Akun perusteet
Ladattavat akkukennot varastoivat energiaa kemiallisesti ja vapauttavat sitä sähköenergiana. Varautuneet ionit liikkuvat kahden elektrodin välillä samalla, kun elektronit kulkevat ulkoisen virtapiirin kautta. Useimmat sähköautot käyttävät litiumionikennoja. Natriumionikennot toimivat samankaltaisella periaatteella, mutta niissä käytetään eri materiaaleja ja varausta kuljettavia ioneja.
Kennosta akkupaketiksi
Kenno on pienin täydellinen sähkökemiallinen energiavarasto. Yksi kenno tuottaa tavallisesti vain muutaman voltin jännitteen, joten sähköautossa useita kennoja yhdistetään ajoneuvon tarvitseman jännitteen ja energiamäärän saavuttamiseksi.
Kennot voidaan ryhmitellä moduuleiksi, jotka puolestaan voidaan asentaa akkupakettiin. Joissakin uudemmissa akkupaketeissa kennot asennetaan suoraan paketin rakenteeseen ilman perinteisiä moduulikoteloita.
Kokonainen akkupaketti sisältää myös sähköliitännät, jäähdytys- tai lämmityslaitteiston, anturit, kontaktorit, sulakkeet, suojaavan kotelon ja akunhallintajärjestelmän.
Akkupaketti ja sen kokoonpano -luvussa selitetään, miten kennot kytketään ja integroidaan fyysisesti.
Mitä akkukennon sisällä on?
Tavanomaisessa litiumionikennossa on viisi pääasiallista komponenttityyppiä:
- Negatiivinen elektrodi
- Positiivinen elektrodi
- Elektrolyytti
- Erotin
- Molempien elektrodien virrankeräimet
Negatiivista elektrodia kutsutaan tavallisesti anodiksi ja positiivista elektrodia katodiksi. Nimet kuvaavat niiden tehtäviä akun purkautuessa. Akkualan kirjallisuudessa samoja nimiä käytetään yleensä myös latauksesta puhuttaessa.
Negatiivinen elektrodi
Negatiivinen elektrodi varastoi litiumioneja kennon ollessa ladattu ja vapauttaa niitä kennon purkautuessa.
Useimmat nykyiset sähköautojen litiumionikennot käyttävät grafiittia negatiivisen elektrodin päämateriaalina. Joihinkin lisätään piitä, jotta elektrodi voi varastoida enemmän litiumia. Litium sitoutuu elektrodimateriaaliin eikä ole irrallisena metallisena litiumina.
Positiivinen elektrodi
Positiivinen elektrodi vapauttaa litiumioneja latauksen aikana ja vastaanottaa niitä purkautumisen aikana.
Sen aktiivimateriaali on yksi kennokemian tärkeimmistä määrittäjistä. Sähköautoissa yleisiä katodiperheitä ovat litiumrautafosfaatti (LFP), nikkeli-mangaani-koboltti (NMC) ja nikkeli-koboltti-alumiini (NCA).
Kennokemia ja komponentit -luvussa nämä materiaalit ja niiden väliset kompromissit selitetään yksityiskohtaisemmin.
Elektrolyytti
Elektrolyytti mahdollistaa ionien liikkumisen kahden elektrodin välillä.
Useimmissa nykyisissä sähköautokennoissa käytetään nestemäistä elektrolyyttiä, jossa litiumsuola on liuotettu orgaanisiin liuottimiin. Muissa rakenteissa voidaan käyttää geeli-, puolikiinteää, polymeeri- tai kiinteää elektrolyyttiä.
Elektrolyytti johtaa ioneja kennon sisällä. Elektronien on sen sijaan tarkoitus kulkea ulkoisen virtapiirin kautta.
Erotin
Erotin on ohut, huokoinen kalvo positiivisen ja negatiivisen elektrodin välissä.
Se estää elektrodien suoran fyysisen kosketuksen, joka voisi aiheuttaa sisäisen oikosulun. Sen mikroskooppiset huokoset päästävät kuitenkin ionit kulkemaan elektrolyytissä.
