Miksi akku kuluu? Litiumakun kemia ja kulumisen syyt

Akun kulumisesta puhutaan usein kuin se olisi kilometrimittari: mitä enemmän ajat, sitä nopeammin auto kuluu loppuun. Litiumakku ei toimi näin. Se vanhenee myös laatikossa, jossa se ei tee mitään, ja kaksi samanikäistä puhelinta voivat olla aivan eri kunnossa sen mukaan, ovatko ne viettäneet kesät auton kojelaudalla vai sisätiloissa. Kulumista ohjaavat olosuhteet, ei pelkkä käyttömäärä.

Tässä artikkelissa käydään läpi se, mitä akun sisällä oikeasti tapahtuu ja mitkä tekijät nopeuttavat tapahtumaa. Latauskäytännöt ja niihin liittyvät uskomukset ovat oma lukunsa, ja ne käsitellään artikkelissa latausmyyteistä. Sen tarkistaminen, kuinka paljon omassa laitteessa on kapasiteettia jäljellä, kuuluu artikkeliin akun kunnon tarkistuksesta.

Yksi varoitus lukuja koskien kannattaa antaa heti. Akkujen ikääntymisestä on paljon tutkimusta, mutta täsmällisiä lukuja on vaikea siirtää yhdestä akkukennosta toiseen. Kennojen kemia, laitteen jäähdytys ja latauksen ohjaus vaihtelevat, joten samasta ilmiöstä esitetyt prosentit vaihtelevat lähteestä riippuen. Mekanismi on silti sama kaikissa, ja mekanismi on se, jonka perusteella voi tehdä järkeviä päätöksiä.

Mitä akussa liikkuu, kun lataat ja purat

Litiumioniakussa on kaksi elektrodia ja niiden välissä elektrolyytti, joka johtaa litiumioneja mutta ei elektroneja. Kun akku purkautuu, litiumionit siirtyvät negatiiviselta elektrodilta positiiviselle, ja elektronit kulkevat samaan aikaan ulkoista piiriä pitkin laitteen läpi. Se elektronivirta on se sähkö, jolla puhelin toimii. Ladattaessa ionit palaavat takaisin.

Ihanteellisessa akussa tämä olisi täysin palautuva liike: ionit menevät ja tulevat, eikä mitään katoa. Todellisuudessa jokaisella kierroksella tapahtuu myös pieniä sivureaktioita. Elektrolyytti hajoaa hitaasti negatiivisen elektrodin pinnalla ja muodostaa sinne ohuen rajapintakerroksen. Kerros on välttämätön, koska se estää elektrolyyttiä hajoamasta hallitsemattomasti, mutta sen muodostuminen kuluttaa litiumia. Jokainen kerroksen kasvupyrähdys ottaa käytöstä pienen määrän niitä ioneja, jotka olisivat voineet kuljettaa varausta.

Tästä syntyy kulumisen ydin. Akussa oleva litium ei häviä mihinkään, mutta osa siitä lukkiutuu paikkoihin, joista se ei enää irtoa liikkumaan. Kapasiteetti pienenee, koska liikkuvien ionien määrä pienenee. Samalla elektrodien rakenne muuttuu: paksuuntuva rajapintakerros ja materiaalin toistuva laajeneminen ja kutistuminen kasvattavat vastusta, jota ionit kohtaavat matkallaan.

Lataussykli ei ole sama asia kuin pistorasiassa käynti

Lataussykli tarkoittaa täyden kapasiteetin verran purettua ja takaisin ladattua varausta. Se ei tarkoita yhtä kertaa laturissa. Jos käytät päivän aikana neljäsosan akusta ja lataat sen illalla täyteen, olet käyttänyt neljäsosasyklin. Neljä sellaista päivää muodostaa yhden syklin.

Tämä on tärkeä ero, koska se kumoaa yleisen päättelyketjun. Moni ajattelee, että puhelimen liittäminen laturiin useasti päivässä kuluttaa akkua enemmän kuin yksi iso lataus. Syklien näkökulmasta asia on päinvastoin neutraali: sama määrä käytettyä energiaa on sama määrä kulumista riippumatta siitä, monessako erässä se ladattiin takaisin. Merkitystä on sillä, millä varaustasolla akku viettää aikaa ja kuinka lämmintä latauksen aikana on.

Laitteen ilmoittama syklilaskuri on hyödyllinen mutta karkea mittari. Se kertoo kertyneen käytön määrän, ei sitä missä olosuhteissa käyttö tapahtui. Kaksi puhelinta, joilla on sama syklimäärä, voivat olla eri kunnossa, jos toinen on ladattu toistuvasti kuumassa autossa ja toinen viileässä huoneessa.

Kaksi kulumisen lajia: käyttö ja pelkkä aika

Akkututkimuksessa erotetaan tavallisesti kaksi ikääntymisen muotoa. Syklivanheneminen liittyy lataamiseen ja purkamiseen: elektrodimateriaali laajenee ja kutistuu, rakenteeseen syntyy mikroskooppisia halkeamia ja rajapintakerros kasvaa uusille pinnoille. Kalenterivanheneminen tapahtuu ilman käyttöä, pelkän ajan kuluessa, ja sitä ohjaavat kaksi asiaa: lämpötila ja se varaustaso, jossa akku seisoo.

