Akku ei toimi koskaan paremmin kuin ensimmäisellä latauskerralla. Se on niiden luonteessa: Ne varastoivat energiaa puolestamme, mutta tekevät sen vähemmän tehokkaasti joka kerta, kun lataamme ne uudelleen.
Ei sillä, ettemmekö voisi tehdä asioita, joiden avulla voimme pitää akut varauksensa parempina, kuten asiantuntijat, kuten Venkat Srinivasan, mielellään neuvovat. ”Älä käytä kannettavaa tietokonetta kuin pöytäkonetta”, hän sanoo. ”Kun se on ladattu täyteen, vedä pistoke irti. Akku on jo ladattu, ja me silti vaadimme, että sitä ladataan yhä enemmän ja enemmän.”
Kun hän sanoi tämän, en voinut olla vilkaisematta hermostuneesti alas kannettavaan tietokoneeseen, johon kirjoitin raivokkaasti hänen sanojaan. Tietenkin se oli kytketty verkkovirtaan. Totta kai se oli ollut niin ainakin eilisestä lähtien, ja totta kai se, mikä kerran oli ollut ainakin parin tunnin akkukesto, oli nyt luultavasti korkeintaan puoli tuntia ilman pistoketta. Toivottavasti Srinivasan ei huomannut huonoa akunhallintaani pelkästään puhumalla kanssani.
Srinivasan on yksi akkujen tieteeseen perehtyneistä päätutkijoista Argonnen kansallisessa laboratoriossa, joka sijaitsee puolen tunnin päässä Chicagosta lounaaseen. Hän tuntee kaikki niksit, joiden avulla puhelimen tai kannettavan tietokoneen akku ei menetä latauskykyään. Tärkein salaisuus on hänen mukaansa se, ettei laitetta saa koskaan ladata täysin täyteen.
”Parasta on, että laite ladataan 70 tai 80 prosenttiin asti, eikä sitä ylitetä, vaan pysytään tällä alueella”, hän sanoo. Syy tähän neuvoon piilee litiumioniakun kemiallisessa rakenteessa, josta useimmat kulutuselektroniikkalaitteet ja yhä useammin myös sähköajoneuvot saavat virtansa. Akun lataaminen ja purkaminen voi aiheuttaa sen materiaalien laajenemista ja supistumista, mikä rasittaa koko akkua ja lyhentää sen käyttöikää.
Jos annat puhelimen akun käydä niin kauan, että se tyhjenee, ja lataat sen sitten takaisin sataan prosenttiin, akulla saattaa olla vain muutama sata käyttökertaa ennen kuin se lakkaa toimimasta. Joku, joka on järjettömästi sitoutunut pitämään akun keinut pieninä – vaikkapa 75-78 prosentin välillä – voi Srinivasanin laskelmien mukaan vääntää jopa 300 000 sykliä.
Srinivasan myöntää, että tällainen tarkka akunhallinta on useimmille ihmisille lähes varmasti enemmän vaivaa kuin sen arvoista, joten hän suosittelee yksinkertaisempaa lähestymistapaa, jolla akut saadaan pitämään latauksensa.
Rakenteellisten huolenaiheiden lisäksi kysytään, miksi akun pitäminen täyteen ladattuna tai edes pelkkä lataaminen täyteen asti on niin vahingollista akulle?
Vastaus löytyy näiden kannettavien voimanlähteiden sisällä olevista anteeksiantamattomista, haihtuvista, haihtuvista mikroympäristöistä. Jo ensimmäisestä latauksesta lähtien akut käyvät häviävää taistelua omaa kemiaansa vastaan.
Puhelimen tai kannettavan tietokoneen kaltaiset ladattavat akut tuottavat sähkövirtaa litiumalkuaineen varattujen hiukkasten eli ionien liikkeestä elektrodien välillä – siksi niitä kutsutaankin litiumioniakuiksi.
Akun purkautuessa hiukkaset siirtyvät negatiiviselta elektrodilta positiiviselle elektrodille, joita kutsutaan myös anodiksi eli anodiksi, ja katodiksi eli positiiviselle elektrodille. Latauksen aikana prosessi on päinvastainen. Litiumioniakuissa anodi on yleensä valmistettu sähköä johtavasta hiiliyhdisteestä, kuten grafiitista, kun taas katodi on valmistettu litiumpohjaisesta yhdisteestä, joka voi absorboida ja vapauttaa litiumioneja.
Tässä kohtaa ongelmat alkavat, jos puhelin jätetään vaikkapa koko yöksi pistorasiaan. Ionit reagoivat katodin kanssa kemiallisessa prosessissa, jota kutsutaan hapettumiseksi ja joka kuluttaa osan akun litiumista. Mitä pidempään näitä reaktioita tapahtuu, sitä enemmän akun virran ylläpitämiseen tarvittavia hiukkasia katoaa. Hiukkasten purkautuminen ei kestä yhtä kauan, mikä tarkoittaa, että akku tyhjenee paljon nopeammin kuin ennen. Ongelma voi pahentua, jos akkua ladataan liian nopeasti, jolloin myös sen kapasiteetti kuluu.
Akkuihin kohdistuu muitakin vaaroja kuin ylilataaminen, sillä akun kemiallinen toimintaympäristö heikkenee vääjäämättömästi, vaikka olisitkin aina täydellisen tarkkaavainen sen suhteen, milloin irrotat puhelimen.
”Litiumionien kanssa osa niistä katoaa”, selittää materiaalitutkija Michael Toney, joka työskentelee Stanfordin yliopiston lähellä sijaitsevan SLAC National Accelerator Laboratoryn tutkijana. ”Ne juuttuvat paikkoihin, joissa ne eivät enää pysty sukkuloimaan takaisin anodin ja katodin välillä. Anodin tai katodin osat katkeavat sähköisesti virrankerääjästä. Se on se osa akkua, joka kerää elektroneja, jotka kulkevat edestakaisin, kun akkua ladataan ja puretaan.”
Lithiumionit kulkevat elektrodien välillä nestemäisten kemikaalien eli elektrolyyttien välityksellä. Nuo elektrolyytit ovat välttämättömiä koko toiminnalle, mutta niissä tapahtuu myös reaktioita anodin kanssa, jotka lyhentävät akun käyttöikää.
”Luonto haluaa valitettavasti saada tuon reaktion tapahtumaan, joten se tapahtuu”, Srinivasan sanoi. Kaikki, mitä akkujen suunnittelijat voivat tehdä, on yrittää pitää tämä reaktio mahdollisimman vähäisenä. ”Mutta se ei ole täydellistä. Se kostautuu.”
Siltikin, niin nirso kuin litiumioniakut voivatkin olla, suurin osa ihmisistä ei luultavasti huomaa liian suurta ongelmaa yksinkertaisesti siksi, etteivät he pidä puhelintaan tai kannettavaa tietokonettaan niin kauan, että lataustilanne muuttuisi aidosti vakavaksi. Voi olla, että lähes alitajuisesti ajatellaan, että on aika luovuttaa ja käyttää kannettavaa tietokonetta pysyvästi pistorasiaan kytkettynä työpöytänä, tai epämääräinen tunne siitä, että puhelimen akkukesto ei näytä olevan läheskään niin pitkä kuin mainostettiin. Mutta jos et aio pitää elektroniikkaasi paljon kolmea vuotta pidempään, se ei ole niin suuri asia.
Mutta entä sähköautot, jotka toimivat paljon suuremmilla versioilla samanlaisista litiumioniakuista? Useimmat ihmiset, jotka maksavat yli 70 000 dollaria Tesla-autosta, haluavat, että akku kestää latauksen useita vuosia, ehkä jopa vuosikymmenen tai pidempään. Sähköajoneuvot aiheuttavat latauksen hallintaan ainutlaatuisia ongelmia, joita kotitalouselektroniikka ei aiheuta.
”Yleensä, jos astut kaasupolkimelle, haluat auton reagoivan asianmukaisesti”, Toney sanoi. ”Se voi siis ajaa akkua hyvin kovaa lyhyen aikaa. Kannettavassa tietokoneessa tai matkapuhelimessa ei tyypillisesti tapahdu tällaista purkautumista.”
Säännöllisen käytön lisäksi kaikki akut ovat herkkiä lämpötilan vaihteluille, ja jotkin puhelimen tai kannettavan tietokoneen akut on ohjelmoitu kytkeytymään automaattisesti pois päältä, jos ne kuumenevat liikaa. Teslan akku, joka vastaa suunnilleen 8 000 kännykän akkua, voi kuumentua paljon enemmän käytön aikana. On myös mahdollista, että latausasema on viileässä paikassa, mikä aiheuttaa mahdollisesti vaarallisen lämpötilan vaihtelun.
On myös kysymys siitä, kuinka nopeasti sähköauto on ladattava. Toistaiseksi monet sähköautoilijat tyytyvät lataamaan ajoneuvonsa yön yli, jolloin auton akku voi latautua uudelleen turvallisella, hitaalla nopeudella. Tulevaisuuden sähköautoinfrastruktuuri tarvitsee kuitenkin huoltoasemia vastaavan infrastruktuurin – paikkoja, joissa kuljettajat voivat tankata pitkän matkan aikana.
”Ihannetapauksessa haluaisimme, että sähköautot latautuisivat lähemmäs 15 minuutissa, eli siinä vaiheessa, kun kuvittelet jonkun pysähtyvän latausasemalle, menevän vessaan, ottavan juotavaa ja latautuvan valmiina lähtöön”, Toney sanoi. ”Siinä kuluu paljon virtaa, eivätkä akut vielä pysty siihen. Ne eivät lataudu täyteen kapasiteettiin. Jos yrität ladata akkua tuolla nopeudella, se pettää nopeasti.”
Lithiumioniakku on merkittävä keksintö, ja se edistää teknologisia mullistuksia siinä, miten käytämme tietokoneita, puhelimia ja lopulta autoja. Mutta sama sisäinen kemia, joka tekee niistä niin ihanteellisia käyttämään korvaamattomia laitteitamme, tarkoittaa myös sitä, että niiden käyttöaika on luonnostaan rajallinen.
Akkujen saaminen pitämään latausta pidempään on yksi monista perustavanlaatuisista kysymyksistä, joita akkututkijat pyrkivät ratkaisemaan, olipa kyse sitten jo olemassa olevan kokoonpanon parantamisesta tai jonkin uuden ja paremman luomisesta.
Odotellessamme voitte harkita, että noudattaisitte Srinivasanin neuvoja: ”Älä ainakaan jätä kannettavaa tietokonetta pistorasiaan!” Ainakin niille meistä, jotka eivät ole vielä täysin pilanneet tietokoneen akkukestoa.