Auton akkutoiminto

Miten auton akku toimii ja miten se on rakennettu?

Akun perinteinen tehtävä moottoritilassa tunnetaan hyvin: Ajoneuvoa ei voi käynnistää ilman akkua. Käynnistysmoottorin lisäksi sytytystulpat, hehkutulpat, valot ja elektroniset sovellukset tarvitsevat sähköenergiaa. Mutta miten akku on rakennettu ja miten se toimii?

Lyijyakut: Komponentit ja rakenne

Monet kuljettajat tulevat tietoisiksi auton akkujen suuresta painosta ostaessaan uuden akun. Auton akku voi painaa noin 10,5 kg:sta aina 30 kg:aan asti. Tämän syynä ovat akkukennoissa olevat lyijylevyt.

Akkukennon komponentit ja rakenne

Positiivinen elektrodi:

• Positiivinen levy: lyijyakussa positiivisesti varautunut levy (aktiivinen materiaali) koostuu lyijydioksidista (PbO2), joka on upotettu elektrolyyttiin.

• Positiivinen verkko: positiivinen verkko koostuu lyijyseoksesta, ja sitä käytetään aktiivisen materiaalin pitämiseen ja virran kerääjänä.

Negatiivinen elektrodi:

• Negatiivinen levy: negatiivisesti varautunut levy (aktiivinen materiaali) koostuu puhtaasta lyijystä (Pb), joka on myös upotettu elektrolyyttiin.
• Negatiivinen levy: kuten positiivinen levy, myös tämä levy koostuu lyijyseoksesta ja palvelee samaa tarkoitusta.
  

Varaukseltaan erilaiset elektrodit on erotettu toisistaan pussilla.

Elektrolyytti on rikkihapon (H2SO4) ja tislatun veden seos. Tämä elektrolyytti voi olla nestemäisessä muodossa (kuten tavanomaisissa märkäakuissa tai parannetussa EFB-teknologiassa), geelimuodossa tai sidottuna lasivillamattoon (kuten uudemmissa start-stop-sovelluksissa käytettävässä AGM-teknologiassa).

Tavanomainen käynnistysakku koostuu kuudesta sarjaan kytketystä kennosta, joista jokaisen nimellisjännite on 2 V, jolloin jännite on tasan 12,72 V, kun akku on täysin ladattu. Akun kapasiteetti ja kylmäkäynnistyskyky saadaan kennokohtaisten levyjen lukumäärästä.

Nyrkkisääntö: Mitä enemmän levyjä kennossa on ja mitä suuremman pinta-alan se muodostaa, sitä suuremman kylmäkäynnistystehon (CCA) akku voi tuottaa. Jos kennon tilaa käytetään kuitenkin harvemmille, mutta paksummille levyille, syklin vakaus paranee. Tämä tarkoittaa, että akku on suunniteltu suurempaa latausläpivirtaa varten (jatkuva lataus- ja purkausprosessi).

Kennot ovat kotelossa, joka on valmistettu haponkestävästä muovista (polypropeeni). Tavanomaisessa SLI-akussa tämä on suljettu kannella, jonka labyrinttijärjestelmä estää akkunesteen pääsyn ulos ja erottaa nesteen kaasusta.

Aiemmissa akuissa oli ruuvitulpat, joiden avulla ne voitiin täyttää tislatulla vedellä. Nykyaikaiset akut ovat täysin huoltovapaita. Vettä ei tarvitse eikä saa täyttää. Vaikka AGM-akuissa on edelleen “yksisuuntaiset tulpat”, niitä ei saa missään tapauksessa avata.

Auton akkutoiminto: Kemiallinen energia muuttuu sähköenergiaksi

Auton akku varastoi energiaa kemiallisessa muodossa ja muuntaa sen sähköenergiaksi. Tässä sähkökemiallisessa prosessissa neljä materiaalia reagoi keskenään:

• Vety (H)
• Happi (O₂)
• Lyijy (Pb)
• Rikki (S)

Kytkeminen ulkoiseen kuluttajaan käynnistää kemiallisen reaktion akussa:

• Elektrolyytti, rikkihapon (H2SO4) ja tislatun veden seos, hajoaa positiivisesti varautuneiksi vetyioneiksi (H+) ja negatiivisesti varautuneiksi sulfaatti-ioneiksi (SO42-).
• Samaan aikaan elektronit (2e–) kulkevat ulkoisen virtaa kuluttavan laitteen kautta negatiivisesta elektrodista positiiviseen elektrodiin.
• Tämän elektronivirran kompensoimiseksi sulfaatti-ioneja kulkeutuu elektrolyytistä negatiiviseen elektrodiin, jossa ne reagoivat lyijyn (Pb) kanssa tuottaen lyijysulfaattia (PbSO₄).
• Positiivisessa elektrodissa syntyy myös lyijysulfaattia: Hapen (O₂) sidos lyijyoksidissa (PbO₂) katkeaa elektronien siirron myötä ja happi siirtyy elektrolyyttiin. Jäljelle jäävä lyijy (Pb) sitoutuu elektrolyytistä peräisin olevan sulfaatin (SO₄) kanssa.
• Tällöin happi sitoutuu vedyn kanssa muodostaen vettä (H₂O). Kun rikkihappo kuluu lyijysulfaatin muodostumiseen, elektrolyyttiliuoksen pitoisuus pienenee. Kun rikkihapon pitoisuus laskee tietyn tason alapuolelle, akku on ladattava uudelleen.
• Latauksen aikana kemialliset prosessit tapahtuvat päinvastaisessa järjestyksessä. Lopulta alkuperäiset elementit löytyvät: Positiivinen elektrodi koostuu lyijysulfaatista (PbSO₄), negatiivinen elektrodi puhtaasta lyijystä (Pb) ja elektrolyytti laimeasta rikkihaposta (H₂SO₄). Koska tähän muuntoprosessiin liittyy häviöitä, akku kestää vain rajallisen määrän lataussyklejä. Sen käyttöikä on siksi rajallinen. 

Lyijyakkujen ongelmat: Sulfatoituminen ja hapon kerrostuminen

Jos akkua ladataan liian alhaisella jännitteellä tai jos se toimii aina liian alhaisella jännitteellä (alle 80 %), tapahtuu hapon kerrostumista, jota kutsutaan myös stratifikaatioksi. Elektrolyytin happo kerrostuu huonon sekoittumisen vuoksi. Eri tiheydet aiheuttavat rikkihapon kerrostumisen akun pohjalle ja veden kerrostumisen akun yläosaan. Tämän vuoksi purku- ja latausprosessissa voidaan käyttää vain elektrolyytin keskiosaa eli vain kolmasosaa.

Hapon kerrostumisen mahdollisena syynä ovat lähinnä lyhyet ajomatkat, joiden aikana käytetään samanaikaisesti suurta määrää sähkölaitteita. Tällöin vaihtovirtageneraattori ei ehdi ladata akkua riittävästi.

Hapon kerrostumisen seurauksena on sulfatoituminen. Jos akussa tapahtuu näin tai jos sitä ei ladata jatkuvasti riittävälle tasolle, lyijysulfaatti (PbSO₄) kiteytyy elektrodeihin muodostaen ajan mittaan suurempia kiderakenteita. Tämä prosessi tunnetaan nimellä “sulfatointi”. Kiteytyminen estää lyijysulfaatin muuttumisen takaisin alkuperäisiksi komponenteiksi lyijyksi tai lyijyoksidiksi, mikä estää latauksen hyväksymisen ja vähentää kylmäkäynnistystehoa.

Kiteiden terävöityminen voi myös vaurioittaa erottimia tai aiheuttaa oikosulkuja kennoissa.

Tämän vaikutuksen torjumiseksi ja akun ennenaikaisen vikaantumisen estämiseksi akkua ei saa koskaan altistaa alhaiselle lataustasolle pitkäksi aikaa. Tämän vuoksi on suositeltavaa testata akku säännöllisesti ja ladata se tarvittaessa täyteen.

Tahdotko tietää lisää tästä aiheesta? Miten akku ladataan oikein.

Uudet akkuteknologiat: AGM ja litiumioni

Tähän asti perinteisillä lyijyakuilla on ollut suuri markkinaosuus. Markkinat muuttuvat kuitenkin nopeasti: Start-stop-ajoneuvojen innovatiivisissa akkutekniikoissa, kuten AGM , käytetään mattoon sidottua happoa, joka tarjoaa suuremman syklin vakauden ja takaa luotettavan suorituskyvyn ajoneuvoissa, joiden energiantarve on kasvanut. Toinen AGM:n etu: Happojen kerrostaminen ei ole enää mahdollista sidotun hapon vuoksi.
Mikrohybridiautojen uuden sukupolven autonakut toimivat 48 voltin jännitteellä ja käyttävät litiumioniteknologiaa sisältäviä kennoja.