Litiumpohjaiset akut ovat olleet osa elämäämme vuosikymmeniä ja niitä tarvitaan erilaisissa elektronisissa laitteissa. Mutta miksi litiumpohjaisista akuista on tullut niin suosittuja, ja onko olemassa parempia vaihtoehtoja? Mikä voisi jonain päivänä korvata litiumpohjaiset akut kokonaan?
Mitä ovat litiumpohjaiset akut?
Litium-akut (litiumioniakut) ovat nykyään yleisin akkutyyppi. Ajatuksen litiumpohjaisista paristoista ehdotti ensimmäisen kerran vuonna 1976 brittiläinen kemisti Michael Stanley Whittingham. Litiumpohjaiset akut tulivat ensimmäisen kerran kaupallisesti saataville laajassa mittakaavassa joitakin vuosia myöhemmin, vuonna 1991, jolloin ne aloitettiin massatuotantoon.
Litiumpohjainen akku voi olla monessa muodossa, ja merkittävimmät versiot sisältävät litiumia rautafosfaatti, litiumkobolttioksidi, litiummangaanioksidi ja litiumnikkeli-mangaanikoboltti oksidi. Nämä akut sisältävät pieniä tehokennoja, joista kukin koostuu positiivisesta elektrodista (katodista), negatiivisesta elektrodista (anodista) ja elektrolyytistä.
Kennossa litiumionit liikkuvat positiivisen ja negatiivisen elektrodin välillä, jolloin elektrolyytti toimii liikevektorina. Litium-ioneilla (Li+) on positiivinen varaus ja siksi negatiivinen elektrodi vetää puoleensa. Kaksi elektrodia koostuvat myös avainkomponenteista. Tyypillisessä litiumkobolttioksidiakussa katodi on valmistettu litiumkobolttioksidista, kun taas anodi on yleensä valmistettu hiilipohjaisesta yhdisteestä, joka tunnetaan nimellä grafiitti.
Katodi luovuttaa osan positiivisista litium-ioneistaan, jotka sitten kulkevat anodille elektrolyytin läpi vapauttaen energiaa, jonka akku käyttää tehonsa tuottamiseen. Miljardit ihmiset ympäri maailmaa luottavat nyt tähän nopeaan ja yksinkertaiseen prosessiin laitteidensa polttoaineena.
Monet litiumioniakkumerkit ovat kertakäyttöisiä. Vaikka ne voivat käyttää laitetta viikkoja, kuukausia tai jopa vuosia, se on hävitettävä ja vaihdettava, kun akku on tyhjentynyt. Kuitenkin, ladattavat litiumpohjaiset akut ovat nyt erittäin suosittuja, koska ne voivat säästää käyttäjien rahaa ja tuottaa vähemmän jätettä.
Mutta miksi tarkalleen ottaen litiumpohjaiset akut ovat paras valinta? Mikä tekee niistä niin houkuttelevan vaihtoehdon valmistajille ja kuluttajille?
Miksi käytämme litiumpohjaisia akkuja?
Käytämme pääasiassa litiumpohjaisia akkuja, koska niiden käyttöikä on pitkä verrattuna muihin akkutyyppeihin. Valmistajat haluavat valmistaa ja myydä akkuja, jotka toimittavat virtaa muutaman päivän ja ovat silti kevyitä ja kompakteja. Lisäksi mukaan Puhtaan energian instituutti, Litiumioniakkujen itsepurkautuminen on erittäin alhainen, noin 1-2 % kuukaudessa, mikä tarkoittaa, että ne menettävät pienemmän prosenttiosuuden kokonaistehokapasiteetistaan joka kerta, kun niitä käytetään.
Litiumioniakut voivat tuottaa energiaa yksinkertaisella kemiallisella prosessilla, mikä tekee niistä erittäin houkuttelevan vaihtoehdon valmistajille. Tämän lisäksi litiumioniakkujen energiatiheys tekee niistä suosituimman vaihtoehdon. Tavallisen litiumioniakun kapasiteetti on 260-270 Wh/kg (wattituntia kilogrammaa kohti), kun taas lyijyakkujen kapasiteetti on vain 50-100 wh/kg (kuten Dragonfly Energy). Litiumioniakkujen energiatiheys on myös keskeinen syy, miksi ne ovat käytetään yleisesti sähköajoneuvoissa.
Näiden tekijöiden vuoksi litiumpohjaiset akut ovat suosittuja suuren yleisön keskuudessa, eivätkä ne ole kalliita ostaa. Vaikka tietyillä akkumerkeillä tai -malleilla voi olla korkeampi hinta, tavalliset litiumpohjaiset akut ovat yleensä melko edullisia ja niitä on saatavana miljoonissa myymälöissä ympäri maailmaa.
Litiumioniakut eivät kuitenkaan ole täydellisiä. Itse asiassa tähän uskomattoman suosittuun virtalähteeseen liittyy joitain räikeitä ongelmia.
Litium-pohjaisten akkujen ongelma
Yksi suurimmista litiumioniakkuihin liittyvistä ongelmista on niiden aiheuttama jätemäärä. Monet ihmiset päättävät hävittää paristot tavallisen jätteen mukana, kun niistä loppuu virta, mikä on ympäristölle haitallista.
Kun litiumioniakut hävitetään yhdessä muun yleisen, ei-kierrätettävän jätteen kanssa, ne päätyvät kaatopaikalle. Kun ne laskeutuvat tänne, niiden komponentit voivat huuhtoutua ja vahingoittaa vakavasti ympäröivää ympäristöä. Litium, nikkeli, koboltti ja mangaani voivat kaikki aiheuttaa vakavia kontaminaatioriskejä, ja niitä kaikkia esiintyy erilaisissa litiumpohjaisissa akuissa.
