21. vuosisadan akut

Tämä on tällä hetkellä paras virtalähde nykyaikaisille tehokkaille LED-ajovalaisimille, eikä nykyään ole mitään syytä käyttää mitään muuta akkutyyppiä. NASA käyttää niitä satelliiteissa, ja autoyhtiöt käyttävät niitä sähköautoissa, koska niillä on selviä etuja - suuri kapasiteetti, pieni paino ja luotettavuus.

Li-ioniakkujen kapasiteetin ja painon (tilavuuden ) suhde on paras mahdollinen. Ne on testattu teollisuuskäytössä ja ne ovat turvallisia. Kennot ovat kevyitä ja varastoivat suuren määrän energiaa. Ne valmistetaan vain ladattaviksi, joten ne eivät saastuta ympäristöä kuten kertakäyttöakut. Ne kestävät monta vuotta ilman komplikaatioita, ja jos hoidat niitä oikein, et edes koe kapasiteetin laskua vuosien mittaan. Ne ovat todella luotettavia, ja jos lataat ne, ne tuottavat aina energiaa.

Li-ion-akut (litiumioniakut) ovat lähes yksinomaan sylinterimäisiä (lieriömäisiä) akkuja, joiden latausjännite on 4,2 V ja käyttöikä 500-1500 täyttä sykliä. Niitä on eri kokoja, mutta yleisimmin käytetty tyyppi on 18650-kokoinen, lieriömäinen kenno, jonka halkaisija on 18 mm ja pituus 65 mm. Viime aikoina sähköautot vetävät eteenpäin 21700-tyyppiä.

Nykyisten 18650-akkujen tekniset parametrit

Kaikki tavalliset Li-ion-akut ladataan CC/CV-algoritmilla 4,2 voltin loppujännitteeseen. Keskimääräinen nimellisjännite on 3,6 V (tai 3,7 V). Akut voidaan yleensä purkaa 2,5 V:iin, aiemmin ne menivät vain 2,8 V:iin. Alempi jännite on vaarallinen, voit tuhota kennon. Sisäinen vastus vaihtelee 20-80 milliohmiin merkistä ja tyypistä (pien- tai suurvirtainen) riippuen.

Suurimman virran kapasiteetti on noin 3450mAh, ja varastoitu energia on enintään 12,4Wh. Suuremmilla vedoilla varastoitu energia (ja kapasiteetti) vähenee hieman.

Akku sallii yleensä maksimivirranoton (Max. Discharge Continuous Current) 3-10A, työkaluissa käytettävät suurvirtaiset akut jopa 30A.

Akku kestää 500-1000 täyttä sykliä ennen kuin kapasiteetti laskee 70-80 %:iin alkuperäisestä arvosta. Käyttöikää voidaan pidentää (tai vanhenemista hidastaa) maltillisella latausvirralla (esim. C/5), pitkäaikaisella varastoinnilla osittain ladattuna (3,93V = 70 %) ja käyttämällä akkua vain yli 0 °C:n lämpötilassa. Lisätietoa käyttöiän pidentämisestä saat täältä: www.luciferlights.net/li-ion-starnuti.

Akut toimivat myös äärimmäisessä pakkasessa - esim. -20°C - mutta tällainen käyttö tuhoaa ne peruuttamattomasti ja vähitellen. Voit lukea lisää niiden käytöstä pakkasessa täältä: www.luciferlights.net/li-ion-v-mrazu.

Akun varaustila voidaan mitata jännitemittarilla, kennojännite antaa melko tarkan kuvan varaustilasta. Varaustila voi vaihdella hieman valmistajasta ja akun nimityksestä riippuen. Yleisesti ottaen varaustila ilmoitetaan seuraavassa taulukossa:

Li-ion-akkujen edut ja haitat perinteisiin akkuihin verrattuna.

AA- ja AAA-paristoihin (NiMh, NiCd jne.) verrattuna niillä on monia etuja. Akut kestävät pidempään (yleensä useita vuosia), niiden sisäinen vastus on pienempi ja ne on suunniteltu suurille virrankulutuksille. Niiden kapasiteetti ei laske merkittävästi suuressa kuormituksessa. Li-ion-akkuja ei tarvitse alustaa millään tavalla ennen ensimmäistä käyttöä, vaan niitä voi käyttää milloin tahansa, missä tahansa varaustilassa.

