akku

Apua paukkupakkasiin – litiumakku, joka toimii -70 celsiusasteessa

To, 03/01/2018 - 13:14 By Markus Hotakainen

Viime aikoina Siperiasta henkinyt arktinen ilmamassa on hyydyttänyt yhden jos toisenkin kännykän. Nyt Kiinassa on kehitetty litiumakku, joka antaa virtaa vaikka Oimjakonissa.

Akku- ja paristotekniikka on kehittynyt huimasti, mutta silti sähkövirran varastointi alkaa olla ongelmallista, jos lämpötila laskee reilusti pakkasen puolelle.

Perinteiset litiumioniakut hyytyvät siihen tahtiin, että -40 asteen lämpötilassa niiden kapasiteetti on pudonnut 12 prosenttiin huoneenlämmön arvoista. Ongelma on elektrolyytin eli ioneja kuljettavan aineen ja elektrodien rajapinnassa tapahtuvien reaktioiden hidastuminen lämpötilan laskiessa.

Yong-yao Xian johdolla on Shanghain yliopistossa kehitetty uudenlainen etyyliasetaattipohjainen elektrolyytti, jonka jäätymispiste on alhainen ja siten sen sähkönjohtavuus säilyy hyvänä kylmissäkin oloissa.

Elektrodien materiaaleina puolestaan käytettiin kahta orgaanista yhdistettä, polytrifenylamiinia (PTPAn) ja polyimidiä (PNTCDA), joka on 1,4,5,8-naftaleenitetrakarboksyylidianhydridin johdannainen.

Aiemmista materiaaleista poiketen niiden toiminta ei perustu interkalaatioon, jossa ionit kytkeytyvät elektrodien molekyylirakenteeseen – mikä hidastuu lämpötilan laskiessa. Siten alhainen lämpötila ei syö akun tehoa.

Orgaanisten aineiden käyttö akuissa ja paristoissa tekee niistä myös potentaalisesti edullisempia, sillä Xian arvion mukaan niiden hinta on noin kolmannes perinteisissä litiumioniakuissa käytetyistä siirtymäalkuaineista.

Laboratoriossa kehitetty uudenlainen akku ei vielä ole valmis kaupallisiin sovelluksiin. Sen energiatiheys on toistaiseksi melko huono, joten akut ovat tehoonsa nähden raskaita. Tutkijoiden mukaan tekniikka vaikuttaa kuitenkin lupaavalta.

Tutkimus on julkaistu Joule-tiedelehdessä.

Kuva: Yong-yao Xia et al.

Kemiallinen joulukalenteri 11/24: Litium saa joulun tähdet välkkymään

Su, 12/11/2016 - 06:37 By Jarmo Korteniemi
Kuvituskuva

Päivän kuva

Joulun lahjoihin kuuluu monia hilavitkuttimia ja hyötylaitteita, jotka toimivat paristoilla tai akuilla. Kenties yleisin nyt käytössä oleva uudelleenladattava akkutyyppi on ns. litiumioniakku – tai litiumpolymeeriakku – ja olennaista siinä on litium.

Mutta mitä se oikeastaan on?

Litium on kevein alkuaine heti vedyn ja heliumin jälkeen eli normaalioloissa ylivoimaisesti kevyin kiinteä aine. Litium on metalli, joka kelluu vedessäkin – sen tiheys kun on vain puolet veden tiheydestä (535 kg/m3).

Kelluminen tosin ei kestä kauaa, sillä puhdas litium on herkästi reagoiva alkalimetalli. Veteen tai jopa vain kosteaan ilmaan joutuessaan se muodostaa nopeasti litiumhydroksidia ja helposti leimahtavaa vetykaasua. Puhdas litiumpinta hapettuu mustaksi kuivassakin ilmassa.




Juttu jatkuu mainoksen jälkeen


Litiumia käytetään juuri reaktiivisuutensa vuoksi hyvin moniin tarkoituksiin. Se on tärkeässä osassa erittäin keveissä käyttömetalleissa, ilotulitteissa, ilmansuodattimissa, optiikassa ja tietoliikennetekniikassa. Se toimii katalyyttinä kemiallisissa reaktioissa, rakettipolttoaineena ja oivasti mielialalääkkeenäkin. Ja tietysti tehokkaissa akuissa ynnä monessa muussa.

Litiumia ei esiinny vapaana luonnossa. Sitä löytyy hyvin yleisesti monista yhdisteistä ympäri maailman, mutta pitoisuudet ovat aina varsin pieniä.

Litiumioniakussa (mikä ei ole sama asia kuin kertakäyttöinen litiumparisto!) akun toiminta perustuu siihen, että akun positiivinen elektrodi (katodi) on valmistettu litiumoksidista ja negatiivinen (anodi) grafiitista tai muusta hiilipohjaisesta aineesta. Kun akku latautuu, litiumionit kulkevat anodista katodiin, ja varauksen purkautuessa liikenne on toiseen suuntaan.

