Elektrikonservid
Heino Pedusaar
15.01.2006

Akud on seadised, millest me kõik justkui midagi – või enda arvates ka kõike – teame. Samas lükkab elu pidevalt ette näiteid, kust selgub, et teinekord ei teata ka aabitsatõdesid.

Bagdadi lähedalt on pärit jäänukid seadmest, mida päris ilmselt kasutati elektrivoolu saamiseks juba üle 2000 aasta tagasi. Savivaasis seisis vasksilinder, selle sees asfaldiga kinnitatud (isoleeritud!) raudvarras. Kui anum täita näiteks veiniäädikaga (toona käepäraseima happega), ilmus niisuguste elektroodide vahele pinge. Arvatakse, et selliseid omavahel jadasse ühendatud seadmeid kasutati esemete elektrokeemiliseks katmiseks õhukese väärismetallikihiga, niisiis galvaanimiseks… enam kui poolteist tuhat aastat enne Luigi Galvani (1737–1798) katseid "loomse elektriga", nagu ta ise ekslikult arvas. Itaalia õpetlane avastas, et metallkonksule riputatud konnakoib tuksleb (lihased tõmblevad), kui see puutub vastu mingit teist metalli.
Kümmekond aastat hiljem, 1800ndal, valmistas tema kaasmaalane Alessandro Volta juba esimese elektrivooluallika, kasutades soolalahusega immutatud papitükikeste vahel vask- ja tsinkplaadikeste paare. Volta sammas kuulus primaarsete elektrielementide hulka, sest polnud elektrivooluga taaslaetav. Kuid juba aastapäevad hiljem seadis Johann Wilhelm Ritter kokku esimese korduvkasutatava akumulaatori – välimuselt üsnagi Volta samba sarnase. Möödus pool sajandit, kui prantslane Gaston Planté esitles pliiakut. Selle tööstuslik kasutamine sai alguse alles 1880. aastast.
Mõtlejatest ja katsetajatest akude vallas puudust ei olnud. Thomas Alva Edison ja Ernst Waldemar Jungner patentisid raudnikkel- ja nikkelkaadmiumaku, kuigi viimane omandas kasutamisküpsuse alles 1948. aastal. Töö jätkus ja praegu leidub palju erinevate elektrokeemiliste süsteemidega vooluallikaid.
Tehnoarengu hõives tuli inimkonnale appi elekter ja ilmusid mitmesugused argielu hõlbustavad vahendid, kõigepealt taskulambid… koos patareidega. Esialgu olid niisugused vooluallikad ühekordselt kasutatavad – pärast keemiliselt salvestunud ressursi ammendamist ei saanud neid enam laadida. Aja möödudes ilmusid nende veerde ka akud.
Põhimõtteline aku ehitus on lihtne – kaks elektrolüüti asetatud elektroodi. Laadimisvool vallandab reaktsiooni, mis muudab nii elektroodide kui elektrolüüdi keemilist koostist. Selline "keemiline varu" ammendub varsti ja saabub hetk, kus akut ei saa enam rohkem laadida. Tühjenemisega kaasnevad laadimisele vastupidised protsessid.
Paraku ei tunta eri tüüpi akude kasutamise iseärasusi või usutakse, et säästetakse, valides odavaimad akud ja laadur. Akude mahtuvus võib ebakohase tühjendamise ja/või ülelaadimise puhul teinekord koguni pärast nappi kümmet tsüklit drastiliselt kahaneda. Samas ulatub näiteks nikkelkaadmiumakude eluiga õigel hooldamisel ja kasutamisel tuhande tsüklini.
Et akude hingeelust paremini aru saada, tuleks teada neid puudutavaid termineid ja parameetreid.

Mahtuvus
on täislaetud akust ammutatava energiakoguse füüsikaline mõõt. Ühik on ampertund (Ah) või pisiakudel milliampertund (mAh). Laetud ja töökorras aku mahtuvuse iga ampertund lubab tarbijasse juhtida näiteks üheamprilist voolu ühe tunni või vastavalt 0,25amprilist nelja tunni vältel. Laadimiseks vajatakse johtuvalt mitmesugustest kadudest nimimahtuvusega määratud (s.t tühjenemisel tagasisaadavast) energiast umbes 40% rohkem ampertunde.
Aku reaalne mahtuvus võib oluliselt erineda nimimahtuvusest, sest seda mõjutab ka tühjenemisre_iim ja ümbruse temperatuur.
Praktikas on oluline teada, et praegu elektroonikaseadmetes kasutatavate akude enamik ei taha talletatud energiast jahedas (temperatuuril alla 5 ºC) kuigi palju ära anda. Enamjaolt kahaneb reaalne mahtuvus ka koos tühjenemisvoolu suurendamisega.

Nimi- ja klemmipinge
Tehnoandmetes esitatav nimipinge oleneb aku elektrokeemilisest süsteemist, niisiis elektroodide ("plaatide") ja elektrolüüdi koostisest. Ükski aku ei paku terve tühjenemistsükli vältel täiesti püsivat pinget, täislaetul on see kõrgem ja hakkab tühjenemisel kahanema, enne kui seepeale üsna kähku nullini vajub. Samas tähendab süvatühjendamine aku lubamatut "väljaväänamist". Kui siis kohe laadimist ei järgne, võib aku rikneda.
Nii osutub nimipinge rohkem või vähem suvaliseks, eelkõige orienteerivaks parameetriks, mis ainult kirjeldab mingit keskeltläbi-väärtust. Näiteks on tavalisel pliiakul selleks 2 volti ja autoakul (kuuest jadas ühendatud kahevoldisest akuelemendist patareil) 12 volti. Laetud akult on esialgu oodata mõneti kõrgemat, 14,4 voldini küündivat klemmipinget, mis hakkab tühjenemisel peatselt langema. Nikkelkaadmium-, nagu ka nikkelmetallhüdriidaku nimipinge on 1,2 volti ja liitiumioonakudel kuni 3,6-3,8 volti.

Isetühjenemine
iseloomustab laengu iseeneslikku hääbumist teatava aja möödumisel ka juhul, kui akut ei kasutata. Näiteks isetühjenemine 1% päevas või vastavalt 30% kuus tähendab umbes kolmandiku laengu kadumist kuu ajaga. Teinekord kaob laeng ka kiiremini. Protsessi intensiivsus oleneb nii aku tüübist kui temperatuurist.
Lubatud maksimaalne tühjenemisvool saab oluliseks, kui võrdlemisi lühiajaliselt vajatakse tugevat voolu, olgu automootori käivitamisel, elektri-käsitööriistades ja fotovälgutites…

Ümberpolariseerumine
Mitmest jadalülituses elemendist koosneva akupatarei puhul võib ilmneda üksikelementide reaalsete talitlusandmete paratamatust lahknevusest tulenev ümberpolariseerumine. Kõigepealt saab tühjaks see element, mille mahtuvus on kasinam. Samas suudavad "jõulisemad" veel voolu anda, olgu kas või lühemaks ajaks ja madalamal klemmipingel. Nigelam element peab siis taluma oma naabrite voolu. Paraku toimub selline "taaslaadimine" vääras suunas ja tulemuseks on elemendi pöördumatu kahjustumine. Abi pole enam sellestki, kui patareid hakatakse jalamaid laadima.

Energiatihedus
Milliseid kriteeriume tuleks ühe või teise kasutusotstarbega sobiva aku valimisel arvestada? Kõigepealt energiatihedus, mis määrab, mitu vatt-tundi (Wh) elektrienergiat suudab aku anda massi 1 kilogrammi kohta. Kantavates pisiseadmetes see parameeter eriti oluline ei ole. Pliiakude energiatihedus on umbes 60 Wh/kg ja praegustel liitiumioonakudel 120–200 Wh/kg.

Väliskuju ja mõõtmed
Need omandavad tähtsuse eelkõige siis, kui toiteallikas peab mahtuma mõne seadme väheldasse korpusesse või ettenähtud kohta, näiteks kapotiluugi alla (on küllalt näiteid, kus ostetud aku pole hiljem mõeldud kohale mahtunudki). Juba praegu valmistatakse nii õhukesi kui paberileht ja veelgi õhemaid akusid, mida saab elektroonikaseadmes asetada vahetult konkreetse lülituselemendi juurde ja koguni varustada säästuautomaatikaga: toide lülitub sisse ainult ajaks, kui vastavat sõlme tegelikult vajatakse.

Millal millist tüüpi aku valida

Pliiaku. Üsnagi kohmakad pliiakud on praeguseni jäänud eelistatuks mootorsõidukitel, samuti statsionaarsete avariienergiaallikatena. Elektrolüüdiks on väga sööbiv väävelhappe lahus, plusselektroodiks pliidioksiid PbO2 ja negatiivseks ehe plii. Tühjendamise käigus tekib mõlemale pliisulfaat PbSO4.
Elektrolüüdi tihedus muutub koos laetusega ja sellest oleneb ka külmumistemperatuur. Täislaetud aku elektrolüüt (tihedus 1,28 g/cm3) jäätub temperatuuril –68 ºC, kuid tühjenenu (1,12 g/cm3) napilt –11 ºC juures. Nii võibki näiteks autoaku kasutamisel talvel ja lühemate sõitude puhul (sage ja tõrksam käivitamine, samuti kabiini kütteventilaatori, istmesoojendi jne kasutamine) juhtuda, et elektrit kulub rohkem kui generaator suudab laadimiseks pakkuda. Kui siis auto ööseks pakasesse jätta, võib tulemus olla üsna täbar – kolmveerandtühja aku korpus lõheneb ja elektrolüüt voolab ülessulamisel välja.
Pliiaku ei talu süvatühjendamist, mis võib selle kõlbmatuks muuta või vähemalt reaalset mahtuvust oluliselt atakeerida. Laadimist pole raske kontrollida, ülelaadimisele viitab elektrolüüdi intensiivistunud "keemine". Odavad laadurid ei lülitu paraku ise välja ja omapead jäänud aku võib kuivaks keeda. Elektrolüüdi nivoo alanemisel tuleb lisada ainult destilleeritud vett ja mitte mingil juhul väävelhapet.

Nikkelkaadmiumaku üheks elektroodiks on nikkel ja teiseks kaadmium, elektrolüüdiks kaaliumhüdroksiid. Seda kasutatakse elektrilistes tööriistades ja kantavates elektroonikaseadmetes (eriti fotovälgutites), mis vajavad lühiajaliselt tugevat voolu.
Niisugused akud tagavad tühjenemisel suhteliselt konstantse klemmipinge teatava momendini, alates millest hakkab see kiiresti kahanema. Teatavaks puuduseks on ka mäluefekt ja isetühjenemine – 1% mahtuvusest päevas, mille kompenseerimiseks tuleks selliseid akusid iga 1-2 kuu tagant järellaadida. Sisetakistus on napp ja nii võivad koguni pisikesed akuelemendid anda 50amprist lühisevoolu (ettevaatust!). Suure vooluga koormamisel (elektritööriistad, fotovälgutid) klemmipinge oluliselt ei kahane.
Aku eluiga ja reaalne mahtuvus olenevad laadimisre_iimist ja temperatuurist. Olmeseadmete odavad ja primitiivsed laadurid töötavad võrdlemisi nõrga vooluga, mis annab nimimahtuvusest olenevalt laadimisajaks tavaliselt 12–16 tundi või mõnevõrra enam. Seda tüüpi akude tühjendamist äärmise piirini tuleb igati vältida. Kui fotovälguti valmisolek aeglustub või puurmasin kaotab jõudu, ei tuleks akut enam viimse (elektri)piisani vägistada, vaid kohe laadima panna.
Peaaegu üldse pole võimsamaid tarbijaid-elektriseadmeid, mis ise jälgiksid oma toiteallika laetust ja katkestaksid voolu õigel ajal. Võib tõdeda, et digitaalkaamerad on siiski vajaliku automaatikaga varustatud.
Mäluefekti eiramiseks leidub laadureid, mis kõigepealt tühjendavad nikkelkaadmiumaku vajaliku määrani ja alles siis alustavad laadimist.
Need akud ei sobi suhteliselt kiire isetühjenemise tõttu üldse väga nõrga ja pideva voolu allikaks, näiteks elektrilistesse ajanäitajatesse või mitmesugustesse valveseadmetesse (suitsuandurid jms). Otstarbekam oleks siis kasutada mitte akut, vaid tavalist (mittelaetavat) patareid.
Mürgise raskemetalli kaadmiumi sisalduse tõttu ei tohiks kõlbmatuid akusid lihtsalt majapidamisjäätmete hulka visata.

Nikkelmetallhüdriidakud on teatavas mõttes nikkelkaadmiumakude edasiarendus. Energiatihedus on suurem, kuid samas on nad laadimisre_iimi suhtes hoopis hellemad: ei talu ülelaadimist ja kasutamine lihtsa, pingekontrollita laaduriga kaotab mõtte. Omamoodi miinuseks on märgatavalt suurem sisetakistus, mis ei luba neid tühjendada tugeva vooluga. Tarbijateks sobivad taskulambid, elektroonilised mängud, kantavad heliseadmed, mobiil- ja traadita telefonid jms. Tingimata tuleb kontrollida, et laadur oleks varustatud sobivusmärkega NiMH-akude jaoks (kõik uuemad mudelid vastavad sellele nõudele, samas ei tarvitse need tavalisi nikkelkaadmiumakusid päris lõpuni täis laadida).
Liitiumioonakude sobivaimaks kasutusalaks on kantavad seadmed, kus nõutakse napimat voolutugevust, võimalikult väikseid mõõtmeid ja pikka kasutustsüklit (mobiiltelefonid, digitaalkaamerad, fotovälgutid). Akus on üks elektrood liitiumist, teise materjal oleneb mudelist. Sellest johtub ka nimipinge, mis on muude akude harjumuspärasest 1,2 või 2,0 voldist suurem (3,0–3,6 voldi vahemikus). Mäluefekt puudub, isetühjenemine on pärsitud, kuid sisetakistus on suurem kui nikkelkaadmium- ja nikkelmetallhüdriidakude enamikul. Paraku on liitiumakud kallid ja nii kasutataksegi neid peamiselt hinnalistes seadmetes, nagu sülearvutid ja kallimad mobiiltelefonid.
Kasutaja peaks teadma, et juba üksainus ettevaatamatu liiglaadimine või süvatühjendamine võib liitiumioonaku pöördumatult rikkuda. Varem, vähemalt esimeste mudelite puhul, esines koguni nende lõhkemist, sest liitiumelektrood võis kontrollimatult kuumeneda. Neid akusid kasutavad seadmed on tingimata varustatud nii laadimis- kui tühjenemisautomaatikaga. Laadimine lõpeb, kui elemendi klemmipinge kasvab üle 4,3 voldi. Aku ise on varustatud liigvoolu- ja ülekuumenemiskaitsega (väljalülitamine toimub temperatuuril üle 90 ºC).
Liitiumioonakud taluvad laadimis-tühjenemistsükleid vähem kui muud tüüpi akud. Ajutiselgi kasutamisel ei ole tänu lakkamatule vananemisprotsessile oodata pikemat eluiga kui valmistamise hetkest arvates kolm aastat (ostmisel kontrollida!). Järelikult pole hea, kui akud saabuvad müügile kaugetest maadest ja seisavad ladudes pikka aega laadimata.
Liitiumioonakud ei talu jahedat temperatuuri, vähem kui 10 ºC tähendab reaalse mahutavuse olulist kahanemist. Ootere_iimis ei tuleks neid laadida püsiva väga nõrga vooluga, sobiv oleks järellaadida normaalse vooluga iga paarikümne päeva tagant. Akusid tuleks ladustada poollaetuna, et alles enne järgmist kasutamist täis laadida.
Seni on tootjad liitiumioonakude oluliste vooruste kõrval kõnelnud puudustest kitsilt. Tasapisi ilmuvad müügile uuemad ja paremad, näiteks liitiumkoobaltoksiidist anoodiga mudelid. Firma Toshiba ongi välja töötanud sootuks uue versiooni, mida pidavat saama laadida paari napi minutiga. Need taluvat tuhat laadimistsüklit ja säilitavat reaalse mahtuvuse ka jahedas.

Sarnased artiklid