Li-ionien itsepurkautuminen on erittäin vähäistä, ja ne voivat olla käyttämättöminä kuukausia, eikä niiden varaustila juuri muutu.

Li-ion-akut (kokoluokat 18650 ja 21700) tarjoavat tällä hetkellä suurimman kapasiteetin ja painon sekä kapasiteetin ja tilavuuden suhteen. NiMh-akut ovat huomattavasti (melkeinpä kirjoittaisin "suuruusluokkaa") huonompia, joten samaa varastoitua energiaa varten on raahattava mukanaan huomattavasti enemmän akkuja ja painoa.

Jos jotain haittapuolia löytyy, niin se, että niitä ei varmasti voi ostaa mistään päin maailmaa. Toinen haittapuoli voi olla se, että nykyinen laturisi ei todennäköisesti pysty lataamaan näitä akkuja, tai se, että akkupaketti lataa itsensä omalla verkkolaturillaan kaapelin kautta. Viimeinen haittapuoli on suurempi vaara akun tahallisesta oikosulusta tai vakavasta mekaanisesta vahingoittumisesta. Tätä ei kuitenkaan koskaan tapahdu tavanomaisessa käytössä, ja laadukkaat kennot ovat erittäin turvallisia.

Soveltuu myös pitkille matkoille ja tutkimusmatkoille.

Meihin otetaan usein yhteyttä, kun halutaan valita otsalamppu retkelle ja halutaan, että se toimii klassisilla AA-paristoilla. Väite on, että niitä voi ostaa kaikkialta.

Itse asiassa li-ion-akut ovat täysin käyttökelpoisia ihmisille, jotka ovat poissa sivilisaatiosta 2-3 viikkoa. Suuri kapasiteetti pienessä painossa ja otsalamppujemme korkea hyötysuhde tekevät siitä sellaisen, että jos käytät valoa säästeliäästi, se kestää ehdottomasti ja kauemmin kuin mikään muu AA-paristoilla toimiva otsalamppu. Esimerkkinä tästä on Lucifer M -otsalamppu, joka pienimmällä tehollaan loistaa 25 lumenia ja kestää 180 tuntia yhdellä paristolla. 25 lumenin hehku on usein tavallisten muovisten otsalamppujen maksimi, voit kävellä mukavasti yöllä tällaisella hehkulla. 180h pitäisi riittää 2-3 viikoksi, tai yhdellä vara-akkupaketilla voit saavuttaa 360h, eli 15 päivää jatkuvaa loistamista tai 30 päivää koko yön loistamista!

Suojatut ja suojaamattomat li-ionit

Suojattuihin akkuihin on lisätty ali- ja ylipurkautumis- ja oikosulkusuojaus. Ne valmistetaan aina suojaamattomista kennoista lisäämällä niihin suojapiiri. Siksi ne ovat hieman pidempiä (2-4 mm) ja paksumpia (0,5-1 mm). Suojattuja kennoja käytetään yleensä vaihdettavina, eli käyttäjä voi käsitellä niitä, ladata ne ulkoisella akselilaturilla ja asettaa ne muiden tavallisten akkujen tavoin valaisinkoteloon. Suojattuja akkuja on tarjolla monilta eri valmistajilta, ja tuloksena saatavan akun laatu riippuu alkuperäisen kennon laadusta ja suojauspiirin laadusta (esim. siitä, kuinka suuri suojan lisävastus on).

Suojaamattomat akut kytketään usein rinnakkain tai sarjaan pisteyttämällä, minkä jälkeen päälle lisätään yksi suojapiiri, joka on yhteinen koko akkupaketille. Akkupaketti ladataan sitten kaapelin kautta, eikä akkuja voi purkaa yksittäisiin kennoihin millään tavalla. Tämä on yleinen akkupakettijärjestelmä suuritehoisissa ajovalaisimissa, koska suuremmilla kuormilla akut on laitettava sarjaan, esim. 2S. Näin saavutetaan korkeampi jännite ja johdotuksen läpi kulkeva virta puolittuu.

Varo kaikkialla esiintyviä väärennöksiä!

Kiinalaisilla valmistajilla on tapana liioitella akkujen kapasiteettia. Tiedä, että laadukkaat li-ion-akut tulevat yksinomaan Panasonicilta (Sanyo), Samsungilta, LG:ltä ja Sonylta. Vain nämä neljä valmistajaa pystyvät valmistamaan suojaamattomia li-ionikennoja, joiden kapasiteetti on maailmanluokkaa ja huippuluokkaa. Jälkimmäinen tarkoittaa tällä hetkellä (maaliskuu 2020) parametreja:

• 258,3 Wh/kg 0,5A:n purkautumisessa.
• 749,7 Wh/l 0,5A:n purkautumisessa.

Nämä hyvin samankaltaiset parametrit saavutetaan 18650-akuilla Samsung INR18650-35E, Panasonic NCR18650B, Panasonic NCR18650GA, Sony US18650VC7 ja LG MJ1 18650. Oikeastaan mikään muu valmistaja ei pääse kapasiteetiltaan lähellekään niitä!

21700- ja 20700-kokoiset akut, jotka yleistyivät pääasiassa sähköautomobiilin (Tesla) ansiosta, eivät vielä nykyäänkään tarjoa parempaa painon ja kapasiteetin suhdetta kuin 18650-standardi, mutta ne ovat lähellä. Esim. LG 21700 M50 5000mAh ja Samsung INR21700-50E 5000mAh.

Li-ion-teknologian kehitys ja ennuste tulevasta kehityksestä

Li-ion-teknologia sai alkunsa 1980- ja 1990-luvuilla. Esimerkiksi vuonna 1994 18650-kennoja oli saatavilla korkeaan hintaan ja vain 1100 mAh:n kapasiteetilla. Vuodesta 2000 lähtien Li-ion-teknologia on kehittynyt nopeasti ja sen kapasiteetti on kasvanut säännöllisesti merkittävästi. Vähitellen 18650-lieriökennon kokostandardi (halkaisija 18 mm, pituus 65 mm) on vakiintunut, ja akut ovat päässeet kannettavien tietokoneiden akkuihin. Viime vuosina kehitys on lähes pysähtynyt 3400-3500 mAh:n kapasiteettikynnykseen.

Vasta viime vuosina on tullut esiin muita merkittäviä li-ionisovelluksia. Riittävän kapasiteettinsa ansiosta ne ovat levinneet massoittain sähköiseen liikkuvuuteen (sähköautot, sähköskootterit, sähköpyörät jne.) ja kannettaviin sähkötyökaluihin. Niitä on käytetty ajovaloissa jo pitkään, mutta ne ovat vähemmistönä tuotettujen kennojen kokonaismäärästä.

Li-ioni-akkujen kehitys on tällä hetkellä törmännyt fyysisiin esteisiin, jotka estävät kapasiteetin parantamisen edelleen, ja monet tutkijat työskentelevät seuraavan sukupolven li-ioni-akkujen parissa. Niin sanottujen "solid state" - akkujen eli akkujen, joissa ei ole nestemäistä elektrolyyttiä, ja akkujen, joissa on grafeenielektrodit, kehittäminen vaikuttaa erittäin lupaavalta. Tällaisia akkuja ei ole olemassa nykyään (maaliskuu 2020)! On kuitenkin realistista, että niitä voi tulla markkinoille 3-5 vuoden kuluessa. Tutkijat ennustavat, että kapasiteetti voisi silloin kasvaa jopa 1/3. Olisin varovaisempi ja pessimistisempi kaikissa arvioissa, joissa käytetään sanaa "jopa".

Muut tietolähteet

https://batteryuniversity.com/learn/ - valtava tietolähde Li-ion-akuista.
https://lygte-info.dk/info/indexBatteriesAndChargers%20UK.html - laajoja mittauksia kaikkien mahdollisten li-ion-akkujen kapasiteetista.