Ioniliikenne tapahtuu akun sisällä elektrolyyttiaineessa. Yleisesti elektrolyyttinä käytetty aine on dimetyylikarbonaatti, joka on hyvin ionirikasta ja sopii tehtävään erinomaisesti, paitsi että sillä on yksi ikävä ominaisuus: se on hyvin paloherkkää jopa huoneenlämmössä.

Litiumin sähkökemiallinen jännite on suuri ja siksi sen energiatiheys on suuri, mutta myös se on kemiallisesti erittäin reaktiivinen. Yhdessä paloherkän elektrolyytin kanssa se on tehokas, mutta ei kovin mielekäs kumppani. Hyvien ominaisuuksien vuoksi niiden kanssa on pitänyt vain osata tulla toimeen.

Pienissä akuissa käytetään pieniä määriä ja lataukset ovat hyvin pieniä, joten paloherkkyys ei ole ongelma. Sen sijaan suurempia varausmääriä ja tehoja käytettäessä, siis esimerkiksi autoissa ja lentokoneissa, paloherkkyys on otettava huomioon. Olennaisinta on valvoa koko ajan akun latausta ja toimintaa, ja katkaista lataus, jos lämpötila alkaa nousta.

Paloherkkyyden vuoksi litiumille etsitään kovaa vauhtia korvaajia, ja niitä onkin löytynyt. Valitettavasti vain ne ovat joko huonompia tai paljon kalliimpia, joten litium on ja pysyy vielä pitkään akkujen suosikkiaineena.

Salar de Uyuni Boliviassa

Leijonanosa teollisesti käytetystä litiumista tuotetaan Chilessä, Australiassa, Argentiinassa ja Kiinassa sekä Boliviassa, mistä on yllä oleva kuva. Yleisin paikka litiumin keräämiseen on suolajärvi, missä sitä runsaasti sisältävää savea on suolan alla.

Myös Suomessa on mahdollisuuksia tällä alalla, sillä Pohjanmaalle on suunnitteilla Euroopan suurimmaksi tituleerattu litiumkaivos. Suomessa litium on sitoutunut malmiin, eikä sen eristäminen siitä käy niin helposti ja edullisesti kuin aavikoilta.

Litiumakku kuiskii myös menneistä, itse asiassa hyvin kaukaisista tapahtumista.

Tähtitieteilijä Carl Sagan kertoi aikanaan oivasti kuinka olemme kaikki peräisin ammoin kuolleista tähdistä. Mutta kaikki litium ei ole. Se on vanhempaa perua – suoraa seurausta alkuräjähdyksestä. Litium oli raskainta ainetta mitä siinä rytäkässä ehti syntyä, vedyn ja heliumin lisäksi. Litiumin osuus oli noin 10−10.

Toki litiumia syntyy nykytähtien fuusiossakin, mutta se kulutetaan lähes saman tien muiden aineiden rakentamiseen.

70% nopeammin latautuva akku

Pe, 10/17/2014 - 11:27 By Toimitus

Nanyangin teknillisen yliopiston (NTU) tutkijat Singaporessa ovat kehittäneet uudenlaisen litiumioniakun, joka voidaan ladata 70% lataukseen vain kahdessa minuutissa. Tämä jo sinällään on huima edistysaskel, mutta lisäksi akulle luvataan 20 vuoden elinikää.

Suurin sähkölaitteiden ongelma tällä haavaa ovat akut, ja siksi niiden kapasiteettia ja latausaikaa pyritään parantamaan monin tavoin. Kapasiteetin olennainen lisääminen, eli akkujen energiatiheyden kasvattaminen on osoittautunut hankalaksi, mutta sen sijaan nopeampi lataaminen näyttää siis olevan mahdollista jo nykyisin.

Erityisen merkittävää nopeasti latautuvat akut ovat sähköautoille, sillä aiemmin noin neljä tuntia kestävä lataus voitaisiin hoitaa nyt noin 15 minuutissa - siis kahvitauon aikana. Pitkiä ajomatkoja tehtäessä tämä olisi erittäin hyvä asia.

Nykyiset sähköautojen akut pitää myös uusia noin 500 lataussyklin päästä, koska silloin niiden teho on pudonnut liikaa. Singaporelaistutkijoiden akkutekniikalla lataussyklejä saadaan jopa 10 000, eli akuilla noin 20 kertaa pitempi elinikä.

Akut ovat perinteisiä litiumioniakkuja, joita on ollut markkinoilla jo vuodesta 1991 alkaen. Nyt kuitenkin niiden anodeissa (negatiivisissa navoissa) käytetään perinteisen grafiitin sijaan geelimäistä titaanidioksidia.