Virrankeräimet
Aktiiviset elektrodimateriaalit pinnoitetaan ohuille sähköä johtaville kalvoille, joita kutsutaan virrankeräimiksi. Kalvot kuljettavat elektroneja elektrodimateriaalien ja kennon napojen välillä.
Tavanomaisissa litiumionikennoissa käytetään yleensä kuparikalvoa negatiivisen elektrodin puolella ja alumiinikalvoa positiivisen elektrodin puolella. (Yhdysvaltain energiaministeriö)
Miten purkautuminen toimii
Kennon purkautuessa litiumionit liikkuvat negatiiviselta elektrodilta positiiviselle elektrodille elektrolyytin ja erottimen läpi.
Elektronit eivät voi kulkea samaa sisäistä reittiä erottimen läpi. Ne liikkuvat negatiiviselta navalta positiiviselle navalle ulkoisen virtapiirin kautta. Tämä elektronivirta tuottaa ajoneuvon käyttämän sähköenergian. (Yhdysvaltain energiaministeriö)
Purkautumisen aikana:
- Negatiivinen elektrodi vapauttaa litiumioneja elektrolyyttiin
- Ionit liikkuvat erottimen läpi kohti positiivista elektrodia
- Elektronit poistuvat negatiiviselta elektrodilta sen virrankeräimen kautta
- Elektronit kulkevat ulkoisen virtapiirin kautta
- Positiivinen elektrodi vastaanottaa palaavat ionit ja elektronit
Sähköauton akku tuottaa tasavirtaa. Ajoneuvon tehoelektroniikka ohjaa energiaa ja välittää sen sähkömoottorille sekä muille suurjännitejärjestelmille.
Miten lataaminen toimii
Lataaminen kääntää ionien ja elektronien liikesuunnan.
Ulkoinen virtalähde poistaa elektroneja positiiviselta elektrodilta ja syöttää niitä virtapiirin kautta negatiiviselle elektrodille. Samalla litiumionit liikkuvat elektrolyytin läpi positiiviselta elektrodilta takaisin negatiiviselle elektrodille.
Lataamisen aikana:
- Positiivinen elektrodi vapauttaa litiumioneja
- Ionit liikkuvat elektrolyytin ja erottimen läpi
- Elektroneja poistetaan positiiviselta elektrodilta
- Latausjärjestelmä syöttää elektroneja negatiiviselle elektrodille
- Negatiivinen elektrodi varastoi palaavat litiumionit
- Sähköenergia muuttuu varastoiduksi kemialliseksi energiaksi
Sama perusprosessi tapahtuu regeneratiivisen jarrutuksen aikana. Sähkömoottori toimii generaattorina ja muuntaa osan ajoneuvon liike-energiasta sähköenergiaksi, joka voidaan palauttaa akkuun.
Kuva esittää litiumioni- ja natriumionikennojen yhteisen toimintaperiaatteen. Litiumionikennoissa Li⁺-ionit liikkuvat elektrodien välillä, kun taas natriumionikennoissa liikkuvat Na⁺-ionit. Niiden elektrodimateriaalit, jännite, elektrolyytti ja yksityiskohtainen rakenne eroavat toisistaan.
Jännite, virta, teho ja energia
Nämä käsitteet kuvaavat akun eri ominaisuuksia:
- Jännite (V) on sähköinen potentiaaliero, joka saa virran kulkemaan virtapiirissä.
- Virta (A) kuvaa sähkövarauksen siirtymisnopeutta.
- Teho (kW) kuvaa, kuinka nopeasti akku luovuttaa tai vastaanottaa energiaa.
- Kapasiteetti (Ah) kuvaa, kuinka suuren sähkövarauksen kenno tai akku voi siirtää.
- Energia (kWh) kuvaa, kuinka paljon sähköistä työtä akku voi tuottaa.
Sähköteho lasketaan jännitteen ja virran perusteella:
Teho (kW) = Jännite (V) × Virta (A) ÷ 1,000
Akun likimääräinen nimellisenergia voidaan laskea jännitteen ja ampeerituntikapasiteetin perusteella:
Energia (kWh) ≈ Nimellisjännite (V) × Kapasiteetti (Ah) ÷ 1,000
Tulos on likimääräinen, sillä kennon jännite muuttuu jatkuvasti varaustilan, virran, lämpötilan ja kemian mukaan.
