Litiumakut vesillä ja niiden turvallisuus.

 Litiumakut yleistyvät ympärillämme huimaa vauhtia. Normaalista kotitaloudestakin löytyy nykyään helposti useita kymmeniä akkuja käytössä. Kännykät, tietokoneet, tabletit, partakoneet, akkuporakoneet, ruohonleikkurit... Lista on loputon. 

Oy Esco Ab on toiminut vuosia litiumakkujen sekä erilaisten latausjärjestelmien toimittajana ja toimimme kärkikastissa litiumakkukonversioiden myymisessä ja asentamisessa. Olemmekin koostaneet laajan artikkelikokonaisuuden litiumakuista, niiden asennuksesta kierrättämisestä ja nyt tekniikasta ja turvallisuudesta sivustollemme.  Koemme velvollisuudeksemme pitää sekä omaa ammattitaitoamme yllä, että pyrkiä julkaisemaan subjektiivistä tietoa jolla saadaan laituriparlamenttien "varmoja" vääriä tietoja oikaistua. 

Käymme tässä artikkelissa hieman läpi litiumakkujen yleistä teknologiaa, niiden sovelluksia ja sovelluskohteita, sekä akkujen sammutusta ja paloturvallisuutta. Olemme käyttäneet pohjana artikkelissa. Vesa Linja-Ahon (Autotekniikan Lehtori, Metropolia AMK, Aaltoyliopiston väitöskirjatutkija Electrical Safety of emerging tecnologies)  Finnboatin tekniikkapäivillä pitämää luentoa aiheesta, sekä keränneet aineistoa, joissa viitteet alla. Emme käsittele artikkelissa ajovoima-akkuja vaan keskitymme enemmän pienempiin akkuihin, joita kuttajat käsittelevät itse. 

Akut voi jakaa käyttötavan mukaan kolmeen kategoriaan. 

Kun puhutaan ympärillä olevista akuista veneissä ja matkailuautoissa, ne voidaan jakaa karkeasti kolmeen kategoriaan. 

1. Pienlaitteiden akut, jotka eivät ole kiinteästi asennettuna kulkuvälineeseen, ja joiden kapasiteetti ei ole kovin iso. Tietokoneet, tabletit, akkukporakoineiden akut, sähköiset kulkuvälineet, potkulaudat, vesilelut. Kapasiteetit kymmenistä satoihin wattitunteihin

2. Kiinteästi asetetut käyttöakut, jotka on asennettu veneen tai matkailuajoneuvon rakenteisiin ja yhdistetty kiinteisiin latausjärjestelmiin, joita käytetään kulkuvälineen erilaisten laitteiden käyttövoimana. Kapasiteetti muutamia tuhansia wattitunteja

3. Ajovoima-akut, joilla tuotetaan voimaa propulsiolle tai ajomoottoreille. Kapasiteetti kymmeniä tuhansia wattitunteja. 

Näistä eritoten veneilijöillä on suurin kiinnostuksen aihe nimenomaan kiinteästi asennetut käyttöakut, joita käytetään litiumakkukonversoissa, ja joita paljon tehdään myös Tee-Se-Itse menetelmällä. PIenlaitteiden akkujen toimintaan ei juuri voi puuttua ja niiden omat niille suunnitellut laturit toimivat usein niin kuin pitää, samoin ajovoima-akut asennetaan yleensää ammattilaisten toimesta ja suunnitellusti. 

Litiumakun rakenne ja toiminta

Jotta voimme ymmärtää miten akku käyttäytyy ja mitä akun palamisessa, ammattilaisten käyttämällä termillä "lämpöryntäys" tapahtuu, meidän tulee katsoa hieman tarkemmin litiumakun rakennetta ja sen käyttäytymistä. 

Litiumakku poikkeaa totutusta lyijyakun rakenteesta aika paljonkin. Akku koostuu erilaisita kalvoista, joiden väliin itse akun aineet laminoidaan. Keskelllä akkukennoa on ns separaattorikalvo, joka pitää sekä grafiitin, että (kuvassa mainittu litium metallioksidi) seoksen erillään. Separaattorikalvo on huokoinen, jotta itse litium ionit pystyvät vaeltamaan lataus ja purkutilanteessa puolelta toiselle. Miinusnapa on yleensä kuparikalvo ja plusnapa alumiinia. Itse litiumin määrä tässä kennorakenteessa on suhteellisen vähäinen ja palavia aineita on lähinnä sulava muovikalvo, sekä grafiitti.  

