Elektriakumulaator

12V 7Ah aku

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

Akudesse laetakse (salvestatakse) elektrienergiat juhtides akust läbi alalisvoolu, mille suund on vastupidine tühjendusvoolu omale. Laadimise protsessi käigus muundub akusid läbiv alalisvool keemiliseks energiaks salvestudes aku plaatidele.

Elektriakumulaatorit iseloomustavad :

• energiatihedus (Ws/kg või $Ws/m^3$)
• laadimistsükklite arv
• mahutavus (A*s, kasutatakse ka mA*s)
• elektromotoorjõud (V) - pinge aku klemmidel kui nendes ei kulge voolu
• lühisvool (A) - maksimaalne vool, mis kulgeb aku väljundklemmide vahel, kui ühe elemendi + ning - klemm omavahel elektriliselt ühendada. Lühisvoolu piirab aku sisetakistus.
• sisetakistus (Ω)
• maksimaalne laadimisvool (A)
• maksimaalne tühjendusvool (A)
• koormusjoon - graafik, mis näitab võimsuse sõltuvust tühjendusvoolust. Selle abil saab hinnata, kui suur tohib olla tühjendusvool, et saavutada maksimaalne võimsus (voolu kasvuga langeb pinge ning nende korrutis ehk võimsus muutub pidevalt - mingis kohas on punkt, kus pinge on langenud täpselt nii madalale ja vool tõusnud nii kõrgele, et võimsus saab olla maksimaalne).
• temperatuuri taluvus
• mahutavuse sõltuvus temperatuurist
• mahutavuse sõltuvus tühjendusvoolust
• vastupinge taluvus (V) - akupakis teistest väiksema mahutavusega element saab mõnikord vastupinget (Seda laetakse vale polaarsusega) ning see võib elementi rikkuda. Ka alalisvoolumootor genereerib akule vastupinget oma töö ajal, aga see ei tohiks reeglina rikkeid põhjustada.
• laadimise kasutegur (%) - näitab akusse laetud laengu ning laadimiseks kulunud laengu suhet
• salvestatud laengu sõltuvus ajast ehk isetühjenemise kiirus
• lühisvoolu talumise aeg (s)
• lisaks veel eelnevatest kombineeritud parameetrid

Eristatakse kolme liiki akumulaatoreid: pliiakud ehk happeakud, leelisakud ja liitiumioonakud.

Autoaku

Happeakud

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

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

Leelisaku leiutas 1901. aastal rootsi insener Ernst Waldemar Jungner. Aku anum valistatakse terasplekist ja elektrolüüdina kasutatakse kaalium või naatriumhüdroksiidi vesilahust. Anoodi plaadi materjaliks kasutatakse nikkelhüdrooksiidi (NiOOH) ja katoodi plaadil kaadmiumi (Cd). Tänapäeval tuntakse neid nikkel-kaadmium (NiCd) akude nime all. 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 Euroopa liidus on peatatud (2008.a.) seoses kaadmiumi keskkonnaohtlike omaduste tõttu - raskmetall. Selliseid akusid võib veel kohata akutööriistades ja mudelautodes.

Nende akude asemel on kasutusel nikkel metallhüdriidakud (NiMH), kus elektroodidena kasutatakse juba tuntud nikkelhüdroksiidi (+) ja niklit (–). Selliseid akusid iseloomustab kordades kõrgem erimahtuvus ja väiksem sisetakistus.

Näiteks AA-tüüpi akudes on:
Fe-Ni süsteemi mahtuvus ~ 400mAh;
Ni-Cd süsteemi mahtuvus ~ 800mAh;
Ni-MH süsteemi mahtuvus ~ 2700mAh.

Leelisaku keskmine pinge on 1,25 volti uuematel (NiMH) akudel kuni 1,4 volti ja kasutegur kuni 67%.

Leelisakud said laiema kasutuse alles 20. sajandi keskel materjalide maksumuse tõttu. Nikkelkaadmiumaku (NiCad) omandas kasutamisküpsuse alles 1948. aastal. Keemia arenedes töö jätkus ja praegu leidub palju erinevate elektrokeemiliste süsteemidega vooluallikaid. Hõbetsinkaku (AgZn) leiutati 1941.aastal, hõbekaadmium (AgCd) 1957. aastal.

Pliiakudega võrreldes on leelisakud mõõtmetelt väiksemad, kohati vastupidavamad. Teatud leelisakusid (AgZn) saab kasutada palju külmemas kliimas kui pliiakusid ning säilitada kauem, ilma et nende omadused halveneksid. Leelisakude miinuseks on tunduvalt kõrgem hind, üksikelemendi madalam pinge ning keskkonnaohtlikus.

Tänapäeval otsitakse ka NiMH akudele võimalikku asendajat nikli kõrge hinna ja keskkonnakahju tõttu. Mobiiltelefonides näiteks on NiMH akud asendatud enamasti Li-ioon akudega. Siiski leiavad leelisakud olulise koha mitmetes kasutusvaldkondades, näiteks elektritööriistad, mänguasjad, teatud fotoaparaadid ja isegi hübriid-veoajamiga sõiduautod (Toyota Hybrid mudelid ja Honda Insight, Civic Hybrid).

Geeliakud

Omaette gruppi moodustavad geeliakud, milles vedelat elektrolüüti (happe, leelis) asendab geelitaoline aine. Neis akudes veekadu peaaegu ei ole. See vähendab käituskulusid ja suurendab ohutust. Sellised akud on pikaealised ning nende temparatuuritaluvus on teiste omast suurem. Kõrge hinna tõttu kasutatakse neid käivitusakudena veel vähe.

Li-ion aku

Li-ioon akud

akulaadja

Liitiumakud leiutati Bell Labsis, kus avastati, et grafiitne süsinik omab pöörduvat liitiumi mahtuvust, samal aastal sai idee ka patendi vääriliseks (USA patent US4304825) aastast 1981. Järgnevad fundamentaaluuringud teadlaste grupi poolt eesotsas John Goodenough (tol ajal Oxfordi Ülikoolis, nüüd Texase Ülikoolis Austinis) päädisid esimese töötava liitiumioonaku tootmisega Sony poolt aastal 1991. Li-ioon akud erinevad eelmistest akutüüpidest seetõttu, et nendes kasutatav elektrolüüt koosneb veevabast orgaanilisest lahustist (solvent) ja lahustunud liitiumi soolast. Seetõttu on selline süsteem suletud hermeetiliselt, et vältida õhuniiskuse ja hapniku juurdepääsu.

Veevaba elektrolüüdi kasutamine lubab üksikelemendi tööpinge tõsta üle 4,0 V. Elektroodi materjalidena kasutatakse negatiivsel poolel grafiitset süsinikku (C) ja positiivsel poolel mõnda sobivat metallide oksiidi näiteks LiMn2O4, LiCoO4, jt. Liitiumaku laadimisel toimub metalloksiidelektroodil (+) liitiumi lahustumine, ehk ioniseerumine Li+ iooniks ja grafiitelektroodil (–) liitiumi ioonide uuesti neutraliseerumine vabaks liitiumiks. Aku tühjenemisel leiab aset pöördprotsess. Nende protsesside pöörduvaks toimumiseks (aku laitmatuks töötamiseks) on oluline komponentmaterjalide kõrge puhtus ja hoolikalt kontrollitud töörežiimid. Mõlemate faktorite koosmõju on olnud pikemat aega üheks liitium-ioonakude kasutust pidurdavaks teguriks.

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.

Vaata ka

• Aku
• Akupatarei