Litiumioniakkujen turvallisuus

Litiumioniakut ovat olleet viime vuosina paljon esillä mediassa – sekä hyvässä että pahassa. Kannettavassa kuluttajaelektroniikassa ne ovat lähes täysin syrjäyttäneet muut akut. Lisäksi sähkö- ja hybridiautojen määrä on viime vuosina lisääntynyt, ja tätä myöten myös niissä voimanlähteenä käytettävä tekniikka on ollut esillä. Litiumioniakkujen valikoituminen energianlähteeksi näihin sovelluksiin juontuu siitä, että niihin voidaan varastoida kokoonsa nähden paljon energiaa. Tämän ansiosta kännykät voidaan varustaa laajalla värinäytöllä sekä internetyhteydellä, ja sähköautoilla saavutetaan kohtuullinen ajomatka. Toisaalta viime vuosina on sattunut useita litiumioniakkuihin liittyviä onnettomuuksia. Vuonna 2013 Boeing 787 Dreamliner lentokoneissa sattui useita akkupaloja ja 2016 Samsung Galaxy Note 7 puhelimet syttyivät itsekseen tuleen. Tämänkaltaiset ongelmat ovat aina mahdollisia yritettäessä pakata paljon energiaa pieneen tilaan, olipa kyseessä sitten energian kemiallinen varastointi bensiiniin tai sähkökemiallinen varastointi akkuun. Tämän vuoksi CloseLoop-projektissa tutkitaan akkujen turvallista käyttöä ja ikääntymisilmiöitä.

Lämpökarkaaminen (thermal runaway) on prosessi, joka on tyypillisesti akkupalojen ja -räjähdysten taustalla. Se johtuu yleensä joko valmistusvirheestä tai käytön aikana väärinkäytön tai ikääntymisen seurauksena tapahtuneista muutoksista. Prosessin käynnistää tavallista korkeampi ympäristön lämpötila, joka kiihdyttää lämpöä vapauttavia reaktioita. Vapautunut lämpö puolestaan kiihdyttää lisää lämpöä tuottavia reaktioita, kunnes lämpö lopulta vapautuu hallitsemattomasti, esimerkiksi sulattamalla joitain komponentteja akun sisällä tai jopa räjähtämällä.

Litiumioniakkukennon pääkomponentit ovat positiivinen elektrodi, negatiivinen elektrodi, orgaaninen elektrolyytti sekä elektrodien välissä oleva erotinkalvo kuten Kuvaan 1 on hahmoteltu. Yhden litiumioniakkukennon napajännite vaihtelee käytettyjen elektrodimateriaalien mukaan 2,4 V:n ja 3,7 V:n välillä. Tyypillisesti sovelluksissa käytettävät akut koostuvat useista litiumioniakkukennoista. Matkapuhelinten akuissa kennoja on muutamia, kannettavissa tietokoneissa kymmenkunta, ja hybridi- ja sähköautoissa kennoja voi olla jo tuhansia. Tarvittava käyttöjännite saadaan kytkemällä kennoja sarjaan ja varauskapasiteetti kytkemällä kennoja rinnan.

Kuva 1. Akun rakenne.

Litiumioniakuissa käytettävien materiaalien joukosta löytyy sekä suhteellisen harmittomia että erittäin ikäviä aineita. Käytännössä kaikki elektrodimateriaalit ovat sellaisinaan suhteellisen vaarattomia, ja niitä voidaan normaalisti käsitellä huoneilmassa, mutta niille altistumista kannattaa totta kai välttää. Akkujen elektrolyytti on kuitenkin huomattavasti ikävämpi materiaali. Tyypillisesti elektrolyytti koostuu litiumia sisältävästä suolasta, kuten LiPF6, ja orgaanisesta liuottimesta. Jos elektrolyytti joutuu kosketuksiin ilmakehän veden kanssa, muodostuu vaarallisia yhdisteitä, kuten hyvin syövyttävää vetyfluoridia (HF). Tämän takia litiumioniakut ovat aina vesitiiviitä, eikä niitä pidä mennä availemaan omin päin. Akkupalojen sammuttamisessa kannattaa välttää vettä sekä käsisammuttimia ja mieluummin tukahduttaa palo esimerkiksi hiekalla, sillä vesi ja sammutusaineet saattavat jopa ruokkia paloa, jos esimerkiksi metallista litiumia on päässyt muodostumaan. Vesi kuitenkin jäähdyttää akkua ja sen ympäristöä tehokkaasti ja on paremman puutteessa käyttökelpoinen vaihtoehto.