Juju on kuitenkin siinä, että kun normaalisti titaanidioksidi on pienenpieninä palluroina, NTU:n tutkijat onnistuivat tekemään palluroista nanoputkia, jotka ovat tuhat kertaa ihmisen hiusta ohuempia. Näin kemialliset reaktiot nopeutuvat, kun vaikuttava pinta-ala on valtavasti suurempi, ja tämä nopeuttaa esimerkiksi akun latautumista.

Nanoputkia sisältävä titaanidioksidigeeli tekee myös tarpeettomaksi nyt litiumioniakuissa yleisesti käytettävät lisäaineet, joilla elektrodit kiinnitetään anodiin. Ne vievät paitsi tilaa, niin myös heikentävät tehoa. Kun niistä päästään eroon, saadaan samankokoiseen uuteen akkuun myös pakattua lisää tehoa.

Tutkijaryhmää johtanut professori Chen Xiaodong sanoo, että nanoputkien tekeminen on itse asiassa helppoa. ”Titaanidioksidi ja natriumhydroksidi sekoitetaan keskenään ja niitä vatkataan tietyssä lämpötilassa. Geelin ottaminen mukaan akkujen valmistamiseen on helppoa.”

Natriumhydroksidi (NaOH), eli lipeä, ja titaanioksidi (TiO) ovat edullisia ja kaikkialla saatavissa olevia aineita. Titaanioksidia käytetään esimerkiksi aurinkorasvoissa ultraviolettivalon kulkua estämään.

Vaikka nyt tiedetään, että uutta geeliä on helppo tehdä, hankkeen takana on jo kolme vuotta tutkimusta. Markkinoille tekniikka saataneen kahdessa vuodessa.

Kuvassa ylhäällä professori Chen Xiaodong ja alhaalla tutkija Tang Yuxin (oikealla) ja tohtorikoulutettava Deng Jiyang kädessään uuden akun prototyyppejä.

Lähde: http://media.ntu.edu.sg/NewsReleases/Pages/newsdetail.aspx?news=809fbb2…

Ihanaa: akku, joka ei räjähdä

Ma, 02/17/2014 - 12:05 By Jari Mäkinen
Litiumpolymeeriakku

Niitä on nykyisin joka puolella, isompia ja pienempiä: litiumpolymeeriakkuja.

Kun känny räjähtää, Tesla-sähköauto syttyi tuleen tai Boeingin uudet Dreamlinerit pysyivät maassa kuukausikaupalla, oli syypää akkutekniikka. Tarkemmin sanottuma akku, joka ylikuumeni ja leimahti liekkeihin. Litiumiin perustuvalla akkutekniikalla on ikävä taipumus syttyä tuleen, jos lataamisessa menee jokin vikaan. Siksi litiumioniakut tarvitsevat lähes elektroniikkaa, joka valvoo jatkuvasti akuston kennojen jännitettä ja lämpötilaa sekä tasaa kennojen varausta. 

Nyt Pohjois-Carolinan yliopiston Chapel Hillin kampuksen tutkijan Joseph DeSimonen vetämä tutkimusryhmä on keksinyt uudenlaisen polymeerin, mikä kesyttää akkupalot. Ainakin toivottavasti. Keksintö on periaatteessa yksinkertainen, mutta käytännössä vaikea temppu korvata akkujen etästabiilit ja siksi paloherkät aineet rauhallisesti käyttäytyvällä polymeerillä.

Suurin osa nyt käytössä olevista litiumioniakuista on jo polymeeriakkuja. Niissä litium on polymeerissä orgaanisen liuottimen sijaan. Verrattuna aikaisempiin litiumioniakkuihin polymeeriakut ovat helposti muotoiltavissa, ne ovat lujempia ja edullisempiua valmistaa.

Kummassakin tapauksessa akun toiminta perustuu siihen, että akun positiivinen elektrodi (katodi) on valmistettu litiumoksidista ja negatiivinen (anodi) grafiitista tai muusta hiilipohjaisesta aineesta. Kun akku latautuu, litiumionit kulkevat anodista katodiin, ja varauksen purkautuessa liikenne on toiseen suuntaan. Ioniliikenne tapahtuu akun sisällä elektrolyyttiaineessa. Yleisesti elektrolyyttinä käytetty aine on dimetyylikarbonaatti, joka on hyvin ionirikasta ja sopii tehtävään erinomaisesti, paitsi että sillä on yksi ikävä ominaisuus: se on hyvin paloherkkää jopa huoneenlämmössä.

Metailleista kaikkein kevyimmällä litiumilla on suurin sähkökemiallinen jännite ja siksi sen energiatiheys on suuri, mutta myös se on kemiallisesti erittäin reaktiivinen. Litium siis reagoi voimakkaasti muiden aineiden kanssa – eli syttyy helposti tuleen. Yhdessä paloherkän elektrolyytin kanssa se on tehokas, mutta ei kovin mielekäs kumppani. Hyvien ominaisuuksien vuoksi niiden kanssa on pitänyt vain osata tulla toimeen.

Pienissä akuissa käytetään pieniä määriä ja lataukset ovat hyvin pieniä, joten paloherkkyys ei ole ongelma. Sen sijaan suurempia varausmääriä ja tehoja käytettäessä, siis esimerkiksi autoissa (kuten Tesla) ja lentokoneissa (kuten Dreamliner), paloherkkyys on otettava huomioon. Olennaisinta on valvoa koko ajan akun latausta ja toimintaa, ja katkaista lataus, jos lämpötila alkaa nousta.

Yllä olevassa kuvassa matkapuhelimen sisällä oleva, normaalisti hyvin ohut akku on paisunut virheellisen latauksen vuoksi. Se on kuuma ja voi syttyä leimahtaen tuleen milloin tahansa.

Ei tullut kotilokarkoitinta, vaan akkupolymeeri

Tutkijoiden alkuperäinen tavoite oli löytää luonnollinen materiaali, joka estäisi kotiloiden ja meressä olevien eläinten kiinnittymisen laivojen runkoihin. Niiden häätämiseen käytetään nykyisin monenlaisia varsin myrkyllisiäkin aineita.

Kun he testasivat kehittämäänsä ainetta, perfluoropolyeetteriä, joka tunnetaan tuttavallisesti myös lyhenteellä PFPE, he huomaisivat sen liukenevan helposti litiumsuolaan. Suurin osa polymeereistä ei sekoitu lainkaan suolan kanssa, mutta tämä sekoittui.

PFPE ei sinällään ole mikään uusi aine, sillä sitä on käytetty mm. osana voiteluaineita jo pitkään.

Tutkijaryhmä keksi, että polyetyleeniglygoli (PEG) ja PFPE voisivat yhdessä toimia erinomaisena elektrolyyttinä. Kun he yhdistivät sitten nämä dimetyylikarbonaatin – akkujen "alkuperäisen", paloherkän elektrolyytin – kanssa, oli tuloksena hämmästyttävä aine. Se ei ollut vain stabiili ja turvallinen, vaan myös olennaisesti tehokkaampi kuin alkuperäinen elektrolyytti. 

Sitä käyttämällä akku latautuu nopeasti ja sen energiatiheys on paljon aiempaa suurempi. "Parannus on tajuttoman suuri", toteaa DeSimone akateemisesti.

Mikäli sähköauton, kuten kuvassa olevan Nissan Leafin, akut korvattaisiin PFPE-dimetyylikarbonaattiakuilla, voisi akkupaketti olla olennaisesti pienempi. 

"Kaikkein tehokkain yhdiste olisi litium ja ilma, jonka energiatiheys olisi bensiinin luokkaa", jatkaa DeSimone: “monet ovat koittaneet tehdä sellaista, mutta litium ja happi eivät tule hyvin toimeen keskenään.”

Uudella PFPE-elektrolyytillä päästään lähelle tätä.

Markkinoille uudet akut päässevät tosin vasta parin vuoden päästä, sillä tekniikan muokkaaminen sarjatuotantoon kestää oman aikansa. Ensimmäiset sovelluskohteet ovat todennäköisimmin ilmailussa ja merikäytössä, sillä kaiken muun hyvän lisäksi uusi akkutekniikka kestää aiempia paremmin äärimmäisiä sääolosuhteita.

Juttu perustuu UNC Chapel Hillin tiedotteeseen Researchers build nonflammable lithium ion battery. Tutkimus akuista on julkaistu Proceedings of the National Academy of Sciences -lehdessä 10. helmikuuta.

Päivän kuva 20.6.2013: Superpieni 3D-printattu akku

To, 06/20/2013 - 00:40 By Toimitus

Kyllä, tämä on aivan oikea, toimiva litiumioniakku. Erikoiseksi sen tekee paitsi se, että se on valmistettu 3D-printterillä, niin myös se, että se on kooltaan hiekanjyvän luokkaa.

Harvardin yliopiston ja Illinoisin Urbana-Champaignissa olevan yliopiston yhteistutkimuksessa haluttiin löytää tekniikkaa, jolla minikokoisten akkujen tekeminen yksinkertaisesti printtaamalla olisi mahdollista. Näin akuista voitaisiin tehdä juuri halutun kokoisia ja muotoisia, sekä tarvittaessa erittäin pieniäkin.

Elektronimikroskooppikuva: Jennifer A. Lewis