Näin litiumakku toimii sähkö- ja hybridiautoissa

Perusperiaate on yksinkertainen: litiumionit liikkuvat edestakaisin kahden elektrodin välillä, eikä mitään kulu matkalla. Akkua kuluttavat kuitenkin lämpötila, korkea varaustaso ja suuret virrat – eivät niinkään ajetut kilometrit. Siksi akun kuntoon vaikuttavat mittarilukemaa enemmän auton käyttötapa ja kennojen kemia.

Perusperiaate: lataus tarkoittaa litiumionien liikkumista

Litiumioniakku ei varastoi sähköä sellaisenaan. Se varastoi energiaa siirtämällä litiumioneja kahden elektrodin välillä. Ladattaessa ionit siirtyvät katodista anodiin ja asettuvat grafiittimateriaaliin. Purettaessa ne siirtyvät takaisin, jolloin elektronit pakotetaan kulkemaan auton sähkömoottorin kautta. Mitään ei polteta eikä kuluteta. Teoriassa tämä voisi jatkua loputtomiin.

Käytännössä näin ei tapahdu. Aina ionien liikkuessa elektrodeilla tapahtuu pieniä sivureaktioita. Osa litiumista sitoutuu pysyvästi anodin pinnalla olevaan kerrokseen, niin sanottuun SEI-kerrokseen. Kerros on akun toiminnalle välttämätön, mutta se kasvaa hitaasti akun koko käyttöiän ajan, ja jokainen kasvuvaihe poistaa litiumia kierrosta. Tämä on tärkein yksittäinen syy kapasiteetin vähenemiseen vuosien myötä.

Prosessin nopeuteen vaikuttavat ennen kaikkea lämpötila, akun ylläpidetty varaustaso ja käytetyt virrat. Siksi sama akku voi vanhentua yhden omistajan käytössä kaksi kertaa nopeammin kuin toisen.

Kennon osa	Tehtävä	Mitä vanhetessa tapahtuu
Katodi	Luovuttaa ja vastaanottaa litiumioneja. Materiaalivalinta määrittää jännitteen ja energiatiheyden.	Kiderakenne hajoaa vähitellen; korkeissa lämpötiloissa metalleja voi liueta.
Anodi (grafiitti)	Varastoi litiumionit latauksen aikana.	SEI-kerros kasvaa ja sitoo litiumia pysyvästi. Kylmässä tehtävässä pikalatauksessa litium voi saostua metalliksi.
Elektrolyytti	Kuljettaa ioneja elektrodien välillä.	Hajoaa ajan myötä; lämpö nopeuttaa hajoamista voimakkaasti.
Erotin	Pitää elektrodit erillään ja estää oikosulun.	Kestää tavallisesti akun koko käyttöiän, mutta on herkkä mekaanisille vaurioille ja ylikuumenemiselle.
Virrankeräin	Johtaa virran ulos kennosta.	Kosketusvastus voi kasvaa, mikä lisää häviöitä ja lämpöä.

Kennosta moduuliin ja akustoksi

Yksittäinen kenno tuottaa vain 3–4 volttia. Auton käyttämiseen tarvitaan satoja voltteja ja kymmeniä kilowattitunteja, joten kennot yhdistetään kahdessa vaiheessa.

Kennosta akustoksi

Kenno

3–4 V

Pienin rakenneosa

Moduuli

6–24 kennoa

Kennot yhdistetään

Akusto

40–110 kWh

Sisältää ohjauksen ja jäähdytyksen

Kennot kytketään sarjaan jännitteen kasvattamiseksi ja rinnan kapasiteetin kasvattamiseksi. Tyypillisen henkilöauton akuston jännite on 350–450 volttia, kun taas uudemmat alustat käyttävät 800 volttia. Korkeamman jännitteen ansiosta sama teho voidaan siirtää pienemmällä virralla, mikä vähentää lämmöntuotantoa ja mahdollistaa nopeamman latauksen ilman paksumpia kaapeleita.

Kennojen ympärillä on kaksi järjestelmää, jotka ovat vähintään yhtä tärkeitä kuin itse kennot: lämmönhallinta ja ohjauselektroniikka. Jäähdytyskanavat tai -levyt pitävät kennot ihanteellisella lämpötila-alueella, noin 15–35 °C:ssa. Kylmällä akusto puolestaan lämmitetään ennen pikalatausta. Tätä tarkoittaa esilämmitys. Akku, joka joutuu usein toimimaan lämpötila-alueensa ulkopuolella, vanhenee huomattavasti nopeammin.