Suuren energiasisällön akku voi varastoida paljon energiaa, kun taas suuritehoinen akku voi luovuttaa tai vastaanottaa energian nopeasti. Akun suunnittelussa joudutaan usein tekemään kompromisseja energiatiheyden, tehon, latausnopeuden, kestävyyden, turvallisuuden, massan ja kustannusten välillä.
Kennojännite ja toimintarajat
Kennon jännite syntyy sen positiivisen ja negatiivisen elektrodimateriaalin sähkökemiallisten potentiaalien erosta.
Jännite ei ole vakio. Se muuttuu kennon latautuessa ja purkautuessa, ja muutoksen muoto riippuu kemiasta.
Tyypillisiä nimellisarvoja ovat:
- Noin 3,2 V LFP-litiumionikennolle
- Noin 3,6–3,7 V monille NMC- ja NCA-litiumionikennoille
Nimellisjännite on laskennassa ja vertailussa käytettävä edustava arvo. Kennon todellinen jännite vaihtelee laajemmalla toiminta-alueella.
Jokaisella kennorakenteella on jännitteen ylä- ja alarajat. Lataaminen sallitun enimmäisarvon yläpuolelle tai purkaminen vähimmäisarvon alapuolelle voi vaurioittaa kennoa, nopeuttaa heikkenemistä tai aiheuttaa turvallisuusriskin.
Akunhallintajärjestelmä valvoo kennojännitettä ja pitää akun sallitulla toiminta-alueella. Se ottaa huomioon myös virran, lämpötilan, varaustilan ja kennojen väliset erot.
Litiumioni ja natriumioni
Sekä litiumioni- että natriumionikennot siirtävät positiivisesti varautuneita ioneja kahden elektrodin välillä, mutta teknologiat eivät ole keskenään vaihdettavissa.
Litiumionikennoissa liikkuvat litiumionit, joiden merkintä on Li⁺. Natriumionikennoissa liikkuvat natriumionit, joiden merkintä on Na⁺. Natriumionit ovat suurempia ja vuorovaikuttavat eri tavoin elektrodimateriaalien kanssa, joten natriumionikennot tarvitsevat nimenomaan natriumille kehitettyjä materiaaleja ja rakenteita.
Useimpien litiumionikennojen negatiivinen elektrodi perustuu grafiittiin. Natriumionikennoissa käytetään yleisesti kovahiiltä. Myös positiivisen elektrodin materiaalit, jännite, energiatiheys, lämpötilakäyttäytyminen, kustannukset ja toimitusketjut eroavat toisistaan.
Toimintaperiaate on siis samankaltainen, mutta kennojen lopulliset ominaisuudet voivat poiketa huomattavasti.
Miksi osa energiasta muuttuu lämmöksi
Lataaminen ja purkaminen eivät ole täysin häviöttömiä. Jokaisessa kennossa on sähköistä ja sähkökemiallista vastusta, joten osa energiasta muuttuu lämmöksi.
Vastus ja lämmöntuotto riippuvat muun muassa seuraavista tekijöistä:
- Kennokemia ja rakenne
- Akun lämpötila
- Varaustila
- Lataus- tai purkuvirta
- Kennon ikä ja kunto
Suurempi virta tuottaa tavallisesti enemmän lämpöä. Alhainen lämpötila voi myös kasvattaa vastusta ja heikentää akun kykyä latautua tai luovuttaa tehoa.
Nämä vaikutukset selittävät, miksi sähköauto tarvitsee lämmönhallintaa ja miksi lataustehoa, regeneratiivista jarrutusta ja kiihdytystä voidaan rajoittaa akun ollessa erittäin kylmä, kuuma, lähes täysi tai lähes tyhjä.
The Limiting Factorin video tarjoaa hyödyllisen visuaalisen selityksen litiumionikennon toiminnasta niille, jotka haluavat perehtyä aiheeseen teknisesti syvemmin.