2018-10-02

Tehoa akkuun eliniän kustannuksella vaiko optimoimalla molemmat?

Akkujen elinikä riippuu paljon käyttötavoista ja halutusta suorituskyvystä. Ottamalla huomioon käyttökohteen tarpeet, voidaan akun kestävyyttä ja elinikää optimoida erilaisilla sovelluksilla - tai jo pelkästään ihan latauskäytäntöä muuttamalla. Käyttäjä tai akkusovelluksen tuottaja voivat vaikuttaa oleellisesti akun elinikään.

Useimmissa tavallisissa kuluttaja- ja teollisuussovelluksissa käytetään litiumioniakkuja (Li-ioni), joissa on korkean energiatiheyden omaava litiumkobolttioksidi (LCO) akkukemiana. Tällaisia akkuja käytetään esimerkiksi matkapuhelimissa, kannettavissa tietokoneissa ja muissa pienissä laitteissa. Akun kestävyyteen vaikuttavat muun muassa lataus- ja purkusyklien määrä ja syvyys, purku- ja latausvirta, käyttölämpötila ja latausjännitteen yläraja.

 

Litiumioniakun kestävyys riippuu paljon käytetystä akkukemiasta ja lataussyklit vaihtelevat jopa 300 – 20 000 syklin välillä. Tosiasia on, että litiumioniakun suorituskyky heikkenee jokaisella latauskerralla, mutta latauskäytäntöä muuttamalla voidaan vaikuttaa käytössä olevaan kapasiteettiin ja mahdollisimman pitkään käyttöikään. Karkeasti yleistäen voidaan arvioida esimerkiksi puhelimen LCO-kennoisen akun, mikäli akku annetaan tyhjentyä täysin ennen latausta, kestävän noin 300 – 500 lataussykliä ennen kuin akun teho on pysyvästi heikentynyt noin 30 %. Vastaavasti, jos kyseisen akun lataus aloitetaan, kun sen kapasiteettia on käytetty vasta 50 %, on käytössä arviolta 1200 – 1500 lataussykliä, eli akun elinikäinen kokonaisenergia kasvaa jopa 1,5-2-kertaiseksi verrattuna 100 % syvyisiin purkauksiin. Li-ioniakuille saadaankin yleensä pidempi käyttöikä, kun akkuja puretaan vain osittain ennen latausta.

 

Akkujen lataamisessa on kiinnitettävä huomiota myös lataus- ja purkuvirtaan. Akkuspesifikaatioissa on määritelty nimellisvirrat, joita ei pidä ylittää, sillä suuremmat virrat lyhentävät akun elinikää. Latausjännitteen ylitys muodostaa myös turvallisuusriskin. Li-ioniakun syklimäärä puolittuu 0,15 V korkeammalla latausjännitteellä, ja ylijännite voi pahimmillaan vahingoittaa elektrodin hilarakennetta ja aiheuttaa tulipalovaaran. Mikäli valitaan matalampi latausjännitteen katkaisuraja, tai lopetetaan lataaminen heti akun saavutettua nimellinen latausjännite, akun elinikä pitenee, mutta toiminta-aika lyhenee. Kaikissa hyvin suunnitelluissa Li-ioniakuissa on suojapiiri, joka estää kennojen jännitteen nousemisen ladattaessa yli sallitun virtarajan taikka akun purkamisen liian alhaiseen jännitteeseen.

Usein matkapuhelimia tai kannettavia tietokoneita pidetään pitkiä aikoja latauksessa. Laitetta, jota pidetään laturissa käyttövalmiina kuluttaa koko ajan virtaa, virrankulutusta kutsutaan loiskuormaksi, joka voi vääristää normaalia lataussykliä. Loiskuorma sekoittaa laturia alentamalla akun jännitettä ja estää kestovarausvirtaa putoamasta katkaisurajalle. Jos akkua täytyy pitää laturissa mahdollisimman pitkää toiminta-aikaa varten, kannattaa sallia jännitteen aleneminen ennen uudelleen lataamista (esim. 4,0 V asti akuilla, joiden nimellinen latausjännite on 4,2 V).

Li-ioniakku ei siedä ylilatausta. Kun se on ladattu täyteen, latausvirta täytyy katkaista. Jatkuva lataus aiheuttaa metallisen litiumin kerrostumista grafiittielektrodin pinnalle piikkien muodossa (nk. dendriitit) ja vaarantaa akkujen turvallisen käytön. Pahimmillaan liikalatauksesta voi aiheutua tulipalo tai räjähdys. Rasituksen minimoimiseksi akku tulisi pitää mahdollisimman vähän aikaa täyteen ladattuna. Kun lataus on loppunut, akun jännite alkaa pudota, ja tämä vähentää jännitteen aiheuttamaa rasitusta.

Täyteen ladattu akku kestää huonosti korkeita lämpötiloja, ja tällaiset olosuhteet voivat olla akulle rasittavampia kuin lataus- ja purkusyklit. Korkeampi lämpötila nopeuttaa pysyvää kapasiteettihäviötä, ja korkeaksi lämpötilaksi käsitetään jo yli 30 °C lämpötila. Mikäli akkuja joudutaan varastoimaan, on syytä huolehtia matalasta lämpötilasta ja purkaa akkujen varausta varastoinnin ajaksi. Mikäli varaston lämpötila on lähellä 0 °C voidaan vuoden varastoinnin jälkeen akkujen kapasiteetista palauttaa noin 95 %. Mutta jos varaston lämpötila on 40 °C kannattaa akkujen varausta pudottaa 40 %:iin varastoinnin ajaksi, jolloin vuoden päästä voidaan palauttaa n. 85 % akun kapasiteetista. Ilman varastoaikaista purkua, akun kapasiteetti olisi tuossa lämpötilassa pysyvästi laskenut 65 %:iin.

Monet akkujen käyttäjät eivät tiedä, että tavallisia Li-ioniakkuja ei voi ladata pakkasella. Erittäin kylmät ja kuumat lämpötilat heikentävät latauksen vastaanottokykyä. Li-ioniakkuja voidaan ladata kohtuullisen hyvin viileässä, ja niitä voidaan pikaladata 5…45 °C välillä. Alle 5 °C lämpötilassa latausvirtaa pitää vähentää ja lataus alle 0 °C ei ole yleisesti sallittua. Vaikka kylmässä näyttää siltä, että akku latautuu normaalisti, lataus pakkasella voi aiheuttaa pysyvän metallisen litiumin kerrostumista grafiittielektrodin pinnalle. Akut, joissa on litiummetallikerrostumia, ovat herkempiä vikaantumaan esimerkiksi tärinässä tai muissa rasittavissa olosuhteissa. Mikäli akkua on lähtökohtaisesti ladattava kylmissä oloissa, on syytä valita kennokemiaksi esim. LTO tai muu kylmälatausta kestävä kemia.

Litiumakkutekniikkaa voidaan hyödyntää monella tapaa, jotta se palvelee kulloistakin sovellusta parhaalla mahdollisella tavalla.