Myös rakenne vaihtelee valmistajittain. Perinteisesti akusto koostuu vaihdettavista moduuleista. Yhä useammassa uudessa mallissa käytetään sen sijaan cell-to-pack-rakennetta, jossa kennot liimataan suoraan kantavaan rakenteeseen. Se vähentää painoa ja lisää energian määrää litraa kohti, mutta tekee moduulitason korjaamisesta vaikeaa tai mahdotonta. Käytetyn auton ostajalle kysymys on olennainen: voidaanko akku korjata osissa vai onko koko akusto vaihdettava?

NMC vai LFP: kemia määrittää käyttäytymisen

Lähes kaikki akkujen väliset erot johtuvat katodin materiaalista. Markkinoita hallitsee nykyään kaksi kemiaa.

NMC/NCA verrattuna LFP:hen

NMC / NCAEnemmän energiaa kilogrammaa kohti

150–250 Wh/kg

LFPEnemmän lataussyklejä

3 000–5 000 sykliä

Ominaisuus	NMC / NCA	LFP
Energiatiheys kennotasolla	150–250 Wh/kg	90–160 Wh/kg
Syklejä noin 80 %:n kapasiteettiin	noin 1 500–2 500	noin 3 000–5 000
Kennon nimellisjännite	noin 3,7 V	noin 3,2 V
Terminen vakaus	Lämpökarkaaminen noin 210 °C:sta alkaen	Lämpökarkaaminen noin 270 °C:sta alkaen
Kylmä	Säilyttää tehon ja toimintamatkan paremmin	Menettää enemmän toimintamatkaa ja lataustehoa
Lataaminen 100 %:iin	Rutiininomaista täyteen lataamista kannattaa välttää	Täyteen lataaminen tulee tehdä säännöllisesti kalibrointia varten
Yleinen käyttökohde	Pitkän toimintamatkan mallit ja premium-segmentti	Edulliset perus- ja volyymimallit, käyttö laajenee jatkuvasti

LFP on muuttunut erityisratkaisusta kemiaksi, jonka osuus sähköautojen maailmanlaajuisesta akkukapasiteetista on noin puolet. Käytettyjen autojen markkinoilla tämä tarkoittaa, että pitkän syklisen käyttöiän ja vähäisemmän täyteen lataamisen herkkyyden tarjoavien autojen osuus kasvaa vuosi vuodelta.

Yhtä käytännön seurausta on vaikeampi havaita, mutta se on tärkeä: LFP:n jännitekäyrä on hyvin tasainen. Kennon jännite muuttuu tuskin lainkaan noin 20–90 prosentin varaustasolla. Siksi auton järjestelmän on vaikeampi määrittää akun todellista varaustasoa, ja LFP-autot pyytävät ajoittain lataamaan akun täyteen kalibrointia varten. Sama ominaisuus tekee LFP-akun kunnon mittaamisesta vaativampaa, koska pelkkä jännite kertoo vähemmän.

BMS: akunhallintajärjestelmä

Kennoja valvoo Battery Management System. BMS tekee yhteen kytkettyjen kennojen joukosta ajoneuvoakun.

Mitä akunhallintajärjestelmä tekee

Mittaa

Jännitettä ja lämpötilaa

Sekä sisään että ulos kulkevaa virtaa

Suojaa

Tasapainottaa kennot

Ohjaa lämmitystä ja jäähdytystä

Laskee

SoC- ja SoH-arvot

Näyttää tilanteen kuljettajalle

Kennojen valvonta. Jännitettä ja lämpötilaa mitataan jatkuvasti, tavallisesti kennoryhmittäin.
Tasapainotus. Kennot vanhenevat eri tahtiin. BMS tasaa erot, sillä muuten heikoin kenno rajoittaa koko akustoa.
Lämmönhallinta. Käynnistää jäähdytyksen tai lämmityksen ja rajoittaa tehoa, kun lämpötila on turvallisen alueen ulkopuolella.
Suojaus. Katkaisee tai rajoittaa toimintaa ylijännitteen, alijännitteen, liian suuren virran tai liian korkean lämpötilan yhteydessä.
Estimointi. Laskee varaustason (SoC) ja akun kunnon (SoH). Kumpaakaan ei voida mitata suoraan, vaan molemmat ovat laskennallisia arvoja.

