Akukeskus Akude omadustest

Plii-happeakud

Suurem osa hetkel kasutatavatest akudest on plii-happeakud. Mootorite käivitamiseks kasutatakse nn. starterakusid, kus on akude konstruktsioon kujundatud nii, et on saavutatud kõrge käivitusvool madalal temperatuuril.
Need akud ei sobi eriti hästi elektritarbijate püsivaks toitmiseks, sellise kasutamise korral jääb nende tööiga lühikeseks.

Elektritarbijate käitamiseks kasutatakse kõige enam süvatsükli plii-happeakusid, geelakusid, AGM ja VRLA akusid. AGM akud kuuluvad VRLA akude hulka.

Geelakudel on elektrolüüt geeli kujul, AGM (Absorbed Glass Mat) akudes on elektrolüüt klaaskiust separaatoritesse immutatud. VRLA akud (Valve Regulated Rechargeable Batteries) on täiesti suletud konstruktsiooniga ja seal tekkivad gaasid (vesinik ja hapnik) rekombineeruvad uuesti veeks.

Geel ja AGM akuta mahutavus on üldjoones 20% väiksem, hind tublisti kõrgem, ka tööiga võrreldes happeakudega on paljudel juhtudel lühem. Need akud on eriti tundlikud valede kasutusviiside suhtes (nt. ülelaadimine).
Geel, AGM ja VRLA akud ei vaja vee lisamist, on ohutumad ja neid saab kasutada erinevates asendites (hape ei voola välja), nende isetühjenemine toimub aeglasemalt ning laadimine ja tühjenemine toimub väiksemate kadudega (vt tabel allpool). Geelakud on sobivamad süvatsükliga protsesside juures, AGM akud pigem käivitusakudena ja kohtades kus süvatsüklit vaja pole. Geel-, AGM ja VRLA akusid saab kasutada seadmete käitamiseks kohtades, kus eralduvad gaasid on väga ebasoovitavad (nt. UPS seadmed).

 

Happeakud

Geelakud

AGM akud

Laadimis/tühjendamis efektiivsus

89%

98%

99%

Isetühenemine kuus

13%

1-3%

1-3%

Maks. laadimispinge

15.3-16.0V

14.1-14.4V

14.1-14.7V

Ujuvpinge:

13.2-13.7V

13.4-13.8

13.4-13.8V


Süvatsükli plii-happeakude igapäevasel kasutamisel tuleb regulaarselt kontrollida elektrolüüdi taset ja vajadusel lisada destilleeritud vett.

Aku laetuse taset saab kõige täpsemalt kindlaks teha mõõtes elektrolüüdi erikaalu, mida teostatakse hüdromeetriga. Katkestatud vooluahela puhul on pinge akuklemmidel samuti üsna heaks indikatsiooniks. Sel juhul peaks aku olema mõned tunnid koormuseta, et akus toimuvad elektrikeemilised protsessid oleks stabiliseerunud.

Süvatsükli pliiakude isetühjenemine on 4% nädalas 25°C juures, mistõttu akusid tuleks kindlast kahe kuu tagant uuesti laadida.

Täielikult tühjenenud aku võib polaarsust vahetada ja siis pole aku töökorda saamine garanteeritud.
Kui aku klemmipinge on langenud 2,03V-ni (12V akul 12,2V), algab intensiivne sulfateerumisprotsess ja aku võib pöördumatult rikneda. Seetõttu tuleb hoolikalt jälgida aku laetuse taset ja vältida tühjenenud aku seismist pikemat aega.

Täielikult laetud aku on külmumiskindel. Tühjenenud aku elektrolüüt võib külmuda juba mõõdukate miinuskraadide juures ja rikkuda aku. Näiteks jäätub 1,10kg/l elektrolüüdiga aku juba -7°C juures.


Mäluefekti puudumise tõttu sobivad plii-happeakud väga hästi elektrimootoriga masinate, näiteks kahveltõstukite, elektriautode energiaallikaks, sest neid ei pea enne taaslaadimist täielikult tühjendama.

Et valida akudele sobiv laadija, tuleb arvesse võtta nii akude mahutavus kui ka laadimise intervall. Kui laadimine toimub suhteliselt harva, piisab laadijast laadimisvoolu tugevusega on 10-13% aku 20h tühjenemistsükli mahutavuse väärtusest (IL = 0,1...0,13 x C20).. Kui akud tuleb kindlasti laadida 8-10 tunniga, peaks vool olema 20% 20h tsükli mahutavuse väärtusest (IL = 0,2 x C20).

Näide: Aku C20 = 200 Ah, sobiv laadimisvool on 20-26A. Sõltuvalt saadaval olevate laadijate parameetritest võib kasutada natuke suurema ja natuke väiksema laadimisvooluga laadijaid.

Laadimise ajal ei tohi akude temperatuur ületada 48°C. Kui temperatuur kasvab kõrgemaks tuleb laadimine katkestada ja lasta akudel jahtuda enne laadimise jätkamist.

 

Temperatuuri mõju akude mahutavusele ja elueale

Süvatsükli pliiakude mahutavus antakse +25°C juures, sealjuures on temperatuuri mõju alljärgnev:

- iga -8.5°C vähendab mahtuvust 10%

- iga +8.5°C suurendab mahtuvust 10%

Temperatuurid üle 25°C vähendavad aku eluiga.

0°C juures on akudel 30% vähem mahutavust, seda tuleks arvestada nende seadmete töö korraldamisel, mis asuvad talvisel ajal välistemperatuuri mõju all. Pliiakudel on suur mass ja soojusmahutavus ja seetõttu säilib akude laadimisel tekkiv soojus akus küllat kaua, piisava soojusisolatsiooni korral kulub akude mahajahtumiseks mitu ööpäeva.

Happeakute ehituse iseärasuste töttu tuleb akumahutite ehitamisel tähelepanu pöörata ohutusnõuetele. Erinevalt VRLA, geel- ja AGM akudest, eraldub tavalistest happeakudest laadimisprotsessi käigus hapniku ja vesiniku segu, nn. paukgaasi, mis on vägagi plahvatusohtlik. Selle vältimiseks peab olema tagatud akude juures korralik ventilatsioon.

Perspektiivsed on liitium-ioon ja nikkel-metallhüdriidakud, mille mahutavus massiühiku kohta on oluliselt suurem, samas on ka akude maksumus salvestatava energiahulga kohta mitu korda kõrgem.

 

Leelisakud

Leelisaku leiutas 1901. aastal rootsi insener Ernst Waldemar Jungner. Aku anum valistatakse terasplekist ja elektrolüüdina kasutatakse kaaljum või naatriumhüdrooksüüdi 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 kaadiumist 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 kautuse 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.

Ka leelisakud on tundlikud liigse tühjenemise suhtes. Akusid võib tühjendada kuni 1,0 ... 0,8 voldini elemendi kohta. Täielikult tühjenenud aku võib vahetada polaarsust ja muutuda kasutuskõlbmatuks.

NiCd akudel on mäluefekt ja neid tuleks  regulaarselt täielikult tühjendada ja seejärel laadida. NiCd akude pinge hakkab langema kui aku hakkab täiellikult täis saama ja siis tuleb laadimine lõpetada. Nn. intelligentsed laadijadlõpetavad laadimise automaatselt.

NiCd akude eluiga on ligikaudu 1000 tsüklit.

Nikkel-metallhüdriidakud (NiMH) on  NiCd akudest suurema mahutavusega kuid lühema elueaga ja isetühjenevad kiiremini. NiMH akd tühjenevad esimestel päevadel kuni 5...10% päevas ja hiljem 0,5...1% päevas.Seetõttu tuleks need akud juhul, kui neid pole küll kasutatud kuid nad on pikalt seisnud, enne kasutamist laadida.

Mäluefekt on NiMH akudel võrreldes NiCd palju väiksem. Siiski on kasulik ka neid akusid aeg ajalt täielikult tühjendada ja siis laadida.

Varutoite tarbeks on loodud ka akutüübid, mis taluvad pidevat laadimispinget.

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.

 

Liitium-ioonakud

Liitium-ioonakud (Li-Ion) leiutati teadlase Bell Labs poolt, kes avastas et grafiitne süsinik omab pöörduvat liitiumi mahtuvust, samal aastal sai idee ka patendi vääriliseks (USA patent US4304825) aastast 1981. Järgnevad fundamentaal uuringud teadlaste grupi poolt eesotsas John Goodenough[1] (tol ajal Oxford University, nüüdne University of Texas, Austin), päädisid esimese töötava liitiumioon aku tootmisega Sony poolt aastal 1991.

Li-Ion akud erinevad eelmistest akutüüpidest seetõttu, et nendes kasutatav elektrolüüt koosneb veevabast orgaanilisest lahustist 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 Metalloksiid elektroodil (+) liitiumi lahustumine, ehk ioniseerumine Li+ iooniks ja grafiit - elelktroodil (-) 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 Li-ioonakude kasutust pidurdavaks teguriks.

Li-ioonaku isetühjenemine on 5% kuus. Aku eluiga sõltub temperatuurist, laetuse astmest ja ajast, st. aku kaotab oma mahtuvust ka laetuna seismisel.

Li-ioonaku eriliik on Liitium-polumeeraku (LiPo), kus elektrolüüdiks on polümeer. Nende energiamahutavus on u. 20% suurem kui Li-ioonakudel ja ligi 3 korda suurem kui NiCd ja NiMH akudel.
Pinge on 2,7(väga tühi aku) kuni 4,23V

Last Updated on Monday, 01 February 2016 10:49