja koska lataus on hidasta, taloudellisen ajotavan merkitys sähköautolla liikuttaessa korostuu. Sähköautoilijaa informoidaankin yleensä auton mittaristossa jäljellä olevasta ajomatkasta ja lähistöllä sijaitsevista latauspisteistä. Tämä informaatio kannustaa käyttämään energiaa säästeliäästi.

Eri akkutyypit ovat eri tavalla herkkiä ympäristölle ja käytölle. Jotkut akut kärsivät liian suuresta latausvirrasta tai syväpurkauksesta, jotkut taas menettävät kapasiteettiaan lämpötilan muuttuessa liiaksi. Kaikki nämä tekijät vaikuttavat akun käyttöikään. Kun akku tulee tiensä päähän, täytyy se toimittaa kierrätettäväksi.

Akkuja vastaanottavat niitä myyvät liikkeet. Leasingsopimuksella autojen mukana tulevat akut kuuluvat joidenkin autonvalmistajien suunnitelmiin, mutta vuokra-akkujen käytön yleistyminen on vielä epävarmaa. Akkujen asianmukainen kierrätys on tärkeää, sillä monissa akuissa käytetyt raskasmetalliyhdisteet ovat ympäristölle haitallisia, eikä niitä saa viedä kaatopaikalle. Vanhasta akusta saadaan myös arvokkaita materiaaleja uudelleenkäyttöä varten.

Akkujen tulevaisuus

Sähkön varastointi ajoneuvoissa on yksi suurista tulevaisuuden haasteista. Tekniikka kehittyy ja akkujen paino ja hinta alenevat, joten kehityksen suunta on oikea. Uhkakuvana on kuitenkin akkujen kasvava kysyntä, joka voi johtaa joidenkin akkumateriaalien, kuten litiumin, hinnannousuun. Myös erilaiset standardit latauksessa ja akkujen moduloinnissa hidastavat yhtenäisen latausinfrastruktuurin ja vaihtoakkujärjestelmän kehittämistä.

Akkujen koteloinnille on asetettu aikaisempaa kovemmat vaatimukset uusissa, entistä vaativammissa törmäysteissä. Vaatimuksia on kiristetty, koska akut saattavat törmäystilanteissa syttyä palamaan. Merkittävimpiä akkuja ovatkin tulevaisuudessa ne, jotka voidaan valmistaa halvoista kaikkialla saatavilla olevista materiaaleista, ja jotka voidaan helposti kierrättää.