Viimeiseen kohtaan kannattaa pysähtyä. Kun auto näyttää 62 prosentin varaustasoa, kyse on arviosta, joka perustuu jännitteeseen, virran laskentaan ja kyseisen akun käyttäytymismalliin. Sama koskee akun kuntoa. Arvio voi ajautua ajan myötä, etenkin jos autoa ladataan harvoin varaustason ääriarvoihin, ja eri valmistajat käyttävät erilaisia laskentatapoja. Siksi kuntoarvon yhteydessä tulee aina ilmoittaa, miten se on tuotettu.

Mitä tämä tarkoittaa käytännössä

Auton käyttäjälle

Välttäkää auton jättämistä pitkäksi aikaa 100 prosentin varaustasolle, erityisesti kuumassa. NMC-akulle 20–80 prosenttia on hyvä arjen varaustaso. LFP kestää täyteen lataamista ja tarvitsee sitä ajoittain.
Pikalataus ei itsessään vahingoita akkua, mutta sen ei tulisi olla tavallisin lataustapa. Ero näkyy vuosien kuluessa, ei yksittäisten latausten jälkeen.
Käyttäkää esilämmitystä talvella. Kylmän akun pikalataaminen on yksi akun suurimmista rasituksista.
Pysäköikää pidemmäksi ajaksi mieluiten viileään ja varjoon. Lämpö vanhentaa akkua myös auton seistessä.

Autokaupan ammattilaiselle

Kemia vaikuttaa arvonmääritykseen. Paljon ajetulla LFP-autolla on usein enemmän käyttöikää jäljellä kuin samalla mittarilukemalla olevalla NMC-autolla.
Kysykää lataustavasta, älkää pelkästä mittarilukemasta. Pikalatauksen osuus selittää suuren osan näennäisesti samanlaisten autojen välisistä eroista.
Selvittäkää, onko akusto moduulirakenteinen vai cell-to-pack-rakenteinen. Se ratkaisee tulevan korjauksen realistiset kustannukset.
Dokumentoikaa akun kunto vaihtoauton vastaanotossa ja myynnin yhteydessä. Mittaus poistaa kaupan suurimman kysymysmerkin sekä teiltä että asiakkaalta.

Usein kysytyt kysymykset

Kuinka kauan sähköauton akku kestää?

Huomattavasti pidempään kuin moni odottaa. Yli 22 700 ajoneuvon tarkastelussa Geotab mittasi kapasiteetin vähenevän keskimäärin noin 2,3 prosenttia vuodessa. Tämä tarkoittaa, että tyypillisessä akussa on kahdeksan vuoden jälkeen jäljellä noin 80 prosenttia kapasiteetista. Useimmat valmistajat takaavat vähintään 70 prosentin kapasiteetin kahdeksaksi vuodeksi tai 160 000 kilometriksi.

Kuluttaako pikalataus akkua?

Kyllä, mutta kohtuullisesti. Samassa aineistossa pääasiassa vaihtovirralla ladatut autot vanhenivat noin 1,5 prosenttia vuodessa, kun taas yli 100 kW:n pikalatureita runsaasti käyttäneiden autojen luku oli noin 3,0 prosenttia vuodessa. Ero on todellinen mutta ei läheskään dramaattinen.

Voiko yksittäisiä kennoja tai moduuleja vaihtaa?

Se riippuu täysin rakenteesta. Moduulirakenteisia akustoja voidaan usein korjata osissa erikoistuneessa korjaamossa. Cell-to-pack-rakenteessa kennot on liimattu kantavaan rakenteeseen, joten käytännössä koko akusto on vaihdettava varaosana.

Onko LFP aina parempi valinta?

Ei. LFP tarjoaa pidemmän käyttöiän, alemman hinnan ja paremman termisen vakauden, mutta vähemmän toimintamatkaa kilogrammaa kohti ja heikomman suorituskyvyn kylmässä. Paras vaihtoehto riippuu auton käyttötavasta ja ilmastosta.

Lähteet

Geotab, EV Battery Health: Key Findings from 22,700 Vehicle Data Analysis; Recharged, LFP vs NMC Battery in Electric Cars; Volkswagen Sverige, batterigaranti och underhåll; Toyota Sverige, service och batterigaranti. Lukuarvot ovat tyypillisiä vaihteluvälejä ja vaihtelevat mallin ja valmistajan mukaan.

Tehkää akun kunnosta selkeämpi osa autokauppaa

Optiledger on sähkö- ja hybridiautojen akkutesti, joka voidaan tehdä alle kahdessa minuutissa autoliikkeessä tai korjaamolla ilman akun purkamista tyhjäksi ja lataamista täyteen.

Näin testi toimii