litium-ioni tai Li-Ion-akut ovat eräänlainen ladattava akku, jota käytetään monissa sovelluksissa, mutta yleisimmin elektroniikkateollisuudessa. Li-Ion-akut tarjoavat kannettavaa sähköä, joka antaa virtaa elektronisille vempaimille, kuten matkapuhelimille, kannettaville tietokoneille ja tableteille. Li-Ion-akkuja käytetään myös energiantoimitukseen lääketieteellisiin laitteisiin, sähköautoihin ja sähkötyökaluihin.

Litium on tärkein Li-Ion-akkupakkausten lähde, koska se on vakaampi ja turvallisempi energian lataamisessa ja purkamisessa verrattuna muihin mineraaleihin.

elektroniikkateollisuuden ohella litium on katkomineraali muun muassa kaivostoiminnassa, teollisuudessa ja energian varastoinnissa. Litiumioniakkujen merkitystä ei voida liioitella sen monien teollisuuskäyttötapojen vuoksi: se on täysin mahdollista, yksi nykymaailman keskeisimmistä kehityskuluista, jota ilman 2000-luku ei olisi ollut mahdollinen.

Litiumioni: Lyhyt historia

litiumioniakku sai alkunsa 1970-luvulta, jolloin brittiläinen kemisti M. Stanley Whittingham ehdotti litiumkennoja käyttävän energian varastointilaitteen luomista. Ensimmäiset litiumakut käyttivät litium-ja titaani (IV) sulfidimetalleja, jotka toimivat, mutta olivat epäkäytännöllisiä titaani(IV) suflidin kalliiden tuotantokustannusten vuoksi (titaanisulfidimetallit maksoivat noin 1000 dollaria 70-luvulla), puhumattakaan sen myrkyllisistä sivutuotteista, kun ne altistuvat rikkivetyyhdisteille.

lähes koko 70-ja 80-luvun ajan useat tiedemiehet ja insinöörit kehittivät ja viimeistelivät litiumparistoa. Vuonna 1979 tutkijat John Goodenough, Ned A. Godshall et.al., ja Koichi Mizushima loi ja täydellisti erillisissä yrityksissä Litiumkobolttidioksidin eli LiCoO2: n. Tämä akku raivasi tietä uusille ladattaville akuille, joista tuli perusta litiumioniakkujen kehittämiselle vuonna 1985, kun Akira Yoshino kokosi prototyyppipariston, joka käytti akun elektrodeina sekä litiumioneja että litiumkobolttidioksidia.

vuoteen 1991 mennessä japanilaiset yritykset Asahi Kasei ja Sony alkoivat valmistaa litiumioniakkuja massatuotantoon ja soveltaa niitä moniin elektroniikkatuotteisiinsa. Vuonna 2019 tutkijat Stanley Whittingham, Akira Yoshino ja John Goodenough saivat Nobelin kemianpalkinnon erityisesti työstään Li-ioniakkujen kehittämisessä.

Li-Ioniakkukoostumus

Li-ioniakkuja on erityyppisiä, mutta ne koostuvat yleensä seuraavista komponenteista:

• katodi tai positiivinen elektrodi: litiumionien lähde, joka määrittää akkujen kapasiteetin ja jännitteen
• anodi tai negatiivinen elektrodi: osa, joka varastoi ja vapauttaa ioneja ulkoisen yksikön kautta
• elektrolyytti: väliaine, joka kuljettaa ioneja katodin ja anodin välillä
• erotin: Sulku, joka estää katodia ja anodia joutumasta kosketuksiin keskenään

näiden pääkomponenttien on oltava Li-Ioniakussa toimiakseen kunnolla.

Kannettavat Virtapakkaukset

kuten edellä mainittiin, Ladattavat li-ion-akut tuottavat kannettavaa sähköä, joka antaa virtaa elektroniikkalaitteille. Li-ion-akut ovat kevyitä ja niistä voidaan tehdä pienempiä kuin muista akkutyypeistä, mikä tekee niistä käteviä kuljettaa mukana.

keskeytymätön virransyöttö (UPS)

Li-Ioni-akut tarjoavat varavoimaa varavirran katoamisen tai vaihtelun varalta. Toimistolaitteiden, kuten tietokoneiden, sekä IT-palvelimien, on pidettävä käynnissä sähkökatkoksen sattuessa tietojen häviämisen estämiseksi. Varavirtaa tarvitaan myös lääketieteellisessä tai terveydenhoitoalalla, jotta varmistetaan jatkuva virransyöttö elämää säästäviin lääkinnällisiin laitteisiin.

sähköautot

autoteollisuus vaatii li-ion-akkupaketteja, jotka tarjoavat voimanlähteen sähkö -, hybridi-tai plug-in-hybridisähköautoille. Koska li-ion-akku voi varastoida suuria määriä energiaa ja se voidaan ladata monta kertaa, se tarjoaa paremman latauskapasiteetin ja pidemmän käyttöiän.

Meriajoneuvot

Li-ioniakut nousevat edelleen esiin vaihtoehtona bensiini-ja lyijyakkuille työ-tai hinausveneissä ja vapaa-ajan veneissä, kuten pikaveneissä ja jahdeissa. Li-ion-akut tarjoavat hiljaisen ja tehokkaan virtalähteen, ja niitä voidaan käyttää myös tuottamaan sähköä veneen tai jahdin sisällä oleviin laitteisiin sen ollessa telakalla.

Personal Mobility

litiumioniakkuja käytetään pyörätuoleissa, pyörissä, skoottereissa ja muissa liikuntarajoitteisten henkilöiden liikkumisen apuvälineissä. Toisin kuin kadmium-ja lyijyakut, litiumioniakut eivät sisällä kemikaaleja, jotka voisivat aiheuttaa lisää haittaa ihmisen terveydelle.

aurinkoenergian varastointi

Li-ion-akkuja käytetään myös aurinkoenergian varastoimiseen aurinkopaneeleihin, koska ne voidaan ladata nopeasti. Ne ovat kevyempiä, kompaktimpia ja niihin mahtuu enemmän energiaa kuin lyijyhappoakkuihin.

edellä mainitut sovellukset ovat vain muutamia litiumioniakkujen monista käyttötavoista. Koska litiumioniakut ovat kompakteja, kannettavia ja varustettu pikalatauksella ja suurella tallennuskapasiteetilla, litiumioniakkujen kysyntä pysyy tai saattaa jopa kasvaa tulevaisuudessa.

Li-ioniakun turvallisuus – ja ympäristöhaitat

huolimatta laajasta käytöstään ja energiatehokkaasta varastoinnistaan Li-Ion-akku ei ole täydellinen; se voi olla turvallisuusriski, jos se on valmistettu, käytetty ja varastoitu väärin. Koska akku sisältää helposti syttyviä elektrolyyttejä, Li-Ion-akuilla on taipumus paineistua räjähdyspisteeseen, jos ne kestävät rakenteellisia vaurioita. Liian nopeasti ladattuna Li-Ion-akut voivat myös aiheuttaa oikosulun ja aiheuttaa räjähdyksen.

tämän vuoksi ja koska sitä käytetään laajalti useimmissa kaupallisissa tuotteissa, Li-Ion-akkujen turvallisuusnormit ja turvallisuustestaus ovat paljon tiukemmat kuin muiden akkutyyppien. Li-Ion-akuissa olevat syttyvät elektrolyytit tarkoittavat, että vääränlainen tuotanto voi johtaa usein tuhoisiin tuloksiin.

Li-ioniakut ovat myös alttiita vaurioille, kun niitä ladataan yli niiden jänniterajojen. Normaalisti Li-Ion-akun jännitealue on 2,5-3,65 volttia (tai jopa 4,35 V kennon koostumuksesta riippuen). Tämän jännitteen ylittäminen virheellisen latauksen vuoksi voi johtaa akun kennojen ennenaikaiseen vanhenemiseen, mikä parhaimmillaan tarkoittaa sitä, että akku varastoi energiaa vähemmän tehokkaasti tai pahimmillaan aiheuttaa kennojen reaktiivisten komponenttien räjähtämisen.

liian pitkään säilytettynä Li-Ion-akut voivat myös hajota ennenaikaisesti, jolloin ne eivät lopulta pääse normaaliin jännitealueeseensa, kun niitä käytetään. Tämä aiheuttaa riskin, koska sillä on mahdollisuus olla ylihinnoiteltu huolimatta siitä, että käyttäjä noudattaa paketin latausohjeita.

vaikka Li-Ion-akuissa käytetään ”vähemmän myrkyllisiä” metalleja, kuten rautaa, nikkeliä, kuparia ja kobolttia (ja ne luokitellaan sellaisiksi), niiden valmistus ja hävittämistapa voivat silti aiheuttaa merkittävän vaaran ympäristölle.

vaikka Li-Ion-akkujen metalliset komponentit ovat kierrätyskelpoisia ja jopa turvallisia sekä poltettavaksi että kaatopaikalle, niiden uudelleenkäyttö ja toisintaminen muissa tuotteissa on pitkä ja kallis prosessi, joka puolestaan johtaa siihen, että valmistajat luopuvat kierrätyksestä ja louhivat uusia komponentteja.

ennen kuin Li-ioniakkujen tuotannossa tehdään uraauurtavia parannuksia, ne ovat aina uhka ympäristölle: yhden kilon Li-Ionin tuottamiseen tarvitaan 67 megajoulea energiaa.

Li-Ion-akun tulevaisuus

vaikka Li-Ion-akku on nyt yli 50 vuotta vanha, se paranee jatkuvasti: tutkijat koettelevat jatkuvasti nykyisen Li-Ion-teknologian rajoja kokeilemalla uusia tapoja yhdistää elektrolyyttejä, anodeja ja katodeja luodakseen akun, joka on energiatehokkaampi, kustannustehokkaampi ja paljon turvallisempi kuin nykymuotonsa.

suhteellisen halvempien (mutta turvallisempien) materiaalien, kuten Piin ja vanadiinin oksidien, käyttämisestä nanorakenteiden luomiseen kennoihin pinta-alan lisäämiseksi tutkijat pohtivat uusia tapoja parantaa nykyisiä Li-ioniakkujen energiakapasiteettia ja turvallisuustoimenpiteitä.