thumb|Vartan litiumioniakku, Museum Autovision, Altlußheim, Saksa thumb|Lieriömäinen kenno ennen sulkemista (18650) Litiumioniakku on akku, jossa litiumioni liikkuu elektrodien välillä. Litiumioni liikkuu akun purkautuessa anodista katodiin ja ladattaessa katodista anodiin. Litiumioniakkua ei tule sekoittaa litiumparistoon.
Litiumioniakkuja on yleisesti käytössä erilaisissa elektroniikkalaitteissa ja kodintekniikan tuotteissa. Litiumioniakku ei ole sama asia kuin litiumparisto, ja sen merkkinä on teksti ”Li-ion”, joka on kuluttajille tuttu näky esimerkiksi akkukäyttöisissä pölynimureissa tai matkapuhelimien akuissa.
Kemialliset reaktiot Litiumioniakku koostuu negatiivisesta ja positiivisesta elektrodista sekä elektrolyytistä, joka mahdollistaa litiumionien liikkumisen elektrodien välillä ja estää elektrodien fyysisen kontaktin.
Litiumioniakun kemialliset reaktiot tapahtuvat elektrolyytin ja elektrodien rajapinnoissa. Nämä kemialliset reaktiot ovat hapettumis- ja pelkistymisreaktioita. Akun purkautuessa toisella elektrodeista, jota kutsutaan anodiksi, vapautuu hapettumisen yhteydessä elektroneja. Nämä vapautuneet elektronit kulkevat ulkoisen piirin kautta anodilta positiivisesti varautuneelle elektrodille eli katodille, aiheuttaen näin sähkövirran. Katodille saapuvat elektronit saavat aikaan pelkistymisreaktion, eli katodilla olevat ionit vastaanottavat elektroneja. Akkua ladattaessa nämä reaktiot tapahtuvat vastakkaiseen suuntaan. Elektrodien välinen jännite saadaan laskettua niiden normaalipotentiaalien avulla.Litiumioniakun toimintaperiaate, TKK, 1998. http://www.netlab.tkk.fi/opetus/s38118/s98/htyo/34/rakenne.shtml, viitattu 15.4.2015
Jos positiivisena elektrodina käytetään esimerkiksi litiumkobolttioksidia, elektrodin puolireaktio on
Negatiivisen elektrodin puolireaktio
Yllä olevat reaktiot ovat esimerkkejä, ja käytetty kerroin x voi olla mikä tahansa kokonaisluku.
Akun energia saadaan kertomalla jännite ja sähkövaraus keskenään. Jokaista litiumgrammaa kohden varaus on 13 901 coulombia. Kolmen voltin jännitteellä jokaista litiumgrammaa kohti saadaan energiaa 41,7 kJ.
Valmistus Tuotannollisesta näkökulmasta litiumioniakun valmistus voidaan jakaa kahteen eri tapaan sen käyttötarkoituksen perusteella: pieniin kaupallisiin tuotteisiin ja suurempiin teollisuuden käyttöön soveltuviin sähkölaitteisiin (mm. sähköautot). Valmistusperiaate molemmissa on pääosin sama, kuitenkin loppua kohden akun fyysisellä koolla on luonnollisesti vaikutus kotelointiin. Life-Cycle Analysis for Lithium-Ion Battery Production and Recycling, Gaines, 2011, L., Sullivan, J., Turnham, A., Belharouak, I., http://www.transportation.anl.gov/pdfs/B/855.PDF , viitattu 5.4.2015, s. 6.
Tuotantoprosessi alkaa katodin ja anodin valmistuksella. Yli puolet valmistuskustannuksista on peräisin katodin valmistamisesta. Valmistaminen alkaa malmista, jossa on pieniä pitoisuuksia metalleja kuten kobalttia, mangaania, alumiinia ja nikkeliä. Malmia käsitellään rikkihapolla, jonka jälkeen saatava jauhe yhdistetään litiumoksidin kanssa. Useiden vaiheiden jälkeen saadaan mustetta tai tahnaa (slurry), joka yhdistetään liuottimien ja sideaineiden kanssa. Tahnaa käytetään päällystykseen, jossa katoditahnaa levitetään hyvin ohuen alumiinifolion ympärille ja sivellään tasaiseksi yhtenäiseksi kerrokseksi molemmin puolin. Akkujen testausympäristö, 2012, Lahti, E., Jyväskylän Ammattikorkeakoulu, opinnäytetyö, https://www.theseus.fi/bitstream/handle/10024/45083/Lahti_Eetu.pdf?sequence=1, viitattu 5.4.2015. s. 9–13. Anodin valmistukseen käytetään usein grafiittia tai muuta hiilipohjaista ainetta.Li-ion Battery Materials, 2011, Targray, http://www.targray.com/i-ion-battery/electrolyte, viitattu 5.4.2015. Anodi voidaan päällystää esimerkiksi kuparifoliolla. Li-ion Battery Production Process, 2015, NGK Insulators Ltd., http://www.ngk.co.jp/english/products/ceramic/heating/libfactory.html, viitattu 6.4.2015. Lopulta katodi- ja anodilevyt sekä erotinkerros kiedotaan yhteen ja koteloidaan sylinterin (tai muuhun halutun) muotoiseen astiaan.
Koska akun latautuessa sähkövirta perustuu pakotettuun ionien liikkeeseen katodilta anodille eli elektrolyysiin, on jokaisessa akussa oltava aina elektrolyyttiliuos. Kuten normaaleissa akuissa, myös litiumioniakun elektrolyytti voi vaihdella katodin ja anodin materiaaleista riippuen. On myös tärkeää ymmärtää, että elektrolyyttiliuokseen lisätään varsinaisen elektrolyytin lisäksi muita lisäaineita, joiden tehtävänä on vaikuttaa akun suorituskykyyn tai sen muihin ominaisuuksiin.Miksi litiumioni akku?, 2015, Apple Inc., https://www.apple.com/fi/batteries/why-lithium-ion/, viitattu 6.4.2015. Etyleenikarbonaatti on hyvä esimerkki soveltuvasta elektrolyytistä litiumioniakkuun.Ergorapido - ominaisuudet, 2015, Electrolux, http://www.electrolux.fi/Tuotteet/Pölynimurit_ja_höyrypuhdistimet/Akkuimurit/Ergorapido_2in1/ZB3013/ , viitattu 6.4.2015.
Sovelluskohteet Litiumioniakun etu on nimenomaan sen energiatiheys. Tämä tarkoittaa sitä, että akku tarjoaa perinteisiin akkuteknologioihin (NiCd, NiMH, lyijyakut) verrattuna samassa koossa pidemmän käyttöajan ja/tai kevyemmän akun. Litiumioniakun nimelliskennojännite on huomattavasti korkeampi kuin muiden akkutyyppien. Korkean kennojännitteen vuoksi Li-ioniakku voi monissa elektronisissa laitteissa olla yksikennoinen, kun taas esimerkiksi nikkeliakussa tulee monesti olla kaksi-kolme sarjaan kytkettyä 1,2 V:n kennoa riittävän suuren käyttöjännitteen saavuttamiseksi.
Toinen merkittävä etu on erittäin pieni itsepurkautuminen. Litiumioniakku säilyttää merkittävän osan varauksestaan jopa vuosia. Kolmas etu on, ettei Li-ion akulla tapahdu ns. muisti-ilmiötä eli akku ei menetä kapasiteettiaan, vaikkei sitä koskaan ladattaisi aivan täyteen tai purettaisi tyhjäksi.
Suhteellisen pieni, kevyt ja edullinen akkurakenne on edistänyt litiumioniakkujen suosiota esimerkiksi matkapuhelimissa. Nykyään pääosin kaikissa matkapuhelimissa on Li-ioniakku, ja samaa teknologiaa hyödynnetään myös kannettavien tietokoneiden akuissa. Nämä ovat laitteita, joiden asiakastarpeet vaativat niiltä keveyttä ja akun pitkäkestoisuutta. Samoista syistä ne ovat nykyään suosittuja myös akullisissa työkaluissa ja puutarhakoneissa, kuten porakoneissa ja ruohonleikkureissa, sekä muissa liikuteltavissa pienlaitteissa, kuten rikkaimureissa tai partakoneissa.
Lataaminen ja purkaminen Li-ioniakku ei siedä ylilatausta eikä varaustason liiallista purkamista, jonka vuoksi useimmissa akuissa on sisäänrakennettu akunhallintajärjestelmä (battery management system). Akunhallintajärjestelmän tehtävänä on estää akkua ylilatautumasta tai alipurkautumasta katkaisemalla sähkösyöttö, mikäli se havaitsee ali- tai ylijännitteen, tai akun kuumentuessa huomattavasti esim. liian suuren purkuvirran takia.
Akun latautumiseen liittyy myös erikoinen sähköfysikaalinen piirre: Akku latautuu kahdessa osassa. Ensiksi akkua ladataan vakiovirralla, kunnes nimellisjännite on saavutettu. Tässä vaiheessa akun varaustila on vasta noin puolet maksimista. Tämän jälkeen akkua ladataan vakiojännitteellä, kunnes systeemin latausvirta on esim. 3 % nimellisvirrasta (tarkka raja riippuu akun rakenteesta). Vakiojännitteen, jolla lataus suoritetaan, on oltava hyvin tarkasti se, mitä akkuteknologia edellyttää, muuten seurauksena on joko akun varaustason jääminen vajaaksi tai kennojännitteen noususta suositeltua suuremmaksi aiheutuva akun eliniän lyheneminen.
Historia
Ennen kaupallista tuotantoa Nykyään Binghamtonin yliopistossa työskentelevä kemian professori Michael Stanley Whittingham keksi litiumakun työskennellessään Exxon Mobililla 1970-luvulla.Whittingham, M. S. (1976). "Electrical Energy Storage and Intercalation Chemistry". Science 192 (4244): 1126–1127. http://dx.doi.org/10.1126%2Fscience.192.4244.1126 , viitattu 18.4.2015 Whittingham käytti titaanisulfidia ja litiumia elektrodeina. Paristot, jotka sisälsivät litiumia, herättivät turvallisuuskysymyksiä, sillä litium on helposti reagoiva aine. Litium palaa normaalissa olosuhteissa veden ja hapen vaikutuksesta.XXIV.—On chemical analysis by spectrum-observations". Quarterly Journal of the Chemical Society of London 13 (3): 270. 1861. http://dx.doi.org/10.1039%2FQJ8611300270, viitattu 18.4.2015 Tämän takia ryhdyttiin kehittämään paristoja, joissa on metallisen litiumin sijasta litiumyhdisteitä, jotka vastaanottavat ja vapauttavat litiumioneja.
J. O. Besenhard keksi 1970-luvulla käännettävän interkaloituvan grafiitin ja interkalaatiomateriaalinBesenhard, J.O. and Fritz, H.P. (1974). "Cathodic Reduction of Graphite in Organic Solutions of Alkali and NR4+ Salts". J. Electroanal. Chem. 53 (2): 329. http://dx.doi.org/10.1016%2FS0022-0728%2874%2980146-4, viitattu 18.4.2015Besenhard, J. O. (1976). "The electrochemical preparation and properties of ionic alkali metal-and NR4-graphite intercalation compounds in organic electrolytes". Carbon 14 (2): 111–115. http://dx.doi.org/10.1016%2F0008-6223%2876%2990119-6, viitattu 18.4.2015 osaksi katodisia oksideja.Schöllhorn, R.; Kuhlmann, R.; Besenhard, J. O. (1976). "Topotactic redox reactions and ion exchange of layered MoO3 bronzes". Materials Research Bulletin 11: 83. http://dx.doi.org/10.1016%2F0025-5408%2876%2990218-X, viitattu 18.4.2015Besenhard, J. O.; Schöllhorn, R. (1976). "The discharge reaction mechanism of the MoO3 electrode in organic electrolytes". Journal of Power Sources 1 (3): 267. http://dx.doi.org/10.1016%2F0378-7753%2876%2981004-X, viitattu 18.4.2015 Besenhard ehdotti sen soveltamista litiumkennoissa.Besenhard, J. O.; Eichinger, G. (1976). "High energy density lithium cells".Journal of Electroanalytical Chemistry and Interfacial Electrochemistry 68: 1. http://dx.doi.org/10.1016%2FS0022-0728%2876%2980298-7, viitattu 18.4.2015Eichinger, G.; Besenhard, J. O. (1976). "High energy density lithium cells".Journal of Electroanalytical Chemistry and Interfacial Electrochemistry 72: 1. http://dx.doi.org/10.1016%2FS0022-0728%2876%2980072-1, viitattu 18.4.2015 Elektrolyyttien hajoamisella ja liuottimen yhteisvaikutuksella oli haittoja akkujen kestoon.
John B. Goodenough ja Koichi Mizushima esittelivät Oxfordin yliopistossa vuonna 1979 uudelleenladattavan 4 V:n akun, jossa käytettiin litiumkobolttioksidia positiivisena elektrodina ja litiumia negatiivisena elektrodina.Patft.uspto.gov. Retrieved 8 October 2011. http://patft.uspto.gov/netacgi/nph-Parser?Sect1=PTO2&Sect2=HITOFF&u=%2Fnetahtml%2FPTO%2Fsearch-adv.htm&r=0&f=S&l=50&d=PTXT&RS=IN%2F%22goodenough%22&Refine=Refine+Search&Refine=Refine+Search&Query=in%2F%22goodenough%2C+john%22 , viitattu 18.4.2015Mizushima, K.; Jones, P. C.; Wiseman, P. J.; Goodenough, J. B. (1980). "LixCoO2 (0<x<-1): A new cathode material for batteries of high energy density". Materials Research Bulletin 15 (6): 783. http://dx.doi.org/10.1016%2F0025-5408%2880%2990012-4, viitattu 18.4.2015 Tämä innovaatio edellytti positiivisen elektrodin materiaalia, joka teki akuista mahdollisen. Litiumkobolttioksidi on vakaata positiivisen elektrodin materiaalia, joka toimii luovuttaen litiumioneja, eli sitä voidaan käyttää jonkin muun kuin puhtaan litiumin kanssa. Litiumkobolttioksidia pystyttiin käyttämään vakaiden ja helposti käsiteltävien negatiivisten elektrodien kanssa.