Mitä elementtiä käytetään akuissa? Akut toimivat lähes kaikessa, mitä nykyään käytämme - älypuhelimista ja kannettavista tietokoneista sähköajoneuvoihin ja laajamittaisiin sähköverkon varastointijärjestelmiin. Mutta oletko koskaan todella pysähtynyt kysymään itseltäsi, mitkä elementit oikeastaan saavat akun toimimaan? Kuten, mikä oikeastaan sisäpuolella jonka avulla se voi varastoida ja vapauttaa energiaa aina tarvittaessa?
Kun ymmärrät akkujen kemiallisen rakenteen, et tyydytä vain uteliaisuuttasi, vaan saat myös tietoa akkujen suorituskyvystä, turvallisuudesta ja niiden aiheuttamista todellisista kestävyyshaasteista.
Tässä oppaassa selvitetään, mitkä ovat eri akkutyyppien tärkeimmät osat, miksi näillä materiaaleilla on merkitystä, miten ne vaikuttavat akun toimintaan ja turvallisuuteen ja mitä vaihtoehtoja tutkijat kehittävät nyt tulevaisuuden energian varastointia varten. Jos haluat tietää paitsi mitä sisällä on mutta miksi nämä materiaalit ovat tärkeitä, saat hyödyllistä luettavaa.
12v 200ah natriumioniakku
Kamada Power 10kWh kodin natriumakku
Mitkä ovat akuissa käytetyt tärkeimmät elementit?
Akut varastoivat energiaa kemiallisesti ja vapauttavat sitä sähköä sähkökemiallisissa reaktioissa kahden elektrodin - anodin ja katodin - välillä, joiden välissä on elektrolyytti. Mutta tässä on se juttu, että elementit jotka muodostavat nämä elektrodit, vaikuttavat täysin siihen, miten hyvin akku toimii.
Mitä elementtejä nykyisissä akuissa yleensä käytetään? Näitä esiintyy eniten:
- Litium (Li): Tämä on litiumioniakkujen tähti. Se on erittäin kevyt ja sisältää paljon energiaa grammaa kohden.
- Lyijy (Pb): Sitä on vanhoissa lyijyhappoakuissa, joita käytetään usein autoissa tai varavoimakoneissa.
- Nikkeli (Ni): Tämä metalli parantaa NiCd- ja NiMH-akkujen syklin kestoa ja kestävyyttä.
- Koboltti (Co): Se vakauttaa monia litiumioni-katodeja ja lisää niiden energiaa - mutta sillä on hintansa.
- Mangaani (Mn): Vähentää kustannuksia ja tekee litiumparistoista turvallisempia.
- Kadmium (Cd): Se oli aikoinaan suosittu NiCd-akuissa, mutta nykyään sitä vältetään, koska se on myrkyllistä.
- Sinkki (Zn): Se on halpaa ja turvallista, ja sitä käytetään yleisesti alkali- ja sinkki-ilmaparistoissa.
- Grafiitti (C): Tämä muodostaa litiumioniakkujen anodin.
- Rikki (S): Uudempi katodimateriaali litium-rikkiakkuihin, jossa on paljon energiapotentiaalia.
- Natrium (Na): Tutkijat pitävät tästä natriumioniakkuja koskevasta tutkimuksesta. Sitä on kaikkialla ja se maksaa vähemmän.
Jokaisella näistä elementeistä on hyvin erityinen rooli siinä, miten akku toimii, kuinka kauan se kestää, kuinka turvallinen se on ja mitä se maksaa. Valinnat eivät ole sattumanvaraisia vaan strategisia.
