Sähköauton akun perusteet: miten kennot varastoivat ja luovuttavat energiaa

Sähköauton akku varastoi energiaa kemiallisessa muodossa. Lataaminen siirtää kennot kemialliseen tilaan, jonka energia on suurempi. Ajon aikana kennot luovuttavat tätä energiaa sähkönä, jonka auton tehoelektroniikka ja moottorit muuttavat liikkeeksi.

Kennosta akkupaketiksi

Kenno on akun pienin itsenäisesti toimiva sähkökemiallinen yksikkö. Yksittäinen litiumionikenno tuottaa vain muutaman voltin jännitteen, joten sähköautossa kytketään yhteen useita kennoja tarvittavan jännitteen ja energian saavuttamiseksi.

Kennot voidaan koota ensin moduuleiksi ja sitten akkupaketiksi tai integroida suoraan pakettiin ilman perinteisiä moduuleja. Paketti yhdistää kennot niiden kytkemiseen, suojaamiseen ja hallintaan tarvittaviin laitteisiin. Luku Akkupaketti ja kytkennät käsittelee sähkökytkentöjä ja paketin rakennetta; Kennotyypit esittelee sylinterimäiset, prismaattiset ja pussikennot.

Mitä kennon sisällä on?

Tavallisessa litiumionikennossa kaksi elektrodia sitoo litiumia aktiivimateriaaleihinsa. Negatiivinen elektrodi on yleensä grafiittipohjainen, ja positiivisessa elektrodissa käytetään litiumia sisältävää yhdistettä. Niiden yhdistelmä vaikuttaa kennon jännitteeseen ja siihen, kuinka paljon energiaa kenno voi varastoida.

Akkukirjallisuudessa negatiivista elektrodia kutsutaan yleensä anodiksi ja positiivista katodiksi. Nimet kuvaavat niiden tehtäviä purkautumisen aikana, ja niitä käytetään tavallisesti myös lataamista käsiteltäessä.

Kolme muuta osaa yhdistää ja erottaa elektrodit:

• Elektrolyytti kuljettaa ioneja elektrodien välillä. Tavalliset nestemäiset elektrolyytit sisältävät orgaanisiin liuottimiin liuotettua litiumsuolaa.
• Erotin on huokoinen kalvo, joka pitää elektrodit erillään mutta sallii ionien kulkea huokosissa olevan elektrolyytin läpi.
• Virrankerääjät ovat sähköä johtavia kalvoja, jotka yhdistävät aktiivimateriaalit kennon napoihin. Negatiivisella puolella käytetään yleisesti kuparia ja positiivisella alumiinia. Lithium-ion Batteries Technology Strategy Assessment (DOE, 2023)

Erillinen luku Kennokemia ja komponentit vertailee elektrodimateriaaleja ja elektrolyyttiratkaisuja.

Miten lataaminen ja purkautuminen toimivat?

Purkautumisen aikana litiumionit liikkuvat negatiiviselta elektrodilta positiiviselle elektrolyytin läpi. Elektronit virtaavat negatiiviselta elektrodilta positiiviselle ulkoisen virtapiirin kautta ja tuottavat autolle sähköenergiaa. Elektrolyytti johtaa ioneja mutta estää elektronien virtauksen, joten elektronit kulkevat ulkoista reittiä.

Lataaminen kääntää prosessin suunnan. Virtalähde syöttää elektroneja negatiiviselle elektrodille ja poistaa niitä positiiviselta. Litiumionit liikkuvat elektrolyytin läpi takaisin negatiiviselle elektrodille, mikä lisää kennoon varastoitunutta kemiallista energiaa. DOE Explains: Batteries

Regeneratiivinen jarrutus lataa akkua auton liikkeestä talteen otetulla energialla: moottori toimii generaattorina ja palauttaa sähköenergiaa tehoelektroniikan kautta.

Litiumioni- ja natriumionikennot toimivat samalla perusperiaatteella. Kuvassa litiumionit (Li⁺) ja natriumionit (Na⁺) liikkuvat elektrodien välillä. Natriumionikennoissa käytetään natriumin erilaisiin ominaisuuksiin soveltuvia materiaaleja. Ensimmäisen sukupolven natriumioniakun julkistus (CATL, 2021)

Jännite, virta, teho ja energia

Akkujen teknisissä tiedoissa käytetään useita suureita, jotka vastaavat eri kysymyksiin:

• Jännite, jonka yksikkö on voltti (V), on kahden pisteen välinen sähköinen potentiaaliero.
• Virta, jonka yksikkö on ampeeri (A), ilmaisee aikayksikössä kulkevan sähkövarauksen määrän.
• Varauskapasiteetti, jonka yksikkö on ampeeritunti (Ah), on sähkövarauksen määrä, jonka kenno tai akku voi luovuttaa määritellyissä olosuhteissa.
• Teho, jonka yksikkö on kilowatti (kW), ilmaisee, kuinka nopeasti energiaa luovutetaan tai vastaanotetaan.
• Energia, jonka yksikkö on kilowattitunti (kWh), on luovutettu, vastaanotettu tai varastoitu määrä.

Akun tasavirtanavoilla pätee:

Teho (kW) = Jännite (V) × Virta (A) ÷ 1 000

Esimerkiksi akku, joka tuottaa tasaisesti 20 kW puolen tunnin ajan, luovuttaa:

20 kW × 0,5 h = 10 kWh

Tämä on akun navoilta luovutettu energia. Pyörille päätyy vähemmän energiaa, sillä myös tehoelektroniikassa ja moottorissa syntyy häviöitä. Vastaavasti laturista otettu energia on suurempi kuin akun varastoidun energian lisäys, koska lataamiseen liittyy häviöitä.

Nimellisenergian likiarvo voidaan laskea varauskapasiteetin perusteella:

Energia (kWh) ≈ Nimellisjännite (V) × Kapasiteetti (Ah) ÷ 1 000

Pelkkä Ah-lukema ei siis riitä eri jännitteillä toimivien akkujen energiamäärän vertailuun. Likiarvossa käytetään edustavaa jännitearvoa, kun taas tarkka energiamittaus ottaa huomioon jännitteen muuttumisen lataamisen tai purkautumisen aikana.

Varaustila ja toimintarajat

Varaustila (SOC) ilmaisee arvioidun jäljellä olevan varauksen prosenttiosuutena määritellystä kapasiteetista. SOC arvioidaan esimerkiksi virran, jännitteen ja lämpötilan mittausten perusteella. State of Charge Estimation Using Smart Battery Charger (Texas Instruments, 2021)

Sähköauton näyttämä prosenttilukema vastaa kuljettajan käytettävissä olevaa toiminta-aluetta. Näytön 0% ja 100% eivät tarkoita kennon absoluuttisia sähkökemiallisia rajoja. Luku Akun puskuri ja käytettävissä oleva kapasiteetti selittää bruttokapasiteetin, nettokapasiteetin (käytettävissä olevan kapasiteetin) sekä puskurit.

Kennon jännite vaihtelee varaustilan, kemian, lämpötilan ja virran mukaan. Nimellisjännite on vertailuarvo, ei latausraja. Esimerkiksi Molicel ilmoittaa INR-21700-P42A-kennolleen nimellisjännitteeksi 3,6 V, latausjännitteeksi 4,2 V ja purkauksen katkaisujännitteeksi 2,5 V. Muissa kennorakenteissa voidaan käyttää erilaisia jänniterajoja. Molicel INR-21700-P42A:n tekninen tietolehti, versio 1.7

Jännitteen ylä- ja alarajat vaikuttavat lataamiseen ja ajamiseen eri tavoin. Akun lähestyessä täyttä varausta latausteho pienenee, jotta kennot pysyvät jännitteen ylärajojen sisällä. Alhaisella varaustilalla auto voi pienentää ajotehoa, jotta kennojännitteet pysyvät alarajojensa yläpuolella. Luku Akun lataaminen selittää, miten latausrajat muovaavat latauksen aikana syötettyä tehoa.

Akunhallintajärjestelmä (BMS) valvoo kennojen tai rinnankytkettyjen kennoryhmien jännitteitä, akun virtaa ja lämpötiloja anturien sijainneissa. Se arvioi akun tilaa ja koordinoi sallitun lataamisen ja purkamisen auton kanssa, jotta kennot pysyvät toimintarajojensa sisällä. Akunhallintajärjestelmien tekninen käsikirja Luku Akunhallintajärjestelmä käsittelee näitä toimintoja tarkemmin.

Miksi lämpötilalla ja virralla on merkitystä?

Sisäinen resistanssi tuottaa lämpöä virran kulkiessa. Samalla resistanssilla virran kaksinkertaistaminen nelinkertaistaa resistiivisen lämmöntuoton. Kylmyys voi kasvattaa resistanssia ja pienentää käytettävissä olevaa tehoa. Myös kennoreaktiot voivat sitoa tai vapauttaa lämpöä. Tämä palautuva vaikutus riippuu kemiasta ja varaustilasta. Entropy Profiles for Li-Ion Batteries—Effects of Chemistries and Degradation (Wind and Vie, 2025)

Lämpötilarajat voivat rajoittaa sekä lataamista että ajotehoa. Kylmyys vaikeuttaa erityisesti grafiittipohjaisten litiumionikennojen lataamista, koska litium voi kerrostua elektrodin pinnalle (litiumin saostuminen) sen sijaan, että se siirtyisi elektrodin rakenteeseen. Auton ohjausjärjestelmät pienentävät latausvirtaa ja voivat ensin lämmittää akkua.

Kylmä tai täysi akku voi rajoittaa regeneratiivista jarrutusta, koska kumpikin tilanne rajoittaa akun vastaanottamaa tehoa. Model 3 -käyttöopas: Jarruttaminen ja pysähtyminen Lämmitys- ja jäähdytysjärjestelmät auttavat ylläpitämään sopivia olosuhteita, kuten luvussa Akun lämmönhallinta selitetään.

Alla oleva The Limiting Factorin video havainnollistaa litiumionikennon toimintaa.