Elektriakumulaator

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

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

Akusid võib ühendada patarei järjestikku ehk jadamisi pinge tõstmiseks, paralleelselt ehk rööbiti tugevama voolu saamiseks või kombineeritult, kui on tarvis suurendada nii pinget kui voolutugevust.

Akusid iseloomustavad suurused

• energiatihedus (Wh/kg või Wh/m³)
• laadimis-tühjendustsüklite 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 ja laadimiseks kulunud laengu suhet
• isetühjenemise kiirus ‒ salvestatud laengu suuruse sõltuvus ajast

Akude liigid

Elektrokeemilise talitluse järgi eristatakse peamiselt kolme liiki akumulaatoreid: pliiakud ehk happeakud, leelisakud ja liitiumioonakud. Viimasel ajal töötatakse välja järjest uute elektroodimaterjalidega liitiumakusid, sealhulgas eriti 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 aku plusselektrood on nikliühendeist ja miinuselektrood kaadmiumist, elektrolüüdiks kaaliumhüdroksiidi lahus. 1903. aastal Thomas Alva Edison asendas kaadmiumist elektroodi rauaga ja patenteeris raudnikkelaku (FeNi). Raudnikkelakud 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 ettevõttes Sony 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, vältides 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 suur puhtus ja hoolikalt kontrollitud töörežiimid.

Elektroenergeetikas kasutatavad akud

Naatrium-väävelakud (NaS)

NaS-akud moodustuvad silindrilistest elektrokeemilistest elementidest, mille negatiivne elektrood on veeldatud naatriumist ja positiivne elektrood veeldatud väävlist. Tühjenemisel liiguvad naatriumi ioonid positiivsesse elektroodi läbi elektrolüüdi, milleks on tahke B-alumiiniumoksiid. Seal toimub reageerimine väävliga, mille tulemusena moodustub polüväävelnaatrium. Laadimisel on protsess vastupidine ja positiivsel elektroodil moodustub naatriumi ioonide kiht.

Elektrolüüdi juhitavuse ning väävli ja naatriumi vedela oleku tagab isoleerkest, mille temperatuur peab olema üle 270 °C. Tüüpiliselt tagatakse akus temperatuuri vahemik 320–340 °C ja laadimis-tühjenemisttükli kasutegur on 86–89%. NaS-akud on kasutusel elektrivõrgus energia kvaliteedi tagamisel ja koormuste reguleerimisel, sest NaS-akud on võimelised arendama impulssvõimsust ka pikaajalisel tühjaks laadimisel.

Vanaadium-redoksakud (VR)

VR-akude süsteemi kuuluvad akuelemendid, elektrolüüdi mahutussüsteemid, juhtimis- ja muunduriseadised. VR-akudes toimub energia salvestamine kahe eri tüüpi vanaadiumdioodi omavahelise reageerimise tõttu väävelhappe elektrolüüdis. Akuelementide arv näitab akuseadme võimsust ja elektrolüüdi mahuti suurus energiamahutavust. Aku tühjenemisel voolavad elektrolüüdid akuelementidesse, kus nad vahetavad läbi membraani vesinikioone. Protsessi käigus toimub iseeraldumine, mille tulemusena vanaadiumi ioonide olek muutub ning seejuures vabaneb energia elektrivooluna. Aku laadimisel on protsess vastupidine.

VR-akude kasutegur on kuni 85% ja elektrolüütide vahekord jääb pärast iga tsüklit samaks, sest laadimise ja tühjenemise käigus toimub sama keemiline protsess. Elektrolüüdi eluiga on piiramatu ja seda on võimalik korduskasutada, seega ettenähtud töötsüklite täis saamisel vahetatakse välja ainult akuelementide osa. Töötsüklite arv ulatub 10 000 laadimis-tühjendustsüklini, mis teeb umbes 7–15 aastat. VR-akusid tohib täiesti tühjaks laadida, ilma et nende jõudlus väheneks.

VR-akud on kasutusel peamiselt katkematute toiteallikatena, näiteks koormustippude silumiseks elektrivõrkudes ja taastuvenergia integreerimiseks. Neile leidub ka muid energiasalvestuse rakendusi, sest akude võimsus ja energiamahutavus pole omavahel sõltuvuses. Samas leidub igas kasutusvaldkonnas VR-akudele alternatiive, mis on võrreldes VR-akudega palju paremad. Seetõttu kasutatakse VR-akusid tavaliselt olukorras, kus mitmekülgne kasutamine on äärmiselt tähtis ja eelkõige taastuvenergia integreerimiseks.

Polüsulfiid-bromiidakud (PSB)

PCB aku tööpõhimõte

Polüsulfiid-bromiidakude tööpõhimõte ja ehitus sarnaneb VR-akude omaga. Elektrolüüdi moodustab positiivsel poolel naatriumbromiid ja negatiivsel poolel naatriumpolüsulfiid. Aku tühjenemisel voolavad elektrolüüdid akuelementi, kus toimub reaktsioon membraanil. Sarnaselt VR-akudega toimub protsessi käigus iseeraldumine.

Nende akude töötemperatuur on vahemikus 20–40 °C ja kasutegur 75%. Nagu VR-akudel on ka PSB-akude laadimise ja tühjenemise keemiline protsess täpselt sama. Eluiga on umbes 2000 tsüklit, mis sõltub suuresti kasutustingimustest. Neid kasutatakse mitmesugustes energiasalvestuse rakendustes, sh koormustippude lõikamisel ja taastuvenergia integreerimisel. PSB-akudel on kiire reageerimisaeg ja nimivõimsus saavutatakse täislaetud akudel 20 ms jooksul, mis võimaldab neid kasutada sageduse või pinge reguleerimisel.

Tsink-bromiidakud (ZnBr)

Struktuuri poolest sarnanevad ZnBr-akud eelmistega, kuid nende tööpõhimõte on teine. Laadimisel voolavad mõlemad elektrolüüdid akuelementidesse, mida eraldab mikropooridega membraan. Elektroodidel on selles elektrokeemilises protsessis oluline tähtsus, sest nad osalevad selles protsessis. Laadimisel galvaniseerub tsink anoodilt elektroodile ja bromiid eraldub katoodil. Elektrolüüti lisatakse lisaaineid, et hoida ära bromiidi reageerimist, mistõttu väheneb elemendi isetühjenemine ja suureneb süsteemi turvalisus. Aku tühjenemisel toimub protsess vastupidi.

ZnBr-akude töötemperatuur on vahemikus 20–50 °C. Kuna elektrolüüti protsessi käigus ei kulu, siis saab seda korduskasutada. Akuelementide membraan vananeb, mis piirab aku eluea umbes 2000 laadimis-tühjenemistsüklile. ZnBr-akut tohib täiesti tühjaks laadida, seda tüüpi akul puudub mäluefekt. Aku kasutegur on 75–80% ja võrreldes teiste läbivooluakudega kõige suurem energiatihedus. Neid kasutatakse peamiselt katkematu toiteallika rakendustes, koormuse reguleerimisel, päikeseelektrijaamades, alajaamades ning ülekande- ja jaotusvõrkudes.

Akusüsteemide võrdlusandmeid

Nimetus	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
Liitiumkoobaltaku	3,6	0,58	150‒250	250‒360	1800	üle 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
NMC-aku	3,6–3,7		150–200						1000–2000
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

• Sekundaarelement
• Keemiline vooluallikas
• Sekundaarelement

Välislingid

• Energiaallikas: akupatarei
• Millised on erinevad akutüübid?
• Akude laadimisest
• Autonoomse elektrisüsteemi akud