Erkki Saarikettu

LITIUMIONIAKUN VALMISTUS

Opinnäytetyö

KESKI-POHJANMAAN AMMATTIKORKEAKOULU

Kemiantekniikan koulutusohjelma

Toukokuu 2009

TIIVISTELMÄ OPINNÄYTETYÖSTÄ

Yksikkö

Tekniikka ja liiketalous

Kokkola

Aika

4.4.2009

Tekijä/tekijät

Erkki Saarikettu

Koulutusohjelma

Kemiantekniikan koulutusohjelma

Työn nimi

Litiumioniakun valmistus

Työn ohjaaja

DI, KM Maija Rukajärvi-Saarela

Sivumäärä

31 + 3 liitettä

Työelämäohjaajat

Toimitusjohtaja Olle Sirén Keliber Oy

Tutkija Siru Tuomaala, Kokkolan yliopistokeskus Chydenius

Tämän työn tarkoituksena oli selvittää Keliber Oy:lle litiumioniakun valmistusta ja akun

valmistusprosessia. Lisäksi työhön liittyi selvitys Arbin-bt2043-akuntestauslaitteen toi-

minnasta ja mahdollisuudesta tehdä joitain yksittäisiä akkutestejä. Tutkimuksen kannalta

sopivaa materiaalia hankittiin pääasiassa tietoverkkojen, sähköpostin ja henkilökohtaisten

yhteydenottojen avulla.

Työn teoreettisessa osassa on käsitelty yleisesti litiumin käyttöä ja ominaisuuksia. Lisäksi

siinä kerrotaan litium-ioniakun toimintaperiaatteesta ja akkujen rakenteista. Litium-

ioniakkutekniikka on myös esitelty Thunder Sky Battery Ltd:n (TS) ja akunhallintajärjes-

telmien osalta.

Työssä on käsitelty maailman suurimman suuritehoisia litiumioniakkuja valmistavan

yrityksen TS:n tuotantoprosessia ja sen käyttämiä materiaaleja sekä akkujen koostumusta.

Pääpaino on akkujen koostumuksessa ja valmistusprosessissa. Lisäksi on käyty läpi litiu-

mioniakuissa käytettävät akunhallintajärjestelmät, jotka ovat tärkeitä turvallisuuden ja

suorityskyvýn kannalta. Tämän opinnäytetyön testauksiin ajatellulla, kauan käyttämät-

tömänä olleella ja massiivisella akuntestauslaitteistolla ei ollut kannattavaa suorittaa yk-

sittäisiä akkutestejä.

Asiasanat

litiumioniakku, akkuvalmistajat, akun valmistusprosessi

ABSTRACT

CENTRAL OSTROBOTHNIA

UNIVERSITY OF APPLIED SCI-

ENCES

Date

4.4.2009

Author

Erkki Saarikettu

Degree programme

Chemical Engineering

Name of thesis

Manufacturing of a Lithium-ion Battery

Instructor

Maija Rukajärvi-Saarela

Pages

31 + 3 Appendices

Supervisors

Olle Sirén

Siru Tuomaala

The aim of this thesis was to examine the process of manufacturing of a lithium-ion bat-

tery. Another aim was to find out how the Arbin-bt 2043 battery testing system would

work and the possibility to do some tests with it. Research material was acquired from

the Internet, by e-mail and by contacting people who were specialists of this field.

The theoretical part of the thesis introduces lithium in general and the technique which is

used in lithium battery technology. Thunder Sky Ltd (TS) is one of the largest lithium-ion

battery manufacturers in the world. TS produces large-capacity lithium-ion batteries in

China. The Finnish Electric Vehicle Technologies Ltd (FEVT) produces battery manage-

ment systems, which are very important to be used with lithium-ion batteries because of

safety reasons and better performance.

This thesis mostly deals with the manufacturing process and technology of TS batteries.

Materials and battery management systems have also been introduced. The battery test-

ing system was old and software outdated; therefore they were not used for the re-

search.

Key words

lithium, lithium-ion battery, battery manufacturer

KÄYTETYT LYHENTEET

EB European Batteries Oy

FEVT Finnish Electric Vehicle Technologies

BAT Best Available Techniques

CCS Cell Control System

BMS Battery Management System

TS Thunder Sky Battery Ltd

LCP Litium-kobolttioksidi

LMP Litium-mangaanioksidi

LFP Litium-rautafosfaatti

TS Thunder Sky Battery Ltd

NiMH Nikkelimetallihybridi

Ah Ampeeritunti

TIIVISTELMÄ

ABSTRACT

SISÄLLYS

1 JOHDANTO 1

2 YLEISTÄ 3

2.1 Keliber Oy 3

2.2 Litium 4

2.3 Litiumin käyttö 5

3 LITIUM-IONIAKKU 8

3.1 Yleistä 8

3.2 Litium-ioniakun toimintaperiaate 8

3.3 Akun muodot ja rakenne 10

3.4 Edut ja heikkoudet 12

4 LITIUMIONIAKKUTEKNIIKKA 14

4.1 Thunder Sky Battery Ltd (TS) 14

4.2 Akunhallintajärjestelmät 15

5 LITIUMIONIAKUN KOOSTUMUS 17

5.1 Akkukotelo 17

5.2 Terminaalit 17

5.3 Elektrodit 18

5.4 Pinnoitteet 18

5.5 Elektrolyytti 19

5.6 Erottimet 20

6 LITIUMIONIAKUN VALMISTUS 21

6.1 Kiinan tehtaan tuotantoprosessin yleiskuvaus 21

6.2 Tuotantoprosessi 21

7 POHDINTA 29

LÄHTEET 31

LIITTEET

LIITE 1. TS:n tuote-esite

LIITE 2. TS:n valmistamien akkujen koostumus

LIITE 3. TS:n prosessikaavio

1

1 JOHDANTO

Akkuteollisuus on kasvamassa tulevaisuudessa paljon muun muassa hybridiautojen tultua

markkinoille. Ilmaston muutos vauhdittaa asiaa, ja öljyn ja hiilen käyttö vähenevät tule-

vaisuudessa, mikä edistää sähköautojen kehitystä. Hybridiautot käyttävät polttomoottorin

lisäksi sähkömoottoria, ja litiumioniakut sopivat hyvin käytettäviksi ominaisuuksiensa

puolesta verrattuna moniin muihin akkutyyppeihin. Litiumin energiatiheys on varsin suuri,

ja se on kevein metalli. Se on ominaisuuksiltaan parempi kuin muun muassa nikkeliakku,

jota on aikanaan jo kokeiltu sähköautoissa, mutta joka on haudattu ongelmiensa vuoksi

polttomoottorin vallattua silloisen maailman. Lisäksi litiumioniakku on nykyisin ympäris-

töystävällinen, taloudellinen ja akunhallintajärjestemien vuoksi myös turvallinen.

Akun tehtävänä on varastoida mahdollisimman paljon energiaa ja ladattaessa siirtää se

myös nopeasti. Tämä on ollut ongelma, jota ei aiemmin ole saatu ratkaistua, mutta litium-

ioniakkujen avulla saattaa sekin ongelma olla ratkaistu. Kysynnän kasvaessa tulevaisuu-

dessa ja tuotannon laajetessa myös akkujen hinnat tulevat putoamaan nykyisestä huomatta-

vasti. Thunder Sky on maailman johtava yli 200 ampeeritunnin kokoisten akkujen valmis-

taja.

Suuritehoisten litiumioniakkujen valmistus Suomessakin voisi olla kannattavaa kysynnän

kasvamisen ja hyvän tehokkaan tuotannon sekä laatutekijöiden vuoksi. European Batteries

Oy on jo rakentamassa Varkauteen suuritehoisia litiumioniakkuja valmistavaa tuotantolai-

tosta, joka on tarkoitus käynnistää keväällä 2009.

Tämän opinnäytetyön tarkoituksena oli selvittää litiumioniakun valmistusta ja tuotantopro-

sessia. Työssä oli tarkoitus selvittää erityisesti suuritehoisten litiumioniakkujen valmistus-

ta. Näiden akkujen käyttö kasvaa tulevaisuudessa voimakkaasti erityisesti hybridi- ja säh-

köautojen kasvavan suosion vuoksi. Lisäksi tavoitteena oli selvittää Arbin BT-2043-

akuntestauslaitteen toimintaa ja tehdä mahdollisesti joitain testejä.

Työssä perehdytään pääasiassa suuritehoisten litiumioniakkujen toimintaan ja valmistuk-

seen sekä käydään läpi litiumioniakkutekniikka. Lisäksi selvitetään akun koostumusta ja

2

käytettäviä materiaaleja. Työ tehdään Keski-Pohjanmaalla toimivalle kaivosyhtiö Keliber

Oy:lle, jolla on kolmen eri litiumesiintymän kaivosoikeudet. Sen tarkoituksena on aloittaa

litiumin tuotanto vuoden 2010 tienoilla päätuotteenaan litiumkarbonaatti (Li2CO3).

3

2 YLEISTÄ

2.1 Keliber Oy

Keliber Oy on Keski-Pohjanmaalla toimiva kaivosyhtiö, joka on osa norjalaista Nordic

Mining Groupia. Yhtiön omistus koostuu norjalaisen kaivosyhtiön Nordic Mining ASA:n

(68 %) ja suomalaisten yksityishenkilöiden (32 %) omistuksesta. Yhtiö perustettiin kai-

vosalan tutkimus- ja kehitysyhtiöksi ja muutettiin vuonna 2006 kaivosyhtiöksi. Yhtiön

hallussa on kolmen eri litiumesiintymän kaivosoikeudet. Keliber Oy on kehittänyt tuotan-

toprosessin, joka mahdollistaa kilpailukykyisen tuotannon, ja tuotannon on tarkoitus alkaa

vuonna 2010 päätuotteenaan litiumkarbonaatti. (Keliber 2008a.)

Tutkimus akkukemikaalien valmistamisesta litiumkarbonaatista on parhaillaan käynnissä.

Projektin osapuolina ovat Tekes ja Oulun yliopisto. Yrityksistä mukana ovat Nordic Mi-

ning ASA, Keliber Oy, OMG Kokkola Chemicals Oy ja Akkuser Oy. Yleisenä tavoitteena

projektilla on edistää uuden kaivos- ja kemianteollisuuden syntymistä Suomeen. Teknolo-

gisena tavoitteena on löytää litiumkarbonaatille uusia jatkojalostusreittejä litiumakkukemi-

kaalituotannossa. Tavoitteena on myös hankkia ja omaksua tietoa litiumakkukemikaalien

materiaalikemiasta, valmistusteknologioista, karakterisoinnista ja testaamisesta. (Chydeni-

us 2008.)

Keliber Oy käyttää BAT-tekniikkaa (Best Available Techniques), joka tarkoittaa tehok-

kainta ja kehittyneintä tekniikkaa taloudellisesti, teknisesti ja ympäristöystävällisesti. Pro-

sessiin tuleva kiviaines voidaan hyödyntää varsin tehokkaasti, sillä 85–95 % aineksesta

saadaan talteen hyvien sivutuotteiden ansiosta. Prosessi puolestaan koostuu louhinnasta,

murskauksesta, jauhatuksesta, rikastuksesta, kiderakenteen muutoksesta ja liuotuksesta.

Tuotantokustannuksia voidaan huomattavasti pienentää biokaasun avulla. (Keliber 2008b.)

Litiumin tuotantoprosessi on esitetty kuviossa 1.

4

KUVIO 1. Keliber Oy:n tuotantoprosessi (Keliber 2008b.)

2.2 Litium

Litium kuuluu alkalimetalleihin ja on erittäin reaktiivinen sekä reagoi kiivaasti muun mu-

assa veden ja ilman kanssa. Litium on ominaisuuksiltaaan varsin hyvä metalli akkuteolli-

suuden käyttöön, koska se on kevein metalli. Lisäksi sen energiatiheys on varsin suuri ja

sillä on suuri pelkistyspotentiaali. Tämä on hyvä ominaisuus autoteollisuuden siirtyessä

palvelemaan yhä enemmän hybridiautoilua ja tulevaisuudessa ehkä jopa kokonaan sähköllä

toimivia autoja. Ilmastonmuutos vauhdittaa tätä prosessia ja antaa uskoa kehittää litiumak-

kutekniikkaa tulevaisuudessa. (Keliber 2008b; Kaivosseminaari 2007a.)

Litiumkemikaalit valmistetaan nykyisin suurimmalta osaltaan suolajärvistä peräisin olevis-

ta raaka-aineista, ja niitä valmistetaan teollisesti jo yli 80 erilaista. Litium- mineraaleja

ovat spodumeeni, petaliitti ja lepidoliittirikasteet, jotka esiintyvät kallioperän pegmatiiteis-

sa. Litiumkemikaalien kolme päätuottajaa ovat SQM Chilessä, Chemetall Chilessä ja

5

USA:ssa sekä FMC Lithium Argentiinassa. Salar de Atacaman suolajärvi Chilessä on tär-

kein litiumin lähde maailmassa. Muun muassa Brasiliassa ja Kiinassa tuotetaan litiumke-

mikaaleja spodumeenista. Litiummineraalien kolme päätuottajaa ovat Sons of Gwalia

Australiassa, Tanco Kanadassa ja Bikita Minerals Zimbabwessa. Muita pienempiä tuotta-

jia ovat Brasilia ja Portugali. (Kaivosseminaari 2007a.)

2.3 Litiumin käyttö

Litiumakkuja on tutkittu jo 1970-luvulta lähtien, mutta aluksi metalliseen litiumiin perus-

tuneet versiot kärsivät huonosta uudelleenvarauskyvystä. 1980-luvulla päädyttiin litiumio-

nitekniikkaan tutkimalla hiilipohjaisia elektrodeja. Ensimmäiset litium-ioniakkujen ener-

giatiheydet olivat 90 Wh/kg, ja vuosituhannen vaihteessa ne olivat jo 150 Wh/kg. Muutok-

seen ovat vaikuttaneet akun sähkökemialliseen reaktioon osallistumattomien osien keve-

neminen ja tilavuuden pieneneminen. Myös kemiallisen tehokkuuden paraneminen on

edistänyt kehitystä. (Snellman 2005a.)

Litiumin käyttö on viime vuosikymmeninä lisääntynyt huomattavasti ja litiumille on löy-

detty uusia käyttökohteita. Aiemmin litiumin suurimmat käyttöalueet ovat olleet lasi- ja

keramianteollisuus, voiteluaineet ja rasvat sekä alumiinin ja synteettisen kumin valmistus.

Akku- ja paristoteollisuus on kasvanut 1990-luvulta lähes nollasta nykyiseen noin 20 %:iin

kaikesta litiumin käytöstä. Käytön onkin ennustettu kasvavan erityisesti ladattavien litium-

ioniakkujen takia voimakkaasti, kuten (kuvio 2) litiumin käytön kasvuennusteesta voidaan

havaita. (Keliber 2008c.)

6

Li2CO3

t / a

KUVIO 2. Litiumkarbonaatin ennustettu käytön kasvu eri teollisuuden aloilla. (Kaivosse-

minaari 2007b.)

Litiumia ei ole aiemmin käytetty auton akuissa epävarmuustekijöiden takia, mutta tulevai-

suudessa litiumioniakku on syrjäyttämässä perinteisesti sähköautoissa käytetyn nikkelime-

tallihydridiakun parempien ominaisuuksiensa ja kehitystyön takia. Metallihydridiakut an-

tavat kaksi kertaa enemmän sähköä kuin lyijyakut, kun taas litiumakut antavat kaksi kertaa

enemmän kuin nikkeliakut. Lisäksi se antaa suuremman jännitteen kuin muut vastaavat

akut, ja näin myös energiamäärä kasvaa. Nikkeliakkua joudutaan purkamaan ja lataamaan

säännöllisin välein muisti-ilmiön takia, jotta akun kapasiteetti ei heikkenisi. Litiumakut

puolestaan saavuttavat yhden latauskerran jälkeen täyden kapasiteettinsa toisin kuin esi-

merkiksi nikkeliakut. (Rantanen 2008a; Nuutinen 2007, 21.) Kuviosssa 3 nähdään vertailua

eri energiatiheysominaisuuksista kolmen eri litiumionikemian ja perinteisten lyijyn, nikke-

likadmiumin ja nikkelimetallihydridin välillä.

0

100000

200000

300000

400000

500000

600000

700000

800000

900000

1000000

2006 2010 2015 2020

Min

Max

7

KUVIO 3. Erilaisten akkujen energiatiheysarvoja (Superbpower 2008.)

8

3 LITIUMIONIAKKU

3.1 Yleistä

Jotta akku on täydellinen, sillä tulee olla mahdollisimman suuri varauskapasiteetti, nopea

ladattavuus ja pieni koko. Lisäksi sen tulisi olla kohtuullisen edullinen ja sen pitäisi kestää

useita vuosia.

Akku on sähkökemiallisen energian varastointijärjestelmä. Se muuntaa sähkökemiallisessa

reaktiossa kemiallista energiaa sähköenergiaksi, jota mitataan wattitunteina (Wh). Akku

sisältää tavallisesti useita kennoja, joiden perusrakenne on hyvin yksinkertainen. Kennossa

kaksi elektrodia on upotettu elektrolyyttiliuokseen. Kun elektrodien välille kytketään

kuormaksi ulkoinen resistanssi, käynnistyy akun sähkökemiallinen reaktio ja virta alkaa

kulkea kuorman kautta. (Snellman 2005a.)

Ladattavien akkujen varaaminen taas perustuu käänteiseen sähkökemialliseen reaktioon,

jossa purkautunut akku varataan sähkövirran avulla uudelleen. Akkujen vertailussa käyte-

tään usein tunnuslukuina energiaa massa- tai tilavuusyksikköä kohti (Wh/kg, Wh/l), tehoa

massayksikköä kohti (W/kg) sekä purkau-latausjaksojen maksimimäärää, joka samalla

sanelee akun käyttöiän. (Snellman 2005a.)

3.2 Litiumioniakun toimintaperiaate

Litiumioniakku varastoi energian litiumionien muodossa. Elektrodien välillä tapahtuvan

Li-ionien liikkeen avulla energia voidaan muuntaa sähkövirraksi. Litiumioniakku koostuu

yleensä huokoisesta grafiittianodimateriaalista, johon on sekoitettu litium-metallia ja johon

elektrolyyttissä olevat litiumionit varastoituvat. Katodimateriaaleina voi toimia muun mu-

assa huokoinen metallioksidimateriaali, kuten esimerkiksi litiumkobolttioksidi (LiCoO2),

litiummangaanioksidi (LiMnO2) tai kobolttinikkelioksidi (LiCoNiO2). Elektrolyyttinä käy-

tetään vedettömiä seoksia litiumin reaktiokyvyn vuoksi. Lisäksi sen tulee johtaa hyvin io-

neja ja sen on säilytettävä nestemäinen olomuoto koko toimintalämpöalueella. Elektrolyyt-

9

tinä voi toimia esimerkiksi litiumheksafluorifosfaatti (LiPF6). (Snellman 2005a; Nuutinen

2007, 21–22.)

Kun ladattu akku kytketään kuormaan, litiumionit siirtyvät elektrolyytin välityksellä ano-

dilta katodille. Tämä mahdollistaa elektronien irtoamisen anodilta, jolloin ne luovuttavat

virtaa ulkoiselle laitteelle. Kuviossa 4 on esitetty tämä litiumionikennon toimintaperiaate.

Anodi on litiumilla saostettua grafiittia, katodi yleensä metallioksidia, negatiivinen virran-

keräyslevy kuparia ja positiivinen virrankeräyslevy alumiinia. Isompiin akkuihin mahtuu

enemmän litiumioneja, jolloin myös akun kapasiteetti ja tehokkuus kasvavat, kun elektro-

dipinta-ala kasvaa. Latauksessa prosessi tapahtuu päinvastoin. (Snellman 2005a; Nuutinen

2007, 21–22.)

KUVIO 4. Litiumionikennon toimintaperiaate (Snellman 2005a.)

10

3.3 Akun muodot ja rakenne

Litiumioniakun rakenteen tulee olla kestävä ja helppo valmistaa. Rakenteen täytyy pysyä

hyvin koossa, ja lämmön tulee päästä helposti ulos, mikä on erityisen tärkeää hybridiau-

toissa. Pieni massa on etuna muihin akkutyyppeihin verrattuna. (Vuorilehto 2008.)

Tyypilliset litiumioniakkujen muodot ja rakenteet on esitetty kuvioissa. Kuviossa 5 näh-

dään yleisrakenne halkaistusta sylinterin muotoisesta akusta. Pinoamisjärjestys koostuu

seuraavasti: positiivinen elektrodi, erotin, negatiivinen elektrodi, erotin, positiivinen elekt-

rodi jne. Ylhäällä ovat positiivinen terminaali, tiiviste, eriste, virran purkuaukko ja pohjalla

eriste.

KUVIO 5. Sylinterin muotoinen akku ja sen rakenne (Airship 2009.)

Kuviossa 6 on elliptisen muotoinen akku, joka on yleisesti käytössä esimerkiksi känny-

köissä. Katodin pinnoitemateriaalina käytetään litiumferriittiä (LiFePO4). Kuviosta näh-

dään myös litiumioniakun toimintaperiaate.

11

KUVIO 6. Elliptisen muotoinen akku. (Vuorilehto 2008.)

Kuviossa 7 nähdään tyypillinen sähköautoissa käytetty akkutyyppi. Liitteessä 1 nähdään

tuote-esite kyseisestä akusta.

KUVIO 7. Särmiön muotoinen akku (ThunderSky 2009.)

12

3.4 Edut ja heikkoudet

Litium on tunnetuista metalleista kevein, ja sen energiatiheys (Wh/kg) on varsin suuri ver-

rattuna muihin akkutyyppeihin. Litiumioniakulla voidaan helposti toteuttaa yksikennoisia

ratkaisuja muun muassa puhelimien akkuihin, sillä sen kennojännite (3,6 V) on kolme ker-

taa suurempi esimerkiksi nikkeliakkuihin verrattuna. Suurena etuna on myös niin sanotun

muisti-ilmiön puuttuminen. Muisti-ilmiö aiheuttaa muun muassa nikkeliakkujen täyden

purun ja lataamisen sännöllisesti, jottei akkujen kapasiteetti heikkenisi. Litiumakkujen it-

sepurkautuminen on myös verrattain vähäistä muihin vastaaviin akkuihin verrattaessa.

(Snellman 2005a; Nuutinen 2007, 21.)

Pisimpään käytössä olleet litium-kobolttiakut eivät ole täysin stabiileja, mikä voi aiheuttaa

akun lämpötilan äkillistä kasvamista. Jos akun lämpötila nousee liian korkeaksi voi katodi-

pinnoite alkaa käyttäytyä epästabiilisti, mikä johtaa akun räjähtämiseen. Ongelma voidaan

kuitenkin poistaa akunhallintajärjestelmällä. Mangaaniakuilla on parempi stabiilisuus kuin

kobolttiakuilla, mutta tämänkin tekniikan on osoitettu käyttäytyvän korkeissa lämpötiloissa

epästabiilisti. Uusin markkinoille tullut litiumioniakuissa käytetty katodipinnoitemateriaali

on ferriittipinnoite, joka on todistettavasti huomattavasti mangaani- ja kobolttioksidipin-

noitteita stabiilimpi materiaali. (Snellman 2005a; Nuutinen 2007, 21–22.)

Litiumioniakun latauskäyrät nähdään kuviosta 8. Ensimmäisessä vaiheessa latausvirta nos-

tetaan niin suureksi, että kennojännete nousee maksimiin (4,2 V). Toisessa vaiheessa la-

tausvirta laskee, kunnes kenno saavuttaa maksimaalisen varaustason. Kolmannessa vai-

heessa latausvirta katkaistaan, kun se on pienentynyt alle kolmeen prosenttiin nimellisvir-

rasta. Eräät laturit kytkevät kennoon vielä ajottaisen ylläpitovirran. (Snellman 2005a; Nuu-

tinen 2007, 21–22.)

13

KUVIO 8. Litiumioniakun tyypillinen latauskäyrä (Snellman 2005a.)

14

4 LITIUMIONIAKKUTEKNIIKKA

Thunder Sky Battery Ltd (TS) on maailman johtava suurikapasiteettisten (>200 Ah) litium-

ioniakkujen valmistaja. Yhteistyössä TS:n kanssa toimii FEVT (Finnish Electric Vehicle

Technologies), ja nämä yhdessä kehittävät litiumioniakkuja ja niihin sopivia akunhallinta-

järjestelmiä. Akunhallintajärjestelmien tarkoituksena on taata akun käyttöturvallisuus sekä

hallita akun purkua ja latausta. Lisäksi myös akkujen käyttöikä pitenee ja ominaisuudet

paranevat. Yhteistyössä FEVT:n kanssa toimii myös Varkaudessa keväällä 2009 aloittava

suurikapasiteettisten (>200 Ah) akkujen valmistaja European Batteries Oy (EB). FEVT

toimittaa EB:lle sen kehittämän ja patentoiman akkujen ohjaus- ja hallintajärjestelmän

(CCS, Cell Control System). Näitä suurikapasiteettisten akkujen valmistajia on maailmassa

tällä hetkellä vain muutamia. (Fevt 2008; Nuutinen 2007, 11–12.)

4.1 Thunder Sky Battery Ltd (TS)

Thunder Sky Battery Ltd (TS) on kiinalainen litiumioniakkuja kehittävä ja valmistava yri-

tys, joka perustettiin vuonna 1998. Winston Chung toimii teknologian ja tuotannon pääke-

hittäjänä ja on kehittänyt ja keksinyt tekniikan suurikokoisten litiumioniakkujen tuotannos-

sa. Suurin TS:n valmistama akku on kapasiteetiltaan 10 000 Ah. TS:n käyttämä tuotanto-

prosessi kattaa ISO 9001:n laatustandardi- ja 14001:n ympäristöstandardivaatimukset.

TS:n käyttämät katodipinnoitteiden pääkomponentit ovat litiumkobolttioksidi (LCP), liti-

ummangaanioksidi (LMP) tai litiumrautafosfaatti (LFP). Pääkomponenttien lisäksi käyte-

tään muun muassa kromia ja fluoria. Lisäksi akut sisältävät muitakin materiaaleja, jotka

ovat valmistajakohtaisia. (Nuutinen 2007, 11–12.)

Liitteessä 2 on esitetty edellä mainittujen TS:n valmistamien akkujen koostumus painopro-

sentteina (Thundersky 2009). TS valmistaa lieriön ja särmiön muotoisia akkuja. Särmiön

muotoisissa akuissa terminaalit sijaitsevat päällä, mutta lieriön muotoisissa toinen termi-

naali on akun päällä ja toinen pohjassa. Akkujen muodot vaikuttavat akun rakenteeseen,

mutta sillä ole vaikutusta akun toimintaan. TS valmistaa myös akkuihin sopivia akunhallin-

tajärjestelmiä, mutta ne eivät paranna akkujen ominaisuuksia tai pitkäkestoisuutta, vaan

15

estävät akkujen ylikuumenemisen toimien turvallisuustekijänä. Tämän vuoksi TS on kiin-

nostunut yhteistyöstä FEVT:n kanssa. (Nuutinen 2007,13.)

4.2 Akunhallintajärjestelmät

Akunhallintajärjestelmä pitää jännitteen ja virran arvot halutulla tasolla ja hallitsee akun

purkua ja lataamista. Akunhallintajärjestelmän avulla akku on stabiilimpi ja sen elinikää

voidaan pidentää. Lisäksi akusta saadaan hetkellisesti suurempaa virtaa jolloin tehokkuus

paranee. Suomalainen litiumpohjaisten akkukennojen elektronisten ohjaus- ja hallintajär-

jestelmien kehittäjä ja valmistaja on FEVT. Näihin viitataan lyhenteillä BMS tai CCS

(Battery Management System ja Cell Control System). Yrityksen päämääränä on kehittää

menetelmiä, jotka auttavat sähkökäyttöisten kulkuneuvojen ja laitteiden käyttöönottoa ja

kehitystä energiataloudelliseen ja ympäristöystävälliseen suuntaan. Erona FEVT:n ja kil-

pailijoiden välillä on se, että FEVT:n akunhallintajärjestelmään voidaan vaikuttaa myös

myöhemmin akun käyttöönoton jälkeen, kun taas kilpailijoiden järjestelmät toimivat vain

etukäteen asennettujen tietojen perusteella. Lisäksi se kontrolloi eri tavalla akun purkua ja

latausta sen mukaan missä kunnossa akku on. (Nuutinen 2007, 15–16.) Kuviossa 9 on esi-

tetty CCS-piirilevy, joka on FEVT:n valmistama. Kuvasta näkee selvästi kontaktipinnat

joilla akun ja CCS:n piirilevyn kiinnittäminen toisiinsa tapahtuu.

16

’

KUVIO 9. Akun terminaalien päälle kiinnitettävä CCS-piirilevy (Nuutinen 2007, 15–16.)

Vain lititumioniakut tarvitsevat akunhallintajärjestelmiä turvallisuuden vuoksi. Muilla

akuilla, kuten esimerkiksi lyijyakulla, akunhallintajärjestelmän avulla voitaisiin pidentää

akun elinikää, mutta se ei ole kannattavaa lyijyakun edullisuuden takia. Lisäksi akunhallin-

tajärjestelmän kehittäminen ja valmistaminen on varsin vaikea prosessi. Akkutyyppi, koko

ja käytetty akkutekniikka vaikuttavat akunhallintajärjestelmän rakenteeseen ja asetuksiin.

Akunhallintajärjestelmissä käytetyt komponentit ja ohjelmoinnin taso vaikuttavat järjes-

telmien tehokkuuteen ja hintoihin. Lisäksi myös suojapiirien tasossa on eroja, mistä osit-

tain johtuvat halpojen kännykän akkujen vahingot. (Nuutinen 2007, 17.)

17

5 LITIUMIONIAKUN KOOSTUMUS

Akun rakenne koostuu kuudesta eri osasta: kotelo, terminaalit, elektrodit, pinnoitteet, elekt-

rolyytti ja erottimet. (Nuutinen 2007, 28.) Seuraavaksi käsitellään materiaaleilta vaadittavat

ominaisuudet ja TS:n akuissa käytettävät materiaalit.

5.1 Akkukotelo

Kotelon pitää olla kovaa ja sitkeää materiaalia, joka kestää koviakin iskuja. Esimerkiksi

latauksen aikana akku voi laajeta, mikä kotelon pitäisi kestää rikkoutumatta. Muita vaati-

muksia on kotelomateriaalin keveys, jotta akun energia-painosuhde pysyisi hyvänä. Kote-

lomateriaalin pitää olla myös sellaista, että se ei vaikuta kennoissa tapahtuviin reaktioihin.

Ajoneuvoissa käytetään yleensä kartion mallisia akkuja, ja ne on yleensä asennettu vierek-

käin, sillä ne vievät paljon vähemmän tilaa kuin sylinterin malliset akut. Kotelon valmis-

tuksessa tulee ottaa huomioon, että näiden vierekkäin olevien akkujen väleihin jäisi pienet

ilmaraot lämpötilan takia. (Nuutinen 2007, 22.)

TS käyttämä kotelomateriaali on polypropeenia. Muitakin mahdollisia kotelomateriaaleja

on olemassa, mutta ominaisuuksiensa puolesta kovat muovit ovat parhaita, koska ne ovat

kevyitä, eivät vaikuta akussa tapahtuviin reaktioihin ja ovat edullisia valmistaa. (Nuutinen

2007, 28.)

5.2 Terminaalit

Terminaalit toimivat akuissa sähkonjohteena akun ulkopuolelle. Akun sisällä ne kosketta-

vat elektrodeja ja ulkopuolella terästä, joten terminaalimateriaali ei saa aiheuttaa galvaanis-

ta korroosiota kosketuksessa teräksen kanssa. Terminaalien tulee johtaa mahdollisimman

paljon virtaa ylikuumenematta itse. Mikäli ylikuumenemista tapahtuu, ne kuumentavat

elektrodit. Tätä voidaan estää suurentamalla kosketuspinta-aloja, jolloin virrantiheyttä saa-

daan pienemmäksi. Terminaalien riittävä kovuus takaa sen, että kierteet pysyvät ehjinä,

kun ruuveja kiinnitetään akkuihin. Terminaalien kovuuden tulisi myös olla riittävä, jottei-

18

vät niiden kierteet murtuisi liian helposti kiinnitettäessä ruuveja akkuihin. (Nuutinen 2007,

22–23.)

Nykyisin molemmat terminaalit on tehty alumiinista, kun taas aikaisemmin katoditermi-

naalien materiaalina käytettiin elektrodien tapaan puhdasta kuparia. Mutterien ja pulttien

valmistusmateriaalina on ruostumaton teräs. (Nuutinen 2007, 28.)

5.3 Elektrodit

Suurikokoinen pinta-ala elektrodeilla parantaa virrananto- ja vastaanottokykyä. Pinta-alan

suurennus voidaan tehdä elektrodiparien määrän kasvattamisella akussa tai niiden koon

suurentamisella. Tämä lisää akkujen hetkellistä virran vastaanotto- ja luovutuskykyä. Tu-

levaisuudessa ovat käyttöön tulossa myös tähän liittyvät nanoteknologiaan perustuvat liti-

umioniakut, joiden avulla pinta-ala voidaan saada 100-kertaiseksi nanoteknologian avulla.

Teho ja kapasiteetti saadaan tämän ansiosta moninkertaiseksi ja akkuja voidaan myös pie-

nentää oleellisesti. (Nuutinen 2007, 23.)

Anodin elektrodimateriaalina on puhdas kupari ja katodin elektrodimateriaalina puolestaan

alumiiniseos. Elektrodimateriaalit eivät saa osallistua elektrolyytin ja pinnoitteiden välillä

tapahtuviin kemiallisiin reaktioihin ollenkaan, vaan ne toimivat akuissa virrankerääjinä ja

johtimina. Kupari ja alumiini ovat hyviä materiaaleja elektrodeiksi, koska ne kestävät hy-

vin korroosiota ja johtavat hyvin sähköä. (Nuutinen 2007, 28.)

5.4 Pinnoitteet

Kennojännite määräytyy hapetus- ja pelkistysreaktioiden potentiaalierosta kyseisessä elekt-

rolyytissä. Elektrolyytin koostumus ja käytetty pinnoitemateriaali määräävät kennoissa

tapahtuvat reaktiot. Sama periaate on kuitenkin kaikilla pinnoitemateriaaleilla. Akun pu-

russa anodi luovuttaa litiumioneja, jotka elektrolyytin välityksellä siirtyvät katodille. (Nuu-

tinen 2007, 24–25.)

19

Yleinen katodipinnoitemateriaali on litiumkobolttioksidi, joka on yksi tehokkaimmista

koska sitä on kehitetty jo kauan. Lisäksi se on suhteellisen kallis materiaali ja myös myr-

kyllinen. (Vuorilehto 2008.) Turvallisuuden kehittäminen on ollut yksi tärkeimmistä sei-

koista pinnoitemateriaalien kehityksessä, sillä litiumkobolttioksidi ei ole täysin stabiili

korkeissa lämpötiloissa. Sama koskee myös litium-mangaanioksidia (LiMnO2) ja kobolt-

tinikkelioksidia (LiCoNiO2) jotka eivät ole pystyneet syrjäyttämään kobolttioksidia kato-

dimateriaalina. (Nuutinen 2007, 25.)

Stabiilimpi pinnoitemateriaali on puolestaan litiumferriitti (LiFePO4), joka on fosfaattipoh-

jainen pinnoite, jonka kehitykseen tulevaisuudessa uskotaan. Hyvänä puolena ovat nopeat

lataus- ja purkuominaisuudet, mutta jännite on vastaavasti 3,2 V. (Vuorilehto 2008.) Te-

hokkaampia litiumvanadiumpinnoitteita on myös kehitteillä, mutta ne ovat epästabiilimpia

kuin ferriittipinnoitteet. Lisäksi vanadium on varsin myrkyllistä, mistä saattaa aiheutua

vaaraa esimerkiksi valmistus- ja kierrätysvaiheissa. Anodin pinnoitemateriaalina on grafiit-

tipinta. Anodimateriaali ei ole turvallisuuden takia yhtä merkittävä kuin katodimateriaali.

Sen kestävyys vaikuttaa kuitenkin merkittävästi akun käyttöikään. Anodimateriaalin kulu-

misen myötä akun kapasiteetti pienenee ja käyttöikä lyhenee. (Nuutinen 2007, 25–26.)

Katodinpinnoitemateriaalin koostumukset TS:n prosessissa ovat seuraavat:

LFB: , rauta, fosfaatti, fluori (LiFePO4F).

LMB: litium, koboltti, mangaani, fluori (LiCoMn2F).

LCB: litium, koboltti, nikkeli, mangaani, fluori (LiCoNiO2Mn2O4F).

TS:n prosessissa anodin pinnoitemateriaalina puolestaan käytetään hiiltä/grafiittia ja nano-

selluloosaa. (Nuutinen 2007, 29.)

5.5 Elektrolyytti

Elektrolyytti johtaa varautuneita litiumioneja kennossa ja estää samalla elektronien kulkeu-

tumisen elektrodilta toiselle akun sisällä. Elektronien kulkeutuminen elektrodilta toiselle

tapahtuu akun ulkopuolisia reittejä pitkin. Akun itsepurkautuminen aiheutuu siitä, että

elektrolyytti ei pysty estämään kaikkien elektronien siirtymistä elektrodien välillä. Elektro-

lyytin johtokykyyn ja sisäiseen resistanssiin voidaan vaikuttaa erilaisten aineiden avulla.

Lisäksi esimerkiksi akun lämpötilan noustessa resistanssi pienenee ja akku pystyy luovut-

20

tamaan enemmän virtaa. Akkua ladattaessa elektrolyytissä olevat vapaat litium-ionit siirty-

vät katodilta anodille, ja purettaessa vapaat ionit paikkaavat elektronien aiheuttamia vara-

uksia katodipinnoitteella. Akun tyhjentyessä vapaat ionit loppuvat elektrolyytistä ja anodi-

pinnoitteelta. Reaktion jatkumisen estämiseksi on kehitetty akunhallintajärjestelmät estä-

mään akun täydellinen purkautuminen, joka saattaa aiheuttaa elektrodien vaurioitumisen.

(Nuutinen 2007, 25–27.)

Elektrolyytti koostuu orgaanisista liuoksista, kuten etyylikarbonaatista, dietyylikarbonaa-

tista, etyyliasetaatista ja dimetyylikarbonaatista. Lisäksi elektrolyytti sisältää litiumheksa-

fluorifosfaattia (LiPF6). Elektrolyytti on orgaaninen happoliuos, johon on liuotettu litium-

suoloja, ja se on syttymisherkkää ainetta. Se ei saa sisältää vettä, koska litium reagoi voi-

makkaasti veden kanssa. (Nuutinen 2007, 28.)

5.6 Erottimet

Erottimien tehtävänä on erottaa positiiviset ja negatiiviset elektrodit toisistaan, mutta kui-

tenkin päästää litiumionit läpi. Sen tulisi olla ohut, jotta se ei veisi turhaa tilaa akussa. Li-

säksi sen tulisi olla kestävä elektrodien pinnoitteille muodostuvien epätasaisuuksien vuok-

si. Nämä ominaisuudet tulee säilyttää myös korkeammissa lämpötiloissa. Erottimien mate-

riaalina voi olla esimerkiksi nylon, lasikuitukangas, polyeteeni tai polypropeeni. (Nuutinen

2007, 28–30.)

21

6 LITIUMIONIAKUN VALMISTUS

Thunder Sky Battery Ltd (TS) on maailman johtava suurikapasiteettisten (>200 Ah) litium-

ioniakkujen valmistaja. (TS) on kiinalainen litiumioniakkuja kehittävä ja valmistava yritys,

joka perustettiin vuonna 1998. Winston Chung toimii teknologian ja tuotannon pääkehittä-

jänä ja on kehittänyt ja keksinyt tekniikan suurikokoisten litiumioniakkujen tuotannossa.

Seuraavaksi kaydään läpi TS:n käyttämä tuotantoprosessi. Liitteessä 3 on esitetty tuotanto-

prosessikaavio.

6.1 Kiinan tehtaan tuotantoprosessin yleiskuvaus

Akkutuotantoprosessi koostuu eri komponenttien kokoamisesta ja yhdistelystä. Raaka-

aineet ja materiaalit hankitaan ulkopuolisilta valmistajilta. Akkutuotantoprosessi tehtaalla

alkaa pinnotteiden valmistamisesta ja jatkuu niiden levittämiseen metallilevyille. Sen jäl-

keen metallilevyt (elektrodilevyt), leikataan oikean kokoisiksi ja kasataan elektrodikennok-

si erottimineen. Seuraavaksi laitetaan elektrodikennot akkukoteloon, syötetään elektrolyytti

ja suljetaan kotelo, jolloin akku on valmis. Ulkopuolisesti valmis akku testataan ennen va-

rastointia ja myyntiä lataus-purkusyklillä, jonka jälkeen akku ladataan varastointikuntoon.

Kiinan tehtaalla pinnotteiden kuivausvaiheita on prosessissa kolme, sillä kosteutta on voi-

nut kertyä edellisen vaiheen aikana pinnoitetulle elektrodilevylle. (Nuutinen 2007, 49.)

Prosessin tarkempi kuvaus on esitetty luvussa 6.2.

6.2 Tuotantoprosessi

Pinnoitemateriaalin valmistus

Tarkemmat koostumukset pinnoitepulvereiden osalta ovat patentoituja, ja ne valmistetaan

TS:n omalla tehtaalla. Tehtaalla pinnoitteen valmistus tapahtuu sekoittamalla slurry mix

-laitteella pulveri, tislattu vesi ja etanoli keskenään. Molemmille pinnoitteille, sekä positii-

viselle että negatiivisille, on omat sekoittajansa. Työntekijät siirtävät pulvereita sekoittajiin

ja tyhjentävät sekoittajat pinnoitteesta sekoituksen loputtua. Käytössä olevat sekoittajat

22

pystyvät kerralla sekoittamaan 300 kg pinnoitetta, mikä kestää kolme tuntia. Sekoittajat

pestään hyvin eri pinnoitemateriaalien, kuten koboltin ja mangaanin vaihdon yhteydessä.

(Nuutinen 2007, 49–50.)

Pinnoitteen kiinnittäminen metallikalvoihin

Katodipinnoite on joko koboltti, mangaani tai ferriittipinnoite. Toiseen pinnoituslaitteeseen

syötetään katodipinnoite sekä alumiinikalvo ja toiseen anodipinnoite ja kuparikalvo. Lait-

teet levittävät pinnoiteaineen tasaisesti metallikalvoille. Ohuet kupari- ja alumiinikalvot

ovat levyjä, jotka tuodaan prosessiin rullina, joiden pituus vaihtelee 800 metristä 1600 met-

riin. Työntekijät valvovat laitteen molemmilla puolilla elektrodilevyn syöttöä ja vastaanot-

toa. (Nuutinen 2007, 49–50.)

Elektrodilevyjen kuivaus

Pinnoituslaitteiden jälkeen elektrodilevyrullat kuivataan elektrodilevykuivaimella. Tarkoi-

tus on poistaa pinnoitetuilta elektrodilevyiltä kosteus, jota on voinut siirtyä edellisen vai-

heen aikana. Yhden pinnoitetun elektrodirullan kuivattaminen kestää kahdeksan tuntia.

Käytetyt lämpötilat kuivaimessa ovat 120–160 °C.

Elektrodien puristaminen ja leikkaaminen

Seuraavassa vaiheessa elektrodilevyt puristetaan, jotta pinnoite saadaan tiiviimmäksi ja

levyt ohuemmiksi. Tämän ansiosta akkuun mahtuu enemmän elektrodilevyjä, ja siten saa-

daan suurempi kokonaispinta-ala. Lisäksi levyt leikataan oikean kokoisiksi. Tämä suorite-

taan Kiinan tehtaalla eri vaiheissa. (Nuutinen 2007, 51–52.) Kuviossa 10 on havannollistet-

tu mahdollisuutta yhdistää laitteet yhdeksi vaiheeksi.

23

KUVIO 10. Elektrodilevyjen leikkuri ja puristin yhdeksi vaiheeksi yhdistettynä (Nuutinen

2007, 52).

Anodipinnoitteen puristamiseen tarvitaan kaksi puristinta, koska se on niin paksu. Katodi-

pinnoitteen puristamiseen riittää puolestaan yksi puristin Kiinan tehtaalla. Oikeankokoisten

elektrodilevyjen lisäksi leikkuri leikkaa myös osan pinnoittamattomasta osasta, johon ter-

minaalit asennetaan. Leikatut elektrodit tippuvat kasoihin, josta ne siirretään työntekijän

voimin eteenpäin tarvitun määrän täyttyessä. (Nuutinen 2007, 51–52.) Kuviossa 11 on esi-

tetty elektrodilevy pinnoituksen jälkeen.

24

KUVIO 11. Pinnoitettu metallikalvo, jonka päällysteenä on 0,5 mm paksu pinnoite. Mitat

on arvioita 150 Ah:n kokoiselle akulle. (Nuutinen 2007, 53.)

Valmiit elektrodilevyt laitetaan pieneen puristuslaitteeseen, joka on esitetty kuviossa 12.

(Nuutinen 2007, 53.)

KUVIO 12. Elektrodilevyjen puristuslaite. (Nuutinen 2007, 53.)

Puristimella suoristetaan elektrodilevyt ja pidetään niitä paikoillaan reikien teon aikana.

(Nuutinen 2007, 54.) Kuviossa 13 on esitelty valmis levy reikien teon jälkeen.

25

KUVIO 13. Leikattu elektrodilevy, johon on tehty kontaktipinta akun terminaaleihin kiin-

nittämistä varten (Nuutinen 2007, 54.)

Pinoaminen

Seuraavassa vaiheessa pinotaan kuvion 14 mukaisesti erottimet, pinnoitetut kupari- ja alu-

miinilevyt yhdeksi sarjaan kytketyksi akkukennoksi. Kuviosta 14 nähdään järjestys: erotin,

positiivinen elektrodi, erotin, negatiivinen elektrodi, erotin ja niin edelleen. Erotin on yhte-

näinen huokoinen liuska, joka estää eletkrodien kosketuksen. Liuska kiertyy elektrodien

ympärille kuviosta nähtävällä tavalla. Nykyisin Kiinan tehtaalla on jokaisella laitteella yksi

työntekijä asettelemassa elektrodilevyjä paikalleen. Tulevaisuudessa kuitenkin siirrytään

automaattipinoajiin, jolloin työn laatu paranee. Lisäksi työstä tulee nopeampaa ja epäpuh-

tauksien siirtyminen estyy. Isoille akuille (>400 Ah) käytetään eri pinoamislaitteita kuin

pienemmille akuille. (Nuutinen 2007, 54–55.)

26

KUVIO 14. Pinoamisjärjestys akun sisällä (Nuutinen 2007, 54-55.)

Terminaalien kiinnitys

Pinoamisen tultua valmiiksi voidaan terminaalit kiinnittää kennoihin ruostumattomasta

teräksestä valmistetuilla ruuveilla kuvion 15 mukaisesti. Alumiinisten terminaalien avulla

yhdistetään kaksi pinottua kennoa. Ruuvien ja elektrodin väliin asetetaan ohut metallinen

liuska (kuparinen/alumiininen) suojaamaan elektrodia ja ruuveja galvaaniselta korroosiolta.

Kun terminaalit on kiinnitetty, viedään kennot ytimenkuivauslaitteeseen, joka poistaa kos-

teutta elektrodeista. Kuivaus kestää kaksi vuorokautta lämpötilassa 120–160 °C. (Nuutinen

2007, 55.)

27

KUVIO 15. Elektrodien kiinnittäminen toisiinsa terminaalien ja ruuvien avulla (Nuutinen

2007, 56.)

Kotelonti

Kuivatut akkukennot laitetaan käsin koteloihin, joista puuttuu enää kansi. Kansi kiinnite-

tään kotelointilaitteen ultraäänen avulla, jotta akku ei kuumenisi liikaa. Kiinnityksen yh-

teydessa on vielä viimeinen kuivaus lämpötilassa 90–110 °C. (Nuutinen 2007, 56.)

Elektrolyytin kaataminen ja korkin kiinnnitys

Elektrolyytin kaato tapahtuu käsin vetokaapeissa, sillä se sisältää elektrolyyttihappoa, joten

tehokas ilmanvaihto on tarpeen. Täytön jälkeen korkki kiinnitetään ja akku on valmis lata-

ukseen. (Nuutinen 2007, 56–57.)

28

Akun lataus ja testaus

Akkujen lataus suoritetaan kahdeksan kappaleen ryhmissä, jolloin ne ladataan pienellä

virralla. Täysiä akkuja aletaan hiljalleen purkaa tyhjäksi. Tämän aikana tietokoneet seuraa-

vat akkujen jännitearvoja ja latausvirran suuruutta. Tämän avulla saadaan selville akun

kunto ja voidaan poistaa huonokuntoiset joukosta ennen myyntiin siirtoa. Hitaan latauksen

ja purun jälkeen akut ladataan isolla virralla täyteen ja puretaan puolilleen varastointia var-

ten. Tässä vaiheessa myös testataan akun kykyä ottaa suurempia määriä virtaa vastaan.

Purkujännite vaihtelee eri tyyppien mukaan. Kobolttiakulla se on 3,0 V, rauta-akulla 2,0 V

ja mangaaniakulla 2,5 V. Akun oletetaan olevan täysi, kun jännite on 4,25 V. (Nuutinen

2007, 57.)

29

7 POHDINTA

Tämän työn tarkoituksena oli selvittää litiumioniakun valmistusta ja selvittää Arbin-BT

2043 -akuntestauslaitteen toimintaa sekä mahdollisuutta tehdä joitain akkutestejä. Päätar-

koituksena oli selvittää litiumioniakun valmistusta ja sen koostumusta.

Akuntestauslaitteisto oli seisonut tehtaalla käyttämättömänä yli kymmenen vuotta, ja sen

käyttö yksittäisiä akkutestejä varten ei ollut asiantuntijan mielestä kannattavaa tämän työn

ja resurssien puitteissa. Ohjemisto oli myös vanhentunut, ja mikäli sillä olisi testejä suori-

tettu, olisi laitevalmistajaan pitänyt olla ensimmäiseksi yhteydessä. Näin ollen sen testaus

jäi tämän työn aikana tekemättä.

Työssä käsitellään TS:n Kiinan tehtaan akkujen valmistusprosessia. Akkujen koostumus,

eri osien merkitys, käytetyt materiaalit ja prosessin yksityiskohtainen käsittely ovat työn

pääsisältöä. Lisäksi tärkeä seikka on akunhallintajärjestelmät, joiden tarkoituksena on taata

akun käyttöturvallisuus sekä hallita akun purkua ja latausta. Työn alussa on käyty läpi ylei-

siä seikkoja litiumista ja sen ominaisuuksista sekä eri akkutyypeistä. Myös litium-ioniakun

toimintaperiaate on selvitetty johdatuksena akun valmistusprosessille.

Kirjallisuutta oli vaikea käyttää työssä, sillä aiheeseen liittyvää asiatietoa ei juurikaan löy-

tynyt kirjoista. Jatkuvan kehitystyön vuoksi käytetyt menetelmät, materiaalit ja pinnoitteet

muuttuvat paljon. Hankitut tiedot eri lähteistä olivat usein myös varsin ristiriitaisia, ja nii-

den käyttöä joutui miettimään tarkkaan. Lisäksi aiheeseen oli vaikea saada tietoa yhtey-

denotoilla alan eri henkilöihin, ja monikaan ei ollut ymmärrettävistä syistä halukas niitä

antamaan.

Työssä käytettyjen tietolähteiden materiaali on kerätty TS:n tehtaalla Kiinassa seuraamalla

siellä tehtyjen litiumioniakkujen eri prosessivaiheita. Tämä akkutuotantoprosessi oli selke-

ästi parasta materiaalia tähän aiheeseen liittyen. Koko maailmassa on vain muutamia tämän

kokoluokan valmistajia.

Kiinan tuotantoprosessin eri vaiheita voisi automatisoida Suomessa, koska työvoimakus-

tannukset täällä ovat paljon korkeammat kuin Kiinassa. Lisäksi työn laatu ja osaaminen on

30

Suomessa korkeampaa luokkaa kuin Kiinassa. Samalla prosessia saisi myös yksinkertais-

taistettua ja nopeutettua, jolloin siitä tulisi tehokkaampaa ja mahdollisten virheiden määrä

vähenisi.

Akun kehittäminen ei ole aivan yksinkertainen asia. Reaktiot tapahtuvat elektrodien pin-

noilla. Jos tehdään kaksi suurta elektrodia, akkuun mahtuu paljon energiaa, mutta akusta

tuleva sähkövirta jää pieneksi. Jos taas pakataan akku täyteen ohuita katodi- ja anodilevyjä,

virta kulkee nopeasti, mutta akun energiatiheys jää pieneksi. Uusia tekniikoita akkujen

kehittämiseksi tehdään jatkuvasti. Nanoteknologian avulla voidaan kasvattaa pintaa ja te-

hoa, mutta tiettyyn tilaan mahtuva energiamäärä ei kasva.

Sähköajoneuvoihin siirtyminen tulevaisuudessa ei ole monelle kuluttajalle helppo tehtävä.

Nykyiset sähköauton harrastajat lataavat akkunsa verkkovirralla, joka kestää jopa yli

kymmenen tuntia. Tämä riittää vain muutaman tunnin ajomatkaa varten. Suomen olosuh-

teissa hybridiautoilu on ainakin aluksi toimiva ratkaisu, sillä täällä on pitkät välimatkat ja

palveluverkoston rakentaminen vie aikaa. Nykyisin ovat suunnitteilla ensimmäiset lataus-

ja akunvaihtopalvelut niihin maihin, joissa on lyhyet välimatkat.

Tässä työssä käsiteltiin pääasissa vain TS:n akunvalmistusprosessia. Tulevaisuuden mah-

dollisia opinnäytetyöaiheita voisivat olla esimerkiksi superkondensaattorien ja polttoken-

notekniikan tutkiminen.

31

LÄHTEET

Airship 2009. Cylindrical lithium ion battery. WWW-dokumentti. Saatavissa:

http://www.airshiptg.org/FWThumbnails/Cylindrical%20Lithium-ion%20Battery.bmp.

Luettu 18.1.2009.

Brain, M. 2008. How Lithium-ion Batteries Work. WWW-dokumentti. Saatavissa:

http://electronics.howstuffworks.com/lithium-ion-battery.htm: Luettu 4.3.2009.

Chydenius. 2008. Litium. WWW-dokumentti. Saatavissa:

http://www.chydenius.fi/yksikot/luonnontieteet/tutkimus/litium/view?set_language=en.

Luettu 22.12 2008.

Fevt. 2008. Lehdistötiedote. WWW-dokumentti. Saatavissa:

http://www.fevt.com/lehdist%C3%B6tiedote-2532008. Luettu 20.12.2008.

Kaivosseminaari 2007a. WWW-dokumentti.Saatavissa:

http://www.kpakk.fi/kaivosseminaari/Keliber_KAIVOS_2007.ppt. Luettu 28.12.2008.

Kaivosseminaari 2007b. WWW-dokumentti. Saatavissa:

http://www.kpakk.fi/kaivosseminaari/Keliber_KAIVOS_2007.ppt. Luettu 29.12.2008.

Keliber. 2008a. Keliber Oy. WWW-dokumentti. Saatavissa: http://www.keliber.fi. Luettu

21.12.2008.

Keliber 2008b.Prosessi.WWW-dokumentti.Saatavissa: http://www.keliber.fi/?p=process.

Luettu 21.12.2008.

Keliber2008c. Litium. WWW-dokumentti. Saatavissa: http://www.keliber.fi/?p=lithium.

Luettu 27.12.2008.

Nuutinen, M. 2007. Litium-ioniakkutehtaan tuotannon siirtäminen Kiinasta

Suomeen. Espoo: TKK:n Materiaalitekniikan osaston kirjasto.

Snellman 2005a. Akkujen monet muodot. Prosessori 4. 59.

Superbpower 2008. WWW-dokumentti. Saatavis-

sa:http://www.superbpower.net/Battery/en8.html Luettu 1.1.2009.

Rantanen 2008a. Sähköautoissa on kikkisin akku. Tiede 10. 51.

ThunderSky 2009. Sähköauton akku. WWW-dokumentti. Saatavissa: http://www.thunder-

sky.com/pdf/2009224102239.pdf. Luettu 22.2.2009.

Vuorilehto 2008. Lithium ion batteries. WWW-dokumentti. Saatavissa:

http://akseli.tekes.fi/opencms/opencms/OhjelmaPortaali/ohjelmat/Polttokennot/fi/Dokume

nttiarkis-

to/Viestinta_ja_aktivointi/Seminaarit/03122008_Transportation_and_specialty_vehicles/V

uorilehto.pdf. Luettu 10.1.2009.

LIITE 1

TS:n tuote-esite

Lähde: http://www.thunder-sky.com/pdf/2009224102239.pdf

LIITE 2

TS:n valmistamien akkujen koostumus

http://www.thunder-sky.com/technical_en.asp?id=345&typeid=81&orderby=1

LCP LFP LMP

Chemical

Element

Index

Chemical

Element

Index

Chemical

Element

Index

Fe 0.005 % Fe 42 % Fe 0.1 %

Mn 11 % P 16 % Ca 0.3 %

Mg 0.7 % Mn 0.5 % PP 3.3 %

Co 1 % Ca 0.3 % Ni 1.7 %

C 5.1 % Graphite 5 % Mn 18.6 %

Li 28 % Na 0.01% C 5.1 %

Cu 10 % C 3.1 % Li 25 %

Al 6 % Li 3.4 % Cu 10 %

PP 3.3 % PP 3.3 % Al 6 %

Graphite 7.1 % Cu 10 % Graphite 6 %

Ni 8.1 % Al 6 % PU 3.1 %

Lix 9 % Lix 8 % Lix 9 %

F 3.1 % F 3.3 % F 3.1 %

LIITE 3

TS.n prosessikaavio

Lähde: Nuutinen, M. 2007. Litium-ioniakku tehtaan tuotannon siirtäminen Kiinasta Suo-

meen.