Erilaisia litiumioni kennoja

Nikkelimetallikobolttioksidi (NMC), litiumrautafosfaatti (LFP) ja litiumtitanaatti (LTO) ovat erilaisia litiumioniakkujen tyyppejä, joita käytetään eri sovelluksissa niiden erilaisten ominaisuuksien perusteella.

Nikkelimangaanikobolttioksidi (NMC) on suosittu akkutyyppi sähköautoissa sen erinomaisen energiatiheyden ja ominaisenergian ansiosta. Se mahdollistaa pidemmän ajomatkan yhdellä latauksella, mikä tekee siitä houkuttelevan vaihtoehdon sähköajoneuvoille. NMC-akkujen koostumus sisältää yleensä nikkelin, koboltin ja mangaanin seoksia.

Litiumrautafosfaatti (LFP) tunnetaan korkeasta lämpötilakestävyydestään ja turvallisuudestaan. Se kykenee käsittelemään korkeampia lämpötiloja ja säilyttämään vakauden, mikä tekee siitä turvallisemman vaihtoehdon. LFP-akuissa on myös korkea syklikesto eli ne kestävät lukuisia lataus- ja purkaussyklejä. Ne toimivat matalammalla jännitteellä, mikä vaatii enemmän kennojen liitoksia, mutta tämä ominaisuus mahdollistaa paremman turvallisuuden ja kestävyyden.

Litiumtitanaatti (LTO) eroaa perinteisemmistä litiumioniakkutyypeistä siinä, että se korvaa grafiitti-anodin litiumtitanaatilla. Tämä tekee siitä erittäin paloturvallisen vaihtoehdon. LTO-akuissa käytetään yleisesti NMC:tä tai muita katodimateriaaleja. Litiumtitanaatti sopii erityisesti nopeasti ladattaviin laitteisiin tai sovelluksiin, joissa vaaditaan erittäin turvallista kennoa. Vaikka se on turvallinen ja tehokas, se voi olla hintavampi verrattuna muihin vaihtoehtoihin.

Näiden eri akkutyyppien valinta riippuu lopullisesta käyttötarkoituksesta, turvallisuusvaatimuksista, energiatiheydestä, syklikestosta ja budjetista. Sähköautoissa painotetaan usein pitkää toimintamatkaa, mikä tekee NMC-akkutyypistä houkuttelevan, kun taas sovelluksissa, joissa painotetaan korkeaa turvallisuutta ja lämpötilakestävyyttä, LFP tai LTO voi olla parempi vaihtoehto.

Ylivoimaisesti yleisin akkukennotyyppi, jota käytetään erilaisissa jälkiasennus ja litiumakkukonversioasennuksissa on LFP, LiFePo4 akkukennotyyppi. Sen verrattain hyvä turvallisuus, sekä erityisestai akkukennon sopiva 3,3V nimellisjännite antaa neljällä kennolla mukavan 13.2 voltin akustojännitten tekee siitä näihin ratkaisuihin ylivoimaisen. 

Tällainen kalvopaketti voidaan sitten kasata erilaisilla keinoilla kennoksi. Se voidaan kiepauttaa rullalle, jolloin siitä tulee ns "sormiparisto" tyyppinen. Latoa napiksi, tai laittaa lituskaiseksi pussiksi tai paketoida kantikkaaseen kennomuotoon. Tapoja on monia ja kennon rakenne antaa mahdollisuuksia laajoihin ratkaisuihin. Näistä kennoista voidaan kasata sitten kennostoja, joista tulee sitten varsinainen akku. 

Itse akkuteknologioiden turvallisuuksissa, pl litiumtitanaatti ei ole merkittäviä eroja keskenään, vaan suurimmat erot akkukennoissa tulevat valmistusteknisistä asioista ja valmistajan omasta laaduntarkkailuista. 

 Mekaanisia ja elektronisia suojauskeinoja

Litiumakkujen elektroniseen suojaamiseen käytetään aina erilaisia BMS (Battery Managment system) Järjestelmiä, joiden tehtävänä on valvoa akkukennoston sisäistä lämpötilaa, akkukennojen balanssia, ja lataus sekä purkuvirtoja. Alla kuvassa avattu akku, jossa päällimmäisenä näkyy tehotransistoreita päällään sisältävä BMS paketti, joka valvoo kennoston tilaa. 