Taulukko 1: Yleiset akkuelementit ja niiden tärkeimmät ominaisuudet
| Elementti | Ensisijaiset akkutyypit | Tärkeimmät edut | Tärkeimmät huolenaiheet |
|---|
| Litium | Litium-ioni | Suuri energiatiheys, kevyt | Eettinen kaivostoiminta, kustannukset |
| Johto | Lyijyhappo | Edullinen, suuri ylijännitevirta | Raskas, myrkyllinen |
| Nikkeli | NiCd, NiMH | Kestävä, hyvä käyttöikä | Myrkyllisyys (Cd NiCd:ssä), kustannukset |
| Koboltti | Litiumioni-katodit | Vakauttaa katodia, energiaa | Korkeat kustannukset, eettiset kysymykset |
| Mangaani | Litiumioni-katodit | Turvallisuus, kustannusten vähentäminen | Kohtalainen energiatiheys |
| Kadmium | NiCd | Kestävä | Erittäin myrkyllinen |
| Sinkki | Emäksinen, sinkki-ilma | Halpa, turvallinen | Rajoitettu ladattavuus |
| Grafiitti | Litium-ioni anodit | Vakaa litiumin interkalaatio | Rajoitettu kapasiteetti |
| Rikki | Litium-rikki | Erittäin korkea teoreettinen energia | Elinkaarikysymykset |
| Natrium | Natriumioni | Runsas, edullinen | Pienempi energiatiheys |
Miten eri akkutyypit käyttävät eri elementtejä
Akkukemia muuttuu jokaisen käyttötapauksen mukaan - riippuen kustannuksista, tehontarpeesta ja suorituskykyvaatimuksista. Käydään läpi yleisimmät tyypit ja niiden sisältämät elementit:
1. Litiumioniakut (Li-ion)
Mukana olevat elementit: Litium, koboltti, nikkeli, mangaani, grafiitti.
Litiumioniakkuja käytetään nykyään kaikkialla puhelimista sähköautoihin, pääasiassa siksi, että niiden energiatiheys on suuri (150-250 Wh/kg) ja kestoikä hyvä. Litiumionit liikkuvat grafiittianodin ja katodin välillä, jotka on valmistettu materiaaleista kuten litiumkobolttioksidista (LiCoO₂), litiumnikkeli-mangaanikobolttioksidista (NMC) tai litiumrautafosfaatista (LFP).
- Koboltti auttaa vakauttamaan katodia, mutta se aiheuttaa sekä kustannuksia että ihmisoikeuskysymyksiä.
- Nikkeli lisää energiakapasiteettia ja varastointia.
- Mangaani parantaa turvallisuutta lisäämällä lämmönkestävyyttä.
- Grafiitti toimii tasaisena alustana litiumioneille latauksen aikana.
Vaikka nämä yhdistelmät toimivat hyvin, teollisuus pyrkii nyt vähentämään koboltin käyttöä sekä kustannus- että eettisistä syistä.
2. Lyijyakut
Mukana olevat elementit: Lyijy, rikkihappo
Ihmiset luottavat edelleen lyijyakkuihin autojen moottoreiden käynnistyksessä ja hätävaravirtojen syöttämisessä - useimmiten siksi, että ne ovat halpoja ja luotettavia. Niiden katodina käytetään lyijydioksidia ja anodina rikkihappoon sekoitettua sienimäistä lyijyä.
Iästään huolimatta käyttäjät pitävät niistä kiinni, koska ne ovat kierrätettäviä ja edullisia.
3. Nikkeli-kadmiumparistot (NiCd)
Mukana olevat elementit: Nikkeli, kadmium
NiCd-akut kestävät pitkään ja kestävät kovaa käyttöä, mutta kadmiumin myrkyllisyys tekee niistä haitallisia. Tämän vuoksi useimmat teollisuudenalat ovat siirtymässä pois niistä hitaasti.
Mukana olevat elementit: Nikkeli, harvinaiset maametallit
NiMH-akut korvasivat NiCd-akut monissa elektroniikkalaitteissa ja hybrideissä. Ne ovat turvallisempia ja ympäristöystävällisempiä, ja niissä käytetään nikkelihydroksidi- ja metallihydridielektrodeja.
5. Alkaliparistot
Mukana olevat elementit: Sinkki, mangaanidioksidi
Nämä ovat paristoja esimerkiksi kaukosäätimiin ja taskulamppuihin. Niissä käytetään sinkkianodia, mangaanikatodia ja kaliumhydroksidia elektrolyyttinä. Ihmiset pitävät niistä niiden säilyvyyden ja hinnan vuoksi.