Syitä akkujen turvallisuuden vaarantumiseen:

  • Litiumryppäiden muodostuminen grafiittinegatiivielektrodille ylilautauksessa tai ladattaessa kylmää, noin nolla-asteista tai kylmempää, akkua. Näissä oloissa litiumia saattaa pelkistyä negatiiviselle elektrodille, mikä johtaa ryppäiden muodostumiseen. Jos ryppäät pääsevät kasvamaan tarpeeksi suuriksi, ne voivat lävistää separaattorin ja aiheuttaa oikosulun, mikä hyvin nopeasti johtaa lämpökarkaamiseen.

 

Kommentti: Valmistajat asentavat akkuihin akustonvalvontajärjestelmän, joka estää ylilatauksen tai ajoneuvojen akkujen lataamisen kylmänä. Käytä siis aina alkuperäisvalmistajan akkua laitteessa. Jos epäilet litiumioniakun jäähtyneen vaikkapa kuljetuksen yhteydessä, älä lataa sitä ennen kuin akku on sisäosiaan myöten saavuttanut huoneenlämmön.

 

  • Elektrodimateriaalin hajoaminen ylilatauksessa. Tämä koskee lähinnä positiivisella elektrodilla käytettävää litiumkobolttioksidia (LiCoO2), jonka tasoista koostuva rakenne romahtaa, jos litiumia poistetaan liikaa. Tällaiset tilanteet estetään akunvalvontajärjestelmällä tai käyttämällä akuissa korvaavia materiaaleja kuten litiumrautafosfaattia (LiFePO4).

 

  • Elektrodit pääsevät kosketuksiin toisensa kanssa, mikä johtaa oikosulkuun ja lämpökarkaamiseen. Näin voi käydä valmistusvirheen seurauksena tai akun vahingoituttua esim. lattialle pudotessa tai sähköauton kolarissa.

 

Kommentti: Valmistusvirheet ovat hyvin harvinaisia. Näin kuitenkin pääsi käymään esimerkiksi Samsung Galaxy Note 7:n tapauksessa pienelle osalle akuista. Mikäli huomaat akun kuumenevan epätavallisen paljon (latauksen yhteydessä) tai pullistuvan, irrota akku välittömästi laitteesta ja kytke laitteesta virta pois. Siirrä akku paloturvalliseen, hyvin ilmastoituun tilaan. Älä koskaan käytä vaurioitunutta akkua.

Kuva 2. Akkujen testausta Aalto-yliopiston laboratoriossa. Hiekkaa pidetään lähistöllä vaaratilanteita varten.

Kaikista näistä varoituksen sanoista huolimatta litiumioniakkuihin liittyvät vaaratilanteet ovat hyvin harvinaisia. Meistä useimmilla on useampia akkuja päivittäin käytössä, mutta harva on kohdannut vaaratilanteita. Akkuja otetaan kuitenkin koko ajan käyttöön uusiin sovelluksiin, ja niihin varastoitavan energian määrää pyritään lisäämään. Tämän vuoksi valmistajat tekevät parhaansa tehdäkseen akkuteknologiasta entistä turvallisempaa käyttää. Tästäkin huolimatta yllä olevat neuvot on hyvä muistaa yllättävän tilanteen tullessa vastaan.

Share on LinkedInShare on FacebookTweet about this on TwitterShare on Google+