Valmiin akkupaketin etuna kuluttajakäyttöä ajatellen on se, että BMS on mietitty ja suunniteltu toimimaan kulloisenkin kokoonpanon kanssa yhteen varmasti ja luotettavasti. Se on paketoitu siististi, yleensä vesitiiviiseen koteloon ja kokonaisuuden toiminta on varmistettu. Tämäkin voidaan tehdä joko hyvin tai huonosti, jolloin itse akkuvalmistajan merkitys tämän BMS toiminnassa korostuu. Aivan pienissä kennoissa myös yksinkertainen PTC rajoitin voi toimia varsin loistavasti

Kennon Mekaaniset suojausominaisuudet saattavat olla myöskin moninaisia. Akun lämpöryntäys on monivaiheinen prosessi, eikä se tapahdu normaaliolosuhteissa, kerralla, vaan vähin erin. Yksi keino on esimerkiksi suunnitella kalvorakenne niin, että akku pullistuu hallitusti. Kyseessä on tällöin niin sanottu kolmikerrosseparaattori (PP-PE-PP) Akun separaattorikalvosto on voitu suunnitella niin, että lämpöryntäyksen ensimmäisenä vaiheena kalvot painavat molemmin puolin olevat elektrolyytit irti toisistaan ja kennon lämpöryntäys keskeytyy tai pienenee. Toinen  ja lisäkeino myöskin on suunnitella akkukennoon "varoventtiili" joka ei välttämättä tarkoita suoranaisesti venttiiliä, vaan se voi olla heikko sauma, esileikkaus kulmassa tai muu vastaava keino, joka päästää kennosta kaasut pihalle. 

Litiumakun lämpöryntäys, eli akkupalo ja sen haastet

Akkupalo, kuten mikä tahansa tulipalo veneellä on aina vaaratekijä, johon tulee suhtautua vakavasti. Erityisesti pienet ahtaat tilat aiheuttavat oman vaaransa, että veneeltä ei voi helposti poistua turvallisesti ja ahtaat tilat täyttyvät nopeasti savusta. Etuna toki on, että sammutusvettä on tarjolla usein rajattomasti. Akkupalot eivät ole kuitenkaan yleistyneet akkujen runsaasta yleistymisestä huolimatta, joten pelkoon ei kannata kääriytyä, vaan enemmänkin suoda asialle muutama ajatus. 

• Miten akut on sijoitettu veneeseen tai ajoneuvoon ja pääseekö niitä sammuttamaan
• Onko akku asennettu allasmaiseen paikkaan, jossa akun voi helposti upottaa veteen
• Miten järjestän sammutusveden akulle helposti
• Tarvittaessa akuston valvonta teknisin apuvälinein. 

Litiumakun lämpöryntäys

Litiumakun palosta käytetään termiä lämpöryntäys. Akun palo tai räjähdys ei ole vain yksi tapahtuma, vaan se on sarja kennon ylikuumenemisesta tai mekaanisesta vauriosta tapahtuvia reaktioita, jotka ruokkivat lämmönnousua akkukennossa ja aiheuttavat lopuksi itseään ruokkivan tulipalon. Lämpöryntäyksen alkuvaiheessa akun jäähdytys esimerkiksi hiilidioksidisammuttimella ja sammutus vedellä ovat tehokkaimpia keinoja keskeyttää prosessi. Loppuvaiheessa runsas vesi sammuttaa akkupalon tehokkaimmin. 

Yllä kuva, jossa  kerrotaan akun erilaiset lämpötilat ja mitä siellä tapahtuu (lainattu Warner 2019=

Normaali akun lämpötila 23-25 astetta. Tämä on akun paras operointilämpötila

Maksimi käyttölämpötila 55-60 astetta. Eli hieman alilämpöinen sauna alkaa olemaan akun maksimilämpötila, missä sitä voidaan käyttää. Normaali BMS suojaustoimet katkaisevat akun toiminnan tarpeen mukaan näillä seuduilla

80-90 astetta, separaattorikerros hajoaa ja separaattorikerros sulaa yhdeksi estäen ionien menemisen separaattorikerroksen läpi. Akku alkaa tuottamaan eteeniä joka on palaava kaasu, joka syntyy yleensä polyetyleenisen SEI kerroksen sulaessa. Kaasut ovat tässä vaiheessa harmaita

100-120 astetta. Elektrolyyttikerros hajoaa ja alkaa kaasuuntumaan, ja tuottaa hiilivetyjä. Käytännössä siis elektrolyytissä oleva Grafiitti  alkaa tuottamaan paksua mustaa savua

130 astetta. Separaattori sulaa ja elektrodit menevät oikosulkuun

130-150 asetetta ( joillain LFP akulla yli 200, jopa 300 astetta riippuen elektrolyytistä) Katodi hajoaa ja alkaa vapauttamaan happea

noin 180 astetta on litiumin sulamispiste, lämpöryntäyksestä tulee itseään ylläpitävä reaktio. Yli 200 asteen lämpötiloissa alkaa akku tuottamaan Fluorivetyä, joka on voimakkaan ja tympeän hajuinen kaasu. 

