Elektriakumulaator

Elektriakumulaator ehk elektriaku ehk aku on korduvalt laetav ja kasutatav keemiline vooluallikas elektrienergia salvestamiseks ja taaskasutamiseks.

Akusse salvestataks elektrienergiat, juhtides akust läbi alalisvoolu, mille suund on vastupidine tühjendusvoolu omale. Laadimise käigus muundub akut läbiv alalisvool keemiliseks energiaks, salvestudes aku plaatidele.

Akusid iseloomustavad suurused

• energiatihedus (Wh/kg või Wh/m³)
• laadimistsüklite arv
• mahutavus (Ah või mAh)
• elektromotoorjõud ehk avaahela pinge (V) ‒ pinge koormamata aku klemmide vahel
• sisetakistus (Ω)
• maksimaalne laadimisvool (A)
• maksimaalne tühjendusvool (A)
• koormusjoon ‒ graafik, mis näitab võimsuse sõltuvust tühjendusvoolust: koormusvoolu kasvuga pinge langeb
• temperatuuritaluvus, mida väljendab töötemperatuuride vahemik
• mahutavuse sõltuvus temperatuurist
• mahutavuse sõltuvus tühjendusvoolust
• vastupinge taluvus (V) ‒ akupatareis teistest väiksema mahutavusega element saab mõnikord vastupinget, mis võib elementi rikkuda
• laadimise kasutegur (%) näitab akusse laadimisel antud laengu ning laadimiseks kulunud laengu suhet
• isetühjenemise kiirus ‒ salvestatud laengu suuruse sõltuvus ajast

Eristatakse kolme liiki akumulaatoreid: pliiakud ehk happeakud, leelisakud ja liitiumioonakud. Viimasel ajal töötatakse välja järjest uute elektroodimaterjalidega liitiumakusid, näiteks liitiumtitanaataku, liitium-raudfosfaataku, liitium-õhkaku. Arendusjärgus on ka naatriumioonaku ja vanaadium-redoksaku.

Autoaku

Akulaadija

Liitiumioonaku

Happeakud

 Pikemalt artiklis Pliiaku

Happe- ehk pliiakud koosnevad klaasist või plastist anumast, milles kasutatakse elektrolüüdina väävelhappe kindlaksmääratud tihedusega vesilahust. Anumasse on paigutatud pliioksiidist valmistatud positiivne elektrood ja pliist negatiivne elektrood.

Täislaetud pliiaku pinge on 2,1 volti ja kasutegur kuni 80 %.

Pliiaku leiutas 1859. aastal füüsik Gaston Planté. Tänapäeval on pliiakud laialt kasutusel mitmes valdkonnas. Nende valik on suur ning tootmistehnoloogia hästi välja töötatud, nad on teistest akudest odavamad, ohutumad ja töökindlamad. Pliiakude miinuseks on nende suur kaal ja mõõtmed, ka on nende töökindlus madalatel temperatuuridel halb.

Leelisakud

 Pikemalt artiklis Leelisaku

Leelisaku leiutas 1901. aastal rootsi insener Ernst Waldemar Jungner. Selle plusselektrood on nikliühendeist ja miinuselektrood kaadmiumist, elektrolüüdiks kaaliumhüdroksiidi lahus. 1903. aastal Thomas Alva Edison asendas kaadmiumist elektroodi rauaga ja patenteeris raudnikkelaku (FeNi). Raudnikkel akud on laiatarbest kadunud nende madalate energeetiliste näitajate tõttu. Ka NiCd-akude turustamine on Euroopa Liidus peatatud (2008. a) kaadmiumi keskkonnaohtlike omaduste tõttu. Selliseid akusid võib veel kohata akutööriistades ja mudelautodes.

Nende akude asemel võeti kasutusele nikkel-metallhüdriidakud ehk NiMH-akud.

 Pikemalt artiklis Nikkel-metallhüdriidaku

Tänapäeval asendavad NiMH-akusid järjest enam liitiumioonakud.