Taulukko 2: Tärkeimpien akkutyyppien ja niiden keskeisten tunnuslukujen vertailu.
| Paristotyyppi | Energiatiheys (Wh/kg) | Syklin kesto (syklit) | Kustannukset | Ympäristövaikutukset |
|---|
| Litiumioni | 150-250 | 500-2000 | Korkea | Kohtalainen, eettiset huolenaiheet |
| Lyijyhappo | 30-50 | 200-500 | Matala | Myrkylliset metallit, kierrätettävät |
| Nikkeli-kadmium | 45-80 | 1000-2000 | Medium | Myrkyllinen kadmium |
| Nikkeli-metallihydridi | 60-120 | 500-1000 | Medium | Turvallisempi kuin NiCd |
| Emäksinen | 100-150 (ilman latausta) | N/A | Matala | Kertakäyttöinen, rajoitettu kierrätys |
Miksi nämä elementit on valittu?
Akunvalmistajat valitsevat elementtejä useista päällekkäisistä syistä:
- Sähkökemiallinen käyttäytyminen: Alkuaineet tarvitsevat suotuisia redox-potentiaaleja toimiakseen. Litium sopii tähän erinomaisesti pienen massansa ja korkean reaktiivisuutensa ansiosta.
- Energian varastointi: Jotkin materiaalit pitävät enemmän mehua kuin toiset. Litium ja nikkeli ovat tässä kärjessä.
- Vakaus: Akkujen on kestettävä kuumuutta, kylmyyttä ja kemiallista rasitusta hajoamatta tai aiheuttamatta tulipaloja.
- Hinta ja saatavuus: Mitä runsaampi alkuaine on, sitä halvemmalla siitä valmistetaan akkuja.
- Turvallisuus ja etiikka: Jotkin elementit, kuten kadmium tai koboltti, aiheuttavat terveys- ja työvoimakysymyksiä, joten yritykset yrittävät nyt korvata ne.
Esimerkiksi koboltti parantaa akkujen energiaa ja rakennetta, mutta sen kustannukset ja louhintaongelmat vähentävät sen houkuttelevuutta tulevaisuudessa.
Jokainen elementti muuttaa akun toimintaa todellisessa elämässä:
Energiatiheys ja kapasiteetti
- Runsaasti nikkeliä sisältävät akut voivat olla yli 250 Wh/kg - ihanteellisia pitkän kantaman sähköautoihin.
- Lyijyakkujen energiatiheys on paljon pienempi, mutta ne soveltuvat hyvin lyhytaikaiseen tai suurten ampeerien käyttöön.
Lataus/purkausnopeudet
- Koboltti ja nikkeli mahdollistavat nopean latauksen ja vakaan suorituskyvyn.
- Grafiittianodien ansiosta litium siirtyy nopeasti sisään ja ulos, mikä parantaa latausaikaa.
Turvallisuus ja lämmönkestävyys
- Mangaani ja LFP-kemiat tekevät akuista palonkestävämpiä.
- Lyijyä ja kadmiumia käsitellään huolellisesti, koska niillä on myrkyllisiä vaikutuksia ihmisiin ja ympäristöön.
Myrkyllisyys ja jätteet
- Kadmiumin ja lyijyn kaltaiset elementit ovat vaarallisia, jos niitä ei hävitetä oikein.
- Litiumioniakkujen kierrätys paranee nyt, mikä auttaa ottamaan talteen metalleja ja vähentämään kaatopaikkojen kuormitusta.
Akkuelementtien ympäristöön liittyvät ja eettiset näkökohdat
Tiettyjen akkumateriaalien hankkiminen vaatii muutakin kuin niiden kaivamista esiin:
- Kongon demokraattisen tasavallan koboltti on yhdistetty vaarallisiin työoloihin ja lapsityövoimaan.
- Litiumin louhinta kuivilla alueilla vaikuttaa vesivarantoihin ja yhteisöihin.
- Nikkeli ja harvinaiset maametallit tuovat mukanaan geopoliittisia ja toimitusketjuihin liittyviä haasteita.
- Kierrätysteknologia on vielä jäljessä kysynnästä - mutta se on välttämätöntä tulevaisuuden kannalta.
Hallitukset, erityisesti EU:ssa, painostavat nyt akkujen valmistajia kohti puhtaampia hankintatapoja ja kiertokäytäntöjä.
Uuden sukupolven akkujen uudet vaihtoehtoiset elementit
Nykyisten kustannus-, eettisten ja toimituskysymysten ratkaisemiseksi tutkijat tarkastelevat uudempia vaihtoehtoja:
Natrium-ioniakut
Natrium maksaa vähemmän ja sitä on helpompi saada kuin litiumia. Nämä natriumioniakut eivät ehkä säilytä yhtä paljon energiaa (100-160 Wh/kg), mutta ne voisivat toimia hyvin suurissa varastointilaitteissa.
Litium-rikkiparistot
Niissä luvataan jopa yli 400 Wh/kg käyttämällä rikkiä, jota on halpaa ja runsaasti. Rikkiparistot kärsivät kuitenkin edelleen kapasiteetin menettämisestä ajan myötä.
Grafeeniparistot
Grafeenia lisäämällä nämä akut latautuvat nopeammin ja kestävät pidempään - vaikka niiden valmistaminen on edelleen kallista.
Kiinteän olomuodon paristot
Nesteen sijaan niissä käytetään kiinteitä elektrolyyttejä, mikä tekee niistä turvallisempia ja energiatiiviimpiä.
Sinkkipohjaiset paristot
Ne ovat halpoja, myrkyttömiä ja helposti kierrätettäviä. Sinkki-ilma-akut voisivat lähitulevaisuudessa tuottaa sähköä koteihin ja sähköverkkoihin.
Koboltittomat paristot
LFP:tä tai runsaasti nikkeliä sisältäviä kemiaa käyttävissä akuissa kobolttia ei käytetä lainkaan, mikä auttaa alentamaan kustannuksia ja parantamaan turvallisuutta.
Rauta-ilma-akut
Raudan ja ilman avulla pyritään tarjoamaan pitkäaikainen varastointi erittäin alhaisin kustannuksin. Niiden ladattavuutta ja tehotiheyttä on kuitenkin parannettava.
Taulukko 3: Kehittyvät akkuteknologiat ja niiden potentiaali
| Paristotyyppi | Teoreettinen energiatiheys (Wh/kg) | Tärkeimmät edut | Tärkeimmät haasteet |
|---|
| Natriumioni | 100-160 | Alhaiset kustannukset, runsaat resurssit | Pienempi energiatiheys |
| Litium-rikki | 400+ | Erittäin suuri energiatiheys | Syklin kestoikä, polysulfidin vaihtaminen |
| Grafeenilla tehostettu Li | 250+ | Nopea lataus, pitkä käyttöikä | Valmistuksen monimutkaisuus |
| Solid-State | 300-500 | Korkea turvallisuus, energiatiheys | Skaalautuvuus, kustannukset |
| Sinkki-ilma | 300-400 | Turvallinen, edullinen, kierrätettävä | Ladattavuus, teho |
| Rauta-ilma | 300+ | Erittäin edulliset, runsaat materiaalit | Tehotiheys, ladattavuus |
Päätelmä
Kun tiedät, mitä elementtejä akuissa on ja miksi ne ovat siellä, alat ymmärtää, millaisia kompromisseja valmistajien on tehtävä. Litium saattaa olla tällä hetkellä hallitseva tekijä, mutta natrium, rikki ja sinkki voivat johtaa kehitystä tulevaisuudessa.
Akkujen tulevaisuus ei riipu vain kemiasta - se riippuu myös tieteestä, etiikasta ja älykkäästä hankinnasta.
FAQ
Mikä on yleisin litiumioniakuissa käytetty alkuaine?
Se olisi litiumia. Katodeissa käytetään kuitenkin myös kobolttia, nikkeliä ja mangaania - ja anodina grafiittia.
Ovatko litiumakut paras valinta kaikkiin sovelluksiin?
Ei. Paikallaan oleviin varastoihin tai pienemmän budjetin käyttötarkoituksiin lyijyhappo- tai natriumioniakut voisivat olla parempia.
Voivatko valmistajat valmistaa akkuja ilman myrkyllisiä elementtejä, kuten kobolttia?
Kyllä, ja monet jo tekevätkin niin - LFP- ja korkean nikkelipitoisuuden omaavat kemiat ovat yleistymässä.
Miten elementin valinta vaikuttaa akun käyttöikään?
Paremmat materiaalit hajoavat vähemmän. Esimerkiksi mangaani ja rautafosfaatti auttavat akkuja kestämään pidempään.
Mitkä ovat turvallisimmat akkukemiat?
Kiinteän olomuodon akut ja LFP-akut tarjoavat paremman lämpöturvallisuuden ja pienemmän tulipaloriskin kuin kobolttipitoiset litiumioniakut.