Akut johtavassa asemassa energian varastoinnissa

Akut ovat laitteita, jotka varastoivat energiaa ja vapauttavat sitä tarpeen mukaan. Vaikka arkipäiväiset akut tuottavat sähköenergiaa muuntamalla suoraan kemiallista energiaa, energian varastointikonseptia havainnollistaa hyvin Nant de Drancen "vesiakku"-pumppuvoimalaitos. Se sijaitsee korkealla Sveitsin Alpeilla, ja sen sähkövarastointikapasiteetti ylittää 400 000 sähköauton akun kapasiteetin.

Tämä vesiakku toimii käyttämällä vesisähkögeneraattoreita ja kahta säiliötä, yhtä ylempänä ja toista alempana. Huippuaikoina korkeammasta säiliöstä vapautuu vettä sähkön tuottamiseksi. Energian ylituotannon aikana vesi pumpataan takaisin ja varastoidaan myöhempää käyttöä varten. 

Vaikka vesiakku on mallina kiehtova, se eroaa tavallisista kannettavista akuista, joiden rooli on merkittävä jokapäiväisessä nykyelämässä. Perinteiset akut ovat sähkökemiallisia kennoja tai kennosarjoja, jotka tuottavat sähkövirtaa. 

Harvat tekniikat ovat sähkökemiallisia akkuja tärkeämpiä teollisuuden pyrkimyksissä vähentää hiilidioksidipäästöjä. Ne antavat virtaa sähköautoille, varastoivat aurinkopaneeleiden ja tuuliturbiineiden tuottamaa sähköä sekä vakauttavat sähköverkkoa. Kahdessa jälkimmäisessä sovelluksessa akut ovat välttämättömiä uusiutuvien energialähteiden taloudellisen mittakaavan kasvattamiseksi. 

Ottaen huomioon akkujen ainutlaatuiset ympäristövaikutukset, mukaan lukien kaivostoiminta, hävittäminen ja tuotannon koko elinkaari, tarvitaan perusteellinen analyysi. Näin varmistetaan, että energiasiirtymä ei vaihda yhtä ympäristöongelmaa toiseen yhtä haitalliseen.

Sähkökemialliset kennoakut luokitellaan kolmeen pääluokkaan: primääri-, sekundääri- ja tertiääriset akut, joiden ​​kennorakenteet eroavat toisistaan. Erilaisten metallien ja elektrolyyttien käyttö näissä luokissa tarjoaa erilaisiin käyttötarkoituksiin soveltuvat ominaisuudet.

Primääriakkuja, joita kutsutaan myös kertakäyttöisiksi akuiksi, ei voi ladata uudelleen, ja ne on hävitettävä käytön jälkeen. Niitä käytetään usein kannettavissa laitteissa, kuten taskulampuissa ja muussa elektroniikassa. Esimerkkejä ovat kuivaparistot, alkaliparistot, sinkki-hiiliparistot ja litiumprimääriparistot.

Alkaliparistot ovat suosituin kertakäyttöinen paristotyyppi. Nämä ei-ladattavat akut ovat edullisin luokka, ja ne säilyttävät tasaisen purkausnopeuden koko käyttöikänsä ajan ja tarjoavat luotettavan suorituskyvyn. Vaikka alkaliparistot ovat käteviä, ne eivät kuitenkaan ole ympäristöystävällisiä kertakäyttöisyytensä vuoksi.

Ladattavat akut, joita kutsutaan myös sekundääriakuiksi, voidaan ladata ja niitä voidaan käyttää uudelleen useita kertoja. Toisin kuin kertakäyttöiset akut, ne käyttävät ulkoista sähköpotentiaalia purkauskemiallisen reaktion kääntämiseen, mikä mahdollistaa toistuvan käytön. Näiden kennojen kemialliset koostumukset vaihtelevat. Niitä voivat olla lyijyhappo, nikkeli-kadmium (Ni-Cd), nikkeli-metallihybridi (Ni-MH) ja litiumioni (Li-ion). Ladattavat akut ovat yleensä kalliimpia kuin primääriakut, ja jotkut edellyttävät asianmukaista käsittelyä ylikuumenemisen estämiseksi, josta voi aiheutua tulipalo tai räjähdys.

Tertiääriset akut ovat vähiten käytetty akkutyyppi. Toisin kuin primääri- ja sekundääriakut, niiden kennot on erotettu muista komponenteista juuri ennen aktivointia. Elektrolyytti on useimmiten eristetty komponentti.

Vara-akut poistavat tehokkaasti itsepurkautumisen mahdollisuuden ja minimoivat kemiallisen kulumisen. Useimmat vara-akut ovat lämpötyyppisiä ja niitä käytetään lähes yksinomaan sotilaallisissa sovelluksissa.

Tämän artikkelin loppuosa keskittyy ladattaviin litiumioniakkuihin (Li-ion), jotka ovat yleisin akkutyyppi.

Litiumioniakut ovat suositeltuja tyyppejä käytettäväksi monenlaisissa sovelluksissa niiden pitkän käyttöiän, korkean energiatiheyden ja toivottujen jänniteominaisuuksien vuoksi. Pitkä lista sisältää mm. pieniä kuulokojeita, matkapuhelimia, tietokoneita, sähköpyöriä, sähköautoja ja jopa massiivisia verkkoenergiavarastoja.

Litiumioniakuissa käytetään tyypillisesti eri materiaaleja anodina (negatiivinen elektrodi) ja katodina (positiivinen elektrodi). Mitä tahansa johtavaa materiaalia, mukaan lukien metallit, puolijohteet, grafiitti tai johtavat polymeerit, voidaan käyttää elektrodina.

Positiiviset elektrodimateriaalit vaikuttavat merkittävästi litiumionikennojen suorituskykyyn, kiertoon ja käyttöikään. Elektrolyytti kuljettaa positiivisesti varautuneita litiumioneja anodin ja katodin välissä, kun taas erotin estää elektronien virtauksen akun sisällä, jolloin litiumionit pääsevät läpi.

Negatiivisesti varautuneella anodilla tapahtuu hapettumisreaktio ja se vapauttaa elektroneja, jotka liikkuvat kohti piirin ulkopuolista osaa. Useimmat litiumioniakut käyttävät anodimateriaalina grafiittiseosta – maasta louhitun luonnollisen grafiitin ja öljykoksia kuumentamalla saadun synteettisen grafiitin yhdistelmää. Saadulla seoksella on kerrosrakenne, mikä mahdollistaa litiumionien pääsyn kerroksiin latauksen aikana ja poistumisen purkamisen aikana.

Katodi on kennon positiivinen elektrodi, jossa tapahtuu pelkistävä kemiallinen reaktio. Litiumioniakuissa käytetään erilaisia ​​katodimateriaaleja, kuten litiumkobolttioksidia, litiumrautafosfaattia ja litium-nikkeli-mangaani-kobolttioksidia. Nämä materiaalit voivat vastaanottaa ja syrjäyttää käänteisesti litiumioneja kiderakenteeseensa ja sieltä ulos lataus- ja purkaussyklien aikana.

Litiumioniakkujen valmistajien on hankittava korkealaatuisia ja poikkeuksellisen puhtaita mineraaleja. Näin ollen yli puolet litiumioniakkujen valmistuskustannuksista on katodissa ja anodissa. Katodin, erottimen, anodien ja virrankeräinten kokoaminen vaatii myös tarkkoja kokoonpanovaiheita, mukaan lukien yksittäisten kerrosten sijoittaminen ja käärintä.

Litiumioniakut ovat olleet käytössä noin 30 vuotta, ja ne ovat kasvaneet räjähdysmäisesti tuona aikana.

Kuitenkin muita ladattavia akkukoostumuksia, kuten lyijyhappo, Ni-Cd ja Ni-MH, on ollut olemassa yli vuosisadan. Jokaisella niistä on omat etunsa ja haittansa, kuten seuraavissa osioissa kerrotaan.

Lyijyakkuja on käytetty 1800-luvun lopulta lähtien, ja niitä käytetään edelleen laajalti. Nämä akut ovat kustannustehokkaita, kierrätettäviä eivätkä vaadi monimutkaisia ​​akunhallintajärjestelmiä ylläpitoon. Niillä on kuitenkin alhainen ominaisenergia ja rajoitettu syklien määrä verrattuna muihin tyyppeihin. Lyijyakkuja käytetään pyörätuoleissa, golfkärryissä, hätävalaistuksessa ja polttomoottoriautoissa. Koska ne sisältävät lyijyä, joka on tunnettu myrkky, ne on hävitettävä ammattimaisesti niiden käyttöiän päätyttyä.

Nikkeli-kadmium-akut koostuvat nikkelioksidihydroksidista, metallisista kadmiumelektrodeista ja alkalisesta kaliumhydroksidielektrolyytistä. Yksi niiden tärkeimmistä eduista on nopea latausmahdollisuus, mutta siihen liittyvä haittapuoli on korkea itsepurkautumisnopeus. Lisäksi kadmium, kuten lyijy, on myrkyllistä.

Nikkeli-metallihybridiakut tarjoavat asteittaisia ​​parannuksia Ni-Cd:hen verrattuna, mukaan lukien 30 %:n lisäys lataustiheyteen tilavuutta kohti ja paljon hitaampi itsepurkautuminen. Niiden lataaminen kestää kuitenkin kauemmin ja ne ovat erityisen alttiita kapasiteetin heikkenemiselle toistuvan lataamisen yhteydessä.

Verrattuna muihin sekundääristen akkujen kemiallisiin koostumuksiin litiumioniakut ovat moderni kehityssuunta. Niissä on vertaansa vailla oleva yhdistelmä korkeaa energiaa ja tehotiheyttä sekä ylivoimainen paino-energia-suhde kolmeen aikaisempaan tyyppiin verrattuna. Litiumioniakut ovat kuitenkin erittäin syttyviä, joten ne edellyttävät suojapiiriä ja varovaista käsittelyä.

Uusia edistyksellisiä litiumioniakkuja on odotettavissa lähihorisontissa. Esimerkiksi litium-rikkiakut, joissa litiumanodi kulutetaan ja rikki muuttuu erilaisiksi kemiallisiksi yhdisteiksi. Myös solid-state-akuissa on potentiaalia, mutta tämä konsepti ei ole vielä siirtynyt laboratoriosta kaupalliseen elinkelpoisuuteen.

Suuren energiamuutoksemme keskellä akkujen tulevaisuus vaikuttaa meihin kaikkiin. Tämä kattaa käytetyt materiaalit, metallien hankinnan ja louhinnan sekä näiden mineraalien hävittämisen tai mieluiten uudelleenkäytön. Kestävässä akkukehityksessä on otettava huomioon raaka-aineiden kriittisyys ja pohdittava näiden mineraalien hankintaa, hävittämistä ja mahdollista uudelleenkäyttöä.