Kaikissa vaiheissa akun lämpöryntäystä voidaaan akkua jäähdyttää ja sammuttaa vedellä. Tällaisen akun palolämpötila on noin tuhannen asteen luokkaa, joka vastaa perus nuotiota tai takkatulta. Lämpöryntäävän akun palo itsessään ei ole kovinkaan kuuma, mutta se, mitä se sytyttää ympärillä on toinen riskin aihe. Tämän vuoksi akkujen sijoittelulla  on suuri merkitys mahdollisen lämpöryntäävän akun sammuttamiseen. Tärkein on muistaa, että akun voi sammuttaa, se ei ole palopommi ja akun sammuttamiseen voi käyttää vettä. Myös akun varaustila vaikuttaa huomattavasti akun lämpöryntäyksen voimaan. Tyhjä akku ei regoi samalla tapaa kuin täysi. 

Lämpötilahallinta avainasemassa

Litiumakun kennon lämpötilan hallinta on kriittisen tärkeää sen turvallisuuden varmistamiseksi. Yksittäisen kennon lämpöryntäys on tilanne, jota ei voi ennustaa tai estää täysin. Kuitenkin toimenpiteitä voidaan toteuttaa sen leviämisen rajoittamiseksi ja vakavien seurausten välttämiseksi.

Sammuttaessaan akkukennon, lämpöryntäyksen edennyt vaihe voi olla verrattavissa ilotulitusraketin sammuttamiseen - käytännössä haastavaa, mutta mahdollista. Tämä korostaa tarvetta kehittää teknologioita, jotka pystyvät jäähdyttämään akkua tehokkaasti ja estämään lämmön leviämisen kennoista toisiin.

Yksi ratkaisu lämpöryntäyksen hallintaan on suunnitella akku niin, että jo alkuvaiheessa estetään lämpötilan nopea nousu ja sen leviäminen kennoista toisiin. Tämä vaatii tarkkaa suunnittelua lämmönhallinnasta ja jäähdytyksestä. Tehokas lämmönhallintajärjestelmä, joka mahdollistaa akun jäähdyttämisen samalla estäen lämmön etenemisen kennojen välillä, on välttämätön.

Isommissa ajovoimakennostoissa Immersiojäähdytys nousee esiin lupaavana tekniikkana, joka voi tarjota ratkaisun tähän haasteeseen. Tämä tekniikka hyödyntää nestettä tai nesteitä, joihin akkukennosto on upotettu, tarjoten tehokkaan jäähdytysmenetelmän samalla kun se estää lämmön leviämisen. Tämä innovatiivinen lähestymistapa voi olla avainasemassa varmistaessaan litiumakkujen turvallisuuden ja suorituskyvyn jatkuvan kehityksen.

Harhaluuloja ja väärinkäsityksiä

Yleinen harhaluulo litiumioniakkuihin liittyen on, että litiumin läsnäolo akussa aiheuttaisi välittömän syttymisen tai reaktion veden kanssa. Todellisuudessa litiumioniakussa litium ei esiinny vapaana metallina vaan kemiallisina yhdisteinä ja ioneina, mikä vähentää riskiä reagoida veden kanssa. Alkuvaiheessa jäähdytys vedellä tai hiilidioksidisammuttimella voi pysäyttää reaktion. Runsas vesi on paras mahdollinen sammute litiumakun lämpöryntäykseen ja litiumakkupalon sammuttamiseen. 

Yleinen harhaluulo myös liittyy akkukemioihin ja niiden turvallisuuteen. Totuus on, että akkukemiat vaihtelevat, ja niiden turvallisuuteen vaikuttavat monimutkaiset tekijät, kuten valmistajan laadunvarmistus, elektrolyytin koostumus, lisäaineistus ja monia muita pieniä yksityiskohtia. Tämä tarkoittaa sitä, että "turvallinen" tai "vaarallinen" luokittelu yksittäiselle akkukemialle ei ole yksiselitteinen, vaan se vaatii tarkempaa arviointia ja ymmärrystä kemiallisen koostumuksen ja valmistusprosessien vaikutuksista.

Näin ollen litiumakkuihin liittyvien harhaluulojen korjaaminen edellyttää ajantasaista tietoa, joka osoittaa, että litiumioniteknologian kehityksen myötä on tarpeen ymmärtää tarkemmin akkujen koostumusta, valmistuksen laatua ja asianmukaisia sammutusmenetelmiä niiden turvallisuuden takaamiseksi.

Litiumakkupalon sammuttaminen

Litiumakkupalo on pitkälle ehtiessään agressiivinen, mutta nopealla ja varmalla toiminnalla taltutettavissa. Moneen kertaan todettu vesi on tässä avainasemassa. Toinen hyvä apuväline on sammutuspeite, joka sinänsä ei estä akkupaloa, mutta estää heitteiden ja liekkien leviämisen ympäristöön ja voi estää palon leviämisen pidemmälle. 

Tärkeä on myös olla vaarantamatta itseään. Palossa vapautuu myrkyllisiä kaasuja, kuten kaikissa nykyisessä infrastruktuurissa tapahtuvissa paloissa. Ympäröimämme materiaalit ovat erilaisia muoveja ja niiden sekotteita ja niiden palotapahtumat vapauttuvat erilaisia coktaileja

Varo heitteitä. Akkukennosta voi lähtä sormipatterin kennoja kuin stalinin uruista. Käytä tarvittaessa sammutuspeitettä. 

Ison litiumakkupalon sammuttaminen on aina ammattilaisten heiniä, mutta tärkein pienemmissä poaloissa on estää lisävahingot ja suojata ihmiset ja ymmärtää, mitä  voi missäkin vaiheessa tehdä ja milloin on vaan todettava tilanne sellaiseksi, ettäturvallisinta vetäytyä

Kun akku suoltaa harmaata savua, sinulla on vielä aikaa toimia. Tämä savu on etyleeniä, joka tulee akun separaattorikalvon sulamisesta. Jäähdytä akkua, peitä se, suojaa ymäristö tai siirrä akku pois jos ehdit. 

Kun akku alkaa suoltamaan mustaa savua ollaan edetty Grafiittiin, joka on viimeinen vaihe ennen täyttä palovaihetta. Tämän jälkeen itse akun elektrolyytit sulavat ja alkaa itseään ruokkivan palon vaihe. 

Yllä pari esimerkkiä TUKES ja pelastusopiston tekemistä akkukennopaloista. 

Yleisellä tasolla tilanteen edetessä pisteeseen, jossa on mahdollista estää monin eri keinoin. Ensimmäinen on toki käyttää turvalliseksi todettuja tai laadukkaan valmistajan valmiita akkukennoja, joiden toiminta on varmistettu riittävällä tasolla niin mekaanisin, kuin elektronisin suojakeinoin

Akun asennuksen tulee olla suoritettuna niin, että akun lämpeneminen ei pääse missään olosuhteissa pisteeseen, jossa lämpöryntäys on mahdollinen ulkoisen tai sisäisen kuormituksen johdosta. Sisäisellä kuormituksella tarkoitetaan esimerkiksi hallitsematonta lataus tai purkuvirtaa

Tämän lisäksi akun mekaaninen sijoittelu tulee olla sellainen, että sen toimintaa päästään valvomaan ja tarvittaessa siihen liitetään ulkoinen valvontakomponentti, esimerkiksi lämpötilahälytin, lisäksi mahdollisuus vesijäähdytykseen kannattaa huomioida. Esimerkiksi allasmallinen akkukotelo johon on johdettu vesiyhde ja käsipumppu on lyömättömän tehokas sammutuskeino. 

Litiumakku on tästä artikkelista huolimatta erittäin turvallinen keino säilöä sähköä ja jo niiden käyttömäärä ympärillämme kertoo sen, että akkujen turvallisuus on saavuttanut tason jolla voimme käyttää niitä turvallisin mielin.  Toivottavasti sait tästä selvän ja subjektiivisen kuvan litiumakkujen turvallisuudesta sekä mahdollisessa palotilanteessa toimimisesta. 

Lähteitä ja lisälukemista
• R. Korthauer (toim.), Lithium-ion batteries: basics and applications. 2018.
• T. Warner, Lithium-ion battery chemistries. 2019.
• D. Andrea, Li-ion batteries and applications, osat 1 ja 2. 2020.
• V. Linja-aho, Litiumioniakkutekniikka. 2022.