Liitiumioonakud

 Pikemalt artiklis Liitiumioonaku

Liitiumakud leiutati Bell Labsis ja patenditi 1981. aastal (USA patent US4304825). Järgnevad fundamentaaluuringud teadlaste grupi poolt (tol ajal Oxfordi Ülikoolis, nüüd Texase Ülikoolis Austinis) päädisid esimese töötava liitiumioonaku tootmisega Sony poolt aastal 1991. Li-ioonakud erinevad eelmistest akutüüpidest selle poolest, et nendes kasutatav elektrolüüt koosneb veevabast orgaanilisest solvendist (lahustist) ja lahustunud liitiumisoolast. Seetõttu saab aku valmistada hermeetilisena, et vältida õhuniiskuse ja hapniku juurdepääsu.

Veevaba elektrolüüdi kasutamine lubab üksikelemendi tööpinge tõsta üle 4,0 V. Elektroodimaterjalidena kasutatakse negatiivsel poolusel grafiitset süsinikku (C) ja positiivsel poolusel mõnda sobivat metallide oksiidi näiteks LiMn₂O₄, LiCoO₄ jt. Liitiumaku laadimisel toimub metalloksiidelektroodil (+) liitiumi aatomi ioniseerumine Li⁺-iooniks ja grafiitelektroodil (–) liitiumi ioonide neutraliseerumine vabaks liitiumiks. Aku tühjendamisel leiab aset pöördprotsess. Nende protsesside pikaajaliseks toimumiseks on oluline komponentmaterjalide kõrge puhtus ja hoolikalt kontrollitud töörežiimid.

Pinge ja voolu tõstmine

Kõrgema pinge saamiseks ühendatakse akud akupatareideks. Akusid võib ühendada kas järjestikku ehk jadamisi pinge tõstmiseks, paralleelselt ehk rööbiti voolutugevuse tõstmiseks või kombineeritult, kui on tarvis tõsta nii pinget kui voolutugevust.

Akusüsteemide võrdlusandmeid

Liik	Nimi- pinge	Energiatihedus			Erivõimsus	Laadimise kasutegur	Vatt-tunni hind	Ise- tühjenemine	Laadimis- tsükleid	Kestvus
	V	MJ/kg	Wh/kg	Wh/dm2	W/kg	%	$	% kuus		aastates
Pliiaku	2,1	0,11‒0.14	30‒40	60‒75	180	70‒92%	5‒8	3‒4%	500‒800	5‒8 (autol), 20 (paikne)
Leelismangaanaku	1,5	0,31	85	250	50	‒	7,7	<0.3	100‒1000	<5
Raudnikkelaku	1,2	0,18	50		100	65%	5‒7.3	20‒40%		50+
Nikkelkaadmiumaku	1,2	0.14‒0.22	40‒60	50‒150	150	70‒90%	1,25‒2,5	20%	1500
Nikkel-metallhüdroksiidaku	1,2	0,11‒0,29	30‒80	140‒300	250‒1000	66%	2,75	30%	500‒1000
Nikkel-tsinkaku	1,7	0,22	60	170	900		2,0‒3,3		100‒500
Liitiumioonaku (liitium-koobaltaku)	3,6	0,58	150‒250	250‒360	1800	99%+	2,8‒5	5‒10%	1200‒10000	2‒6
Liitiumpolümeeraku	3,7	0,47‒0,72	130‒200	300	3000+	99,8%	2,8‒5,0	5%	500‒1000	2‒3
Liitiumtitanaataku	2,3	0,32	90		4000+	87‒95%	0,5‒1.0		9000+	20+
Liitium-raudfosfaataku	3,25	0,32‒0,4	80‒120	170	1400	93,5%	0,7‒3,0		2000+	>10
Liitium-õhkaku	2,7	7,2	2000	2000	400				~100
Liitium-sulfaataku	2,0	0,94‒1,44	350					~100
Naatrium-ioonaku	1,7			30		85%	3,3		5000+
Vanaadium-redoksaku	1,15‒1,55	0,09‒0,13	25‒35 >			80%		20%

Vaata ka

• Keemiline vooluallikas
• Sekundaarelement

Välislingid

• Väsimatud vooluallikad
• Energiaallikas: akupatarei
• Learn About Batteries