Kun olet valitsemassa käyttöösi litiumakkua, on kuluttajalla sula mahdottomuus varmistua siitä, mitä akuston sisälle on paketoitu ja millaisilla kennoilla akku on varustettu. Ainoa keino kuluttajalla varmistua akun tasosta, on tuottaja, joka pystyy takaamaan akun laadun. Ilman syvällistä mittausta olevt vain akun toimittajan tietojen varassa. 

Usein, mitä luotettavampi ja tunnetumpi toimija  on akun valmistanut, sitä enemmän ja luotettavampaa tietoa he pystyvät akusta kertomaan. Litiumakku kun ei ole saman tyyppinen yksinkertainen kokoelma lyijyä ja happoa kuin perus lyijyakku. Se on 

• koonnelma kennoista, joita voi olla eri tyyppisiä ja eri laatuisia
• koonnelma sähkömekaanisia liitoksia
• koonnelma ohjauselektroniikkaa
• koonnelma ohjelmistoa

Lithiumkennot ja niistä koostetut akut ovat saatavilla monissa eri kemioissa, järjestelyissä ja laadun asteissa. Ymmärtäminen, miten ne eroavat toisistaan, voi määrittää sen, mikä niistä valitaan tietylle sovellukselle, lopullisen akun keston ja hinnan. Tässä artikkelissa käsittelemme, miten jokainen litiumkenno ja akku eroavat toisistaan tutkimalla litiumakkujen suorituskykyominaisuuksia, erilaisia kemioita, erilaisia rakennusmenetelmiä ja saatavilla olevia laatuluokkia.

Litiumakun perusteet 

Aloitetaan alusta. Miten akku varastoi energiaa? Akun varastoidakseen energiaa tapahtuu elektrokemiallinen reaktio positiivisen varautuneen materiaalin (katodi), negatiivisen varautuneen materiaalin (anodi) ja elektrolyytin välillä nestemäisenä, geelinä tai kiinteänä aineena. Tämä elektrokemiallinen reaktio synnyttää elektronien virtauksen elektrodien välillä, luoden siten energiaa.

Normaalin lyijyakun(SLA/SLD/SMF/AGM) -akun tapauksessa tämä tapahtuu Lyijyoksidilevyn (katodi), Lyijylevyn (anodi) ja Rikkivetyhapon vesiseoksen (elektrolyytti) välillä. Nämä on suunniteltu 2,1 V:n kennoiksi ja sarjakytketty 12,6 V:n akun luomiseksi. Tämä on tavallinen auton akku.

Litiumakussa käytetään edelleen katodia, anodia ja elektrolyyttiä, mutta koska litium on paljon pienempi ja kevyempi, sekä katodiin että anodiin voi varastoida paljon litiumia. Tämä luo suuremman energiatiheyden, joka tuottaa korkeamman jännitteen. Yksi litiumionikenno voi tuottaa 3,6 volttia tai enemmän, riippuen katodimateriaaleista.

Litiumrauta-fosfaattiakun (LiFePO4) tapauksessa anodisolu on tehty grafiitista, elektrolyytti on liuosta litiumsuoloista seoksessa erityisesti kehitettyjen liuottimien kanssa. Missä LiFePO4-akku todella loistaa, on katodi. Siitä LiFePO4-akku saa nimensä. Tämä kenno koostuu negatiivisesti varautuneista fosfaatti-rautaioneista, jotka ovat sidoksissa positiivisesti varautuneisiin rautaioneihin. Tämä luo tiiviin sidotun rakenteen, jolla on korkea kemiallinen vakaus ja tiheys.

Tämä johtaa akkuun, jolla on alhainen itsepurkautumisnopeus, nopea uudelleenlatausaika, tasainen purkauskäyrä, joka pystyy toimittamaan suuren määrän syklejä akussa, joka on alle puolet vastaavan lyijyakun painosta. LiFePO4-akku voidaan myös suunnitella tuottamaan samanlaisen jännitteen kuin lyijyakku ja konfiguroida sopimaan standardiin lyijyakun koteloon vaihdon helpottamiseksi.

Kuitenkin lyijyakulla on joitain etuja litiumiin verrattuna, ja vaikka litium on loistava lyijyakun korvike, se ei sovi jokaiseen käyttöön. Näitä ovat yleensä sovellukset, jotka vaativat erittäin suurta purkausnopeutta(keulapotkurit isot invertterit, isot moottorikäytöt), altistumista jatkuvan äärimmäisen kuumuuden tai kylmyyden vaikutukselle (konetila-asennukset, offgrid järjestelmät kesämökeillä),  tai hintaherkkyyttä. Näissä tapauksissa lyijyakku saattaa silti olla suositeltavampi.  Mutta teknologian jatkaessa kehittymistään sekä litiumakuiden että niiden sovellusten osalta, valinta siitä, kumpaa käyttää, ei aina ole selvä ja vaatii syvällisempää analyysiä, erityisesti teollisissa sovelluksissa

Eri litiumakkukemiat 

Markkinoilla on kuitenkin useita erilaisia litiumakkukemioita, jotka soveltuvat erilaisiin käyttötarkoituksiin. Oleisin tapa kulutusakuissa on käyttää litiumrautafosfaattiyhdistettä, jolla on korkeampi purkaus/latausnopeus, syklien kesto, lämpövakaus ja se kestää korkeampia lämpötiloja. Mutta sillä on matalampi energiatiheys ja korkeampi itsepurkautumisnopeus verrattuna muihin litiumkemioihin. Tämä tekee siitä erinomaisen vaihtoehdon sähköajoneuvoille, sähkötyökaluille ja energian varastoinnille voimalaitoksissa ja erilaisessa liikkuvassa kalustossa

Yksi toinen yleisimmistä litiumtyypeistä on litiumkobolttioksidi (LiCoO2), tämä litiumtyyppi on yleensä löydettävissä puhelimissa, digikameroissa ja kannettavissa tietokoneissa. Vaikka tämä yhdiste on tihein, sen suurin haittapuoli on sen lämpöherkkyys, mikä voi aiheuttaa tulipalon. Tämä johtuu siitä, että anodit voivat ylikuumentua, ja katodi tuottaa happea hajoamisen aikana, ellei sitä hallita asianmukaisesti.

Nämä ovat markkinoiden kaksi yleisintä litiumakutyyppiä. Kuitenkin on olemassa monia muita litiumyhdistelmien tyyppejä, joista jotkut ovat;

• Litiummangaanioksidi (LiMn2O4)
• Litiumnikkeli-mangaani-kobolttioksidi (LiNiMnCoO2 tai NMC)
• Litiumtitaatti Ja kun teollisuus jatkaa eri yhdistelmien tutkimista eri käyttötarkoituksiin, tämä luettelo jatkaa kasvamistaan, jokaisella omat ainutlaatuiset etunsa ja haittansa.

Litiumkennon tyypit

Litiumkenno voi myös olla kolmea eri tyyppiä rakenteeltaan, joista jokaisella on omat etunsa. Kolme saatavilla olevaa litiumkennotyyppiä ovat sylinterimäisiä, pussimaisia ja prismamaisia.

Sylinterimäinen akkukenno

Yleisin saatavilla oleva kennotyyppi on sylinterimäinen, joka koostuu levyjen kaltaisista anodeista, erotinaineista ja katodeista, jotka on pinottu, kierretty ja pakattu sylinterin muotoiseen kanteen. Akun pyöreä muoto jakaa sisäisen paineen sivureaktioista melkein tasaisesti kennon ympärysmitalle. Tämä muoto ei kuitenkaan hyödynnä tilaa tehokkaasti, ja BMS voi olla monimutkaisempi suuren kennojen määrän vuoksi esimerkiksi sähköajoneuvojen sovelluksissa. Koska ne ovat helpoin ja kustannustehokkain vaihtoehto tuottaa, ne ovat yleisimpiä.

Pussimainen akkukenno

Pussimainen suunnittelu ei sisällä jäykkää suojusta, vaan siinä käytetään tiivistettyä joustavaa foliota, jota on tuettava sisäisellä rakenteella. Se on kustannustehokas vaihtoehto, ja toisin kuin sylinterimäinen kenno, se voidaan pinota yhteen käyttäen hyväksi eniten käytettävissä olevaa tilaa. Koska monia kennoja voidaan pinota akkuun, se voidaan mukauttaa sovelluksiin, jotka vaativat suurempaa purkausnopeutta tai pienempää fyysistä kokoa. Hyvin suunniteltu akku, joka käyttää pussikennomallia, tulisi myös tehdä kompromisseja litiumkennojen paisumisen 8-10% suhteen ja ottaa huomioon niiden alttius korkealle lämmölle ja kosteudelle.

Prismaattinen akkukenno

Lopuksi prismamainen suunnittelu, jota parhaat kennot käyttää, koostuu suurista levyistä, jotka on pinottu, kierretty ja puristettu sopimaan metalliseen kovaan muoviseen tai alumiiniseen koteloonsa kuutiomuodossa. Tämä on huippuluokan suunnittelu, joka on mekaanisesti vakain, ei todennäköisesti turpoa ja vaatii vähiten litiumkennoja suuremman kapasiteetin ja tilankäytön tehokkuuden vuoksi. Koska siinä on vähemmän kennoja, kennojen kapasiteettien sovittaminen on paljon helpompaa ja se vaatii vähemmän monimutkaista BMS:ää, mikä parantaa entisestään akun kestävyyttä ja suorituskykyä, ja ne on yleensä suunniteltu erityisesti syklisille sovelluksille.

Litiumkennojen laatu ja luokitus

Yleinen harhaluulo on, että kaikki litiumkennot ovat samanlaatuisia. Todellisuudessa litium luokitellaan kolmeen eri luokkaan: A-luokkaan, B-luokkaan ja käytettyihin, ja riippuen siitä, mikä luokka akkusi kennoissa on, määrittää sen kestävyyden ja vaikuttaa lopputuotteen lopulliseen kustannukseen.

Tuotantolinja ei pysty koskaan tuottamaan täysin yhteneväisiä ja tasalaatuisia kennoja, oli se sitten kuinka hyvä tahansa. Mikään tuotantotekniikka ei ole tee  100% yhteensopivia kennoja vaan aina tuotannossa tulee hieman heittoja. Paremmilla vähemmän, huonommilla enemmän. Tuotantolinjan päässä kennot mitataan ja luokitellaan erilaisiin A B ja C kategorioihin. Alle 10% kennoista pääsee parhaimpaan A-luokkaan ja tuotannosta suurin osa menee B ja C kategorioihin.. 

 A-luokan kennoja käytetään parhaimmissa akustoissa, joissa halutaan mahdollisimman pitkää käyttöikää ja akkujen balansointia. B luokan kennoja käytetään ratkaisuissa, joissa kennoja akustossa on vähän ja pienet erot sallitaan. C-luokan kennoja käytetään tyypillisesti yhden kennon matalan tason ratkaisuissa. Lisäksi tämän kategoriseoinnin alle tulee kierrätetyt ajoneuvoakkukennot, joissa iso ajoneuvoakusto kierrätetään erilaisiksi uudelleensovelluksiksi kulututajakäyttöön.  Tyypillisesti näitä akkuja löytyy halvimmista hikipajojen kasaamista halpis, alibaba / ebay akuista. Eri kennoista tehdyt akut pystyvät antamaan lähtötilanteessa hyvinkin saman verran kapasiteettia, mutta B  ja C kategorian akuissa niiden syklinen kesto tipahtaa nopeasti käytön edetessä. 

On erittäin tärkeää, että kun akku koostetaan, kennojen on vastattava toisiaan mahdollisimman hyvin. Tämä johtuu siitä, että heikko kenno voi saada muut ylikuormittumaan purkautuessa. Latauksessa tämä heikko kenno voi ylikuormittua, koska vahvemmat kennot tarvitsevat edelleen latauksen. Tämä lopulta aiheuttaa heikon kennon oikosulun. 

Kokonaisuudessaan akkupaketit, joissa on hyvin sovitettuja kennoja, suoriutuvat paremmin ja kestävät pidempään kuin ne, joissa on epäyhtenäisiä kennoja, ja ne yleensä määrittävät takuuaikavälin kyseiselle akulle. Parhaimmissa litiumakuissa on A-luokan litiumkennot, jotka vastaavat hyvin toisiaan ja toimivat hyvin keskenään.  Edullisemmat B-luokan litiumkennot, jotka eivät balansoidu yhtä hyvin ja käyttöikä lyhenee. Kierrätyskennoista valmistettujen akkujen virran anto saattaa olla alussa lähellä luvattua, mutta taustalla voi olla jo merkittävä määrä syklejä ja kennojen elinikä loppusuoralla. 

Akkukennojen mittaus

Normaali kuluttajalla ei ole mitään mahdollisuutta pystyä mittaamaan akkukennon tasoa, luotettavuutta ja balansointia ja sellaiseen tarvitaan ammattitason laitteet. Alla kuvaillaan niitä keinoja, millä kennojen todellinen kunto ja kyky voidaan mitata. 

Kuinka erottaa A-luokan ja B-luokan kenno - Prismaattinen kenno Paras tapa tietää, onko kenno A-luokkaa vai B-luokkaa, on tarkistaa vastaako kenno valmistajan määrittämiä teknisiä tietoja. Luotettava valmistaja voi toimittaa kennosta tietolomakkeen, jossa akun varautusmis purkautumis ja luokitusarvot löytyvät. Vertaamalla näitä tietoja testituloksiin voidaan saada selville erot A-luokan ja B-luokan kennojen välillä. Mikäli valmistaja ei pysty toimittamaan luotettavia tietoja kennosta, voi herätä kysmys mitä akuston sisään on oikeasti asennettu

Koska koko ja paino voivat hieman vaihdella eri varausasteilla, on tarpeen varmistaa toimittajalta heidän käyttämänsä testivarausaste. Mittaa sitten koko samalla varausasteella ja vertaa mitattua arvoa akun datalehdessä  annettuun arvoon.

Sisäinen resistanssi

Ensinnäkin, varmista testausympäristö toimittajalta. Tämä sisältää lämpötilan ja varausasteen. Vaihtovirtavastus mitataan yleensä taajuudella 1000 Hz. Vaihtovirtavastusmittari auttaa testauksessa. Jotkut valmistajat antavat tasavirtavastusarvon. Tällöin tarvitset  yleismittarin Vertaa todellisia testituloksia annettuihin teknisiin tietoihin.

Kapasiteetti

Kapasiteetti mitataan yleensä 25 °C lämpötilassa, lataus- ja purkausnopeudella 1C. Kirjaa todellinen mitattu kapasiteetti ja vertaa sitä annettuun arvoon. 1C purkaus tarkoittaa nimelliskapasiteetin purkamista tunnissa akusta ulos -> 100Ah akku 100 purkuvirta tunnin ajan. 

Ulkonäkö 

Ensimmäinen asia, jonka voimme tehdä, on tarkistaa kennojen ulkonäkö. Jokaiselle kennoille on annettu uniikki QR-koodi akun alkuperän todisteeksi. Tämä helpottaa myös valmistajia tarjoamaan  esimerkiksi takuun ja kierrätyksen velvoittamia ehtoja. Kuten viimeisessä viestissä mainittiin, B-luokan kennot luokitellaan epäonnistuneiksi, ja niille ei yleensä tarjota takuuta. Siksi useat valmistajat poistavat tämän QR-koodin. Joten jos löydät akkukennon, jonka QR-koodi on peitetty, se on todennäköisesti B-luokan akkukenno. Kuitenkin kaikki B-luokan kennet peitetään uudella peitelevyllä. Jos ulkopuolella ei ole selvästi näkyviä QR-koodeja, sinun on revittävä eristyslevy pois.

Kapasiteetin palautumisaste

Kapasiteetin palautumisasteen testaamiseksi suoritetaan vain 100% DOD-lataus- ja purkaussykli. Ja tarkistetaan, täyttääkö kapasiteetin palautumisaste tekniset tiedot.

Esimerkiksi 3,2 V:n 100 Ah:n akkukennolle, jos palautumisaste on 95%. Olemme testanneet kapasiteetin alussa. Se on 100 Ah. Sitten kaikkien testien jälkeen teemme 100% DOD-latauksen ja purkauksen. Sitten kapasiteetin tulisi olla yli 95 Ah. Jos näin on, akun kapasiteetin palautumisaste täyttää tietolomakkeen vaatimukset. Se on A-luokan laadukas kenno.

Itsepurkautumisnopeus Itsepurkautumisnopeus vaihtelee eri varausasteissa. Esimerkiksi jännite laskee nopeammin 100 %:n SOC-tilassa kuin 50 %:n SOC-tilassa. Joten ennen itsepurkautumisnopeuden testaamista tarkista akun tekniset tiedot testattavasta SOC-tilasta ensin.

Litiumioniakkujen valmistuksen aikana noudatetaan erittäin tiukkaa menettelyä niiden luokittelussa ja tämän vuoksi luotettavat toimittajat pystyvät toimittamaan uskottavat tiedot akkujen laadusta. 

Toivottavasti artikkelistamme oli apua akkujen valintaan