Tämän paristotyypin litiumin poistaminen vahingoittaa myös planeettaamme. Litiumia voidaan uuttaa suolalouhinnalla tai haihduttamalla, ja molemmilla prosesseilla on ikävä vaikutus ympäristöön. Saastuminen, lisääntynyt veden suolapitoisuus, CO2-päästöt ja biologisen monimuotoisuuden väheneminen ovat kaikki litiumin louhinnan huolestuttavia sivuvaikutuksia.
Ottaen huomioon, että litiumakkumarkkinoiden odotetaan kasvavan 14,6 prosenttia vuosina 2020–2026 (kuten raportoi Statista), on todennäköistä, että litiumin louhintaprosessi aiheuttaa jatkossakin ympäristöuhan. Tämä on myös a kasvava huoli sähköajoneuvojen tuotannossa.
Joten mitkä ovat vaihtoehdot?
4 parasta litiumpohjaista akkuvaihtoehtoa
1. Suolaisen veden akut
Suolaiset valtameret peittävät kaksi kolmasosaa planeettamme. Joten miten tätä resurssia voidaan käyttää sähköntuotantoon?
Suolavesiakut käyttävät väkevää suolaliuosta tehon tuottamiseen. Suolavesiakut sisältävät myös anodin ja katodin, ja suolaliuos toimii elektrolyyttinä (tai vektorina) positiivisille natriumioneille (Na+-ioneille). Natriumionit kulkevat katodilta anodille tuottaen energiaa.
Varsinaista merivettä ei käytetä suolavesiakuissa, mutta valtamerestä voidaan kerätä suuria määriä suolaa ja käyttää näitä akkuja varten. Suolaveden käyttö akkujen valmistukseen voisi olla ympäristölle paljon vähemmän haitallista kuin litiumin, koboltin, nikkelin ja muiden akkujen metallien uuttaminen.
2. Lasiset paristot
Lasiparistot saattavat kuulostaa hieman epätavalliselta, mutta niissä on paljon potentiaalia. Lasiparisto on suhteellisen uusi idea, jonka ensimmäisen kerran käsitteli fyysikko John Goodenough vuonna 2017. Tämä akku, joka tunnetaan nimellä "Goodenough-akku", käyttää lasia elektrolyyttinä. Vaikka akkuelektrolyytit ovat yleensä nestemäisiä, lasiakku on täysin kiinteä.
Kiinteän elektrolyytin käyttö on huomattavasti turvallisempaa kuin nestemäisten elektrolyyttien käyttö, mikä vähentää tulipalojen riskiä ja poistaa huuhtoutumisvaaran kaatopaikoilla. Lisäksi lasiakku voi kestää pidempään kuin litiumioniakut, mikä tekee niistä yleisesti ottaen kestävämmän vaihtoehdon. Natriumia käytetään myös lasiakuissa, mikä, kuten suolaisen veden akuista puhuttaessa mainittiin, on kestävämpi resurssi kuin perinteiset akkumetallit.
3. Natrium-rikkiakut
Natrium-rikkiakut (NaS) ovat eräänlainen nestetilaakku, joka käyttää sulaa anodeja ja katodeja. Tässä tapauksessa anodi ja katodi ovat nestemäisessä muodossa, jolloin edellinen on sulaa natriumia ja jälkimmäinen sulaa rikkiä. Nämä akut ovat olleet olemassa 1960-luvulta lähtien ennen litiumioniakun keksimistä. Mutta mitä potentiaalia NaS-akulla on maailmassamme?
Natrium-rikkiakkujen suuri etu on niiden suurempi energiatiheys kuin litiumioniakuissa. Itse asiassa, Sydneyn yliopiston tutkijat loi vuonna 2022 natrium-rikkiakun, jonka energiakapasiteetti on nelinkertainen litiumioniakkuihin verrattuna. Lisäksi natrium-rikkiakut ovat vähemmän myrkyllisiä kuin litiumioniakut, mikä on hyvä uutinen ympäristölle.
4. Hamppuparistot
Ei uskoisi, että hamppu voi korvata litiumioniakkuja, mutta tämä kasvi on jälleen kerran osoittanut monipuolisuutensa. Näissä akuissa on kuitenkin varoitus: ne käyttävät edelleen raskasmetalleja, kuten litiumia.
Eco Watch raportoi, että yksi esimerkki hamppukäyttöisestä akusta, jonka tutkijat ovat kehittäneet vuonna 2022, käyttää litiumia ja rikkiä sähköntuotantoprosessissaan. Erona tässä on se, että muita raskasmetalleja, kuten nikkeliä tai kobolttia, ei käytetä, ja itse akulla on parempi suorituskyky perinteisiin litiumionimuunnelmiin verrattuna. Tämä johtuu siitä, että hamppu auttaa katodia pidentämään sen käyttöikää toistuvien syklien kautta.
Hamppupohjaiset akut ovat myös kustannustehokkaampia, ja niitä harkitaan käytettäväksi sähköajoneuvoissa. Lisätietoja eri sähköautojen akkutyypeistä on meidän omistettu teos aiheesta.
Akkuteollisuudesta voi tulla paljon vihreämpää tulevaisuudessa
Kun tällaisia lupaavia vaihtoehtoja litiumioniakuille on jo työn alla, on jännittävää ajatella akkuteollisuuden tulevaisuutta. Jos tällaiset vaihtoehdot kaupallistetaan menestyksekkäästi, voimme estää lukemattomia ympäristöongelmia ja katastrofeja. Kaiken kaikkiaan se on win-win litium-ionin korvaaville!