Kalenterivanheneminen on syy siihen, miksi laatikossa vuoden maannut varapuhelin ei ole yhtä hyvässä kunnossa kuin ostohetkellä, vaikka sitä ei olisi ladattu kertaakaan. Se on myös syy siihen, miksi akun kunto ei riipu pelkästään siitä, kuinka ahkerasti laitetta käyttää. Vähän käytetty laite, joka on aina kiinni laturissa täydessä varauksessa lämpimässä huoneessa, voi vanheta nopeammin kuin ahkerassa käytössä oleva laite, joka pysyy viileänä ja keskivaraustasolla.

Akun kestävyys ei ole enää pelkkä valmistajan lupaus. Euroopan unionin sääntely asettaa uusille laitteille vaatimuksia sekä akkujen kestävyydestä että siitä, mitä akusta on kerrottava ostajalle. Vaatimukset ilmaistaan tyypillisesti siten, kuinka suuri osa kapasiteetista on jäljellä tietyn syklimäärän jälkeen. Täsmälliset arvot ja siirtymäajat löytyvät säädöksistä, ja ne on syytä tarkistaa sieltä eikä myyntipuheesta.

Miksi täysi akku rasittaa ja miksi tyhjäkin rasittaa

Akun varaustaso ei ole vain määrä vaan myös jännite. Mitä täydempi akku on, sitä korkeammassa jännitteessä elektrodit ovat. Korkea jännite tarkoittaa kemiallisesti reaktiivisempaa tilaa, jossa elektrolyytin hajoaminen etenee nopeammin. Tämä on koko syy sille, miksi akku vanhenee nopeammin täydessä varauksessa kuin puolillaan.

Toinen ääripää ei ole vaaraton sekään. Hyvin syvä purku vie kennon jännitteen alueelle, jossa elektrodimateriaali voi vaurioitua. Käytännössä tähän törmää harvoin, koska akun oma hallintaelektroniikka katkaisee virran ennen kuin kenno menee vaaralliselle alueelle. Sen sijaan pitkä säilytys tyhjänä on aito riski: itsepurkautuminen voi viedä jännitteen niin alas, ettei akkua saa enää turvallisesti ladattua.

Käytännön johtopäätös on maltillinen. Akku voi parhaiten keskialueella. Se ei tarkoita, että sinun pitäisi vahtia prosentteja kellon kanssa. Se tarkoittaa, että jatkuva säilytys kummassa tahansa ääripäässä on huonompi vaihtoehto kuin tavallinen käyttö, jossa varaus liikkuu edestakaisin.

Lämpö on se tekijä, joka kiihdyttää kaiken muun

Kemiallisten reaktioiden nopeus kasvaa lämpötilan noustessa. Tämä pätee myös niihin sivureaktioihin, jotka kuluttavat akkua. Siksi lämpö on käytännössä tärkein yksittäinen tekijä, johon käyttäjä voi vaikuttaa.

Suomalaisessa arjessa akun pahimmat hetket ovat helposti tunnistettavia. Puhelin auton kojelaudalla kesäpäivänä. Laturissa oleva laite tyynyn alla. Raskas peli tai videopuhelu samalla kun laite lataa. Heikko kentänvoimakkuus, jolloin puhelin nostaa lähetystehoaan ja lämpenee, mikä on tuttua kun mobiiliverkon kuuluvuus on huono tai kun laite roikkuu 5G-yhteyden reunalla. Taustalla pyörivä pilvipalvelun synkronointi tekee saman hiljaisemmin.

Lämpö vaikuttaa myös toiseen suuntaan. Kylmässä akun sisäinen vastus kasvaa väliaikaisesti ja käytettävissä oleva teho pienenee, mikä näkyy pakkasella prosenttilukeman romahduksena. Tämä ei ole kulumista vaan hetkellinen ilmiö, ja luku palautuu kun laite lämpenee. Kylmässä lataaminen sen sijaan on aitoa rasitusta, koska silloin litium voi kertyä metallina elektrodin pinnalle sen sijaan että se siirtyisi rakenteen sisään.

Kapasiteetti laskee, sisäinen vastus kasvaa

Kuluminen näkyy kahtena eri asiana, ja ne kannattaa erottaa toisistaan.

Kapasiteetin lasku tarkoittaa, että akkuun mahtuu vähemmän energiaa kuin uutena. Tämä näkyy suoraan käyttöaikana: laite kestää saman käytön lyhyemmän ajan. Muutos on hidas ja tasainen, ja siihen tottuu huomaamatta, kunnes vertaa nykytilannetta ensimmäiseen käyttövuoteen.

Sisäisen vastuksen kasvu on toinen ja usein häiritsevämpi puoli. Kun akun vastus kasvaa, jännite notkahtaa aina kun laite ottaa hetkellisesti paljon virtaa: kameran salama, pelin raskas kohta, verkkohaku heikossa kentässä. Vanha akku ei siis vain kestä lyhyemmän aikaa vaan reagoi huonommin kuormituksen piikkeihin. Osa energiasta muuttuu myös lämmöksi akun sisällä, mikä ruokkii kulumista lisää.

Kapasiteetin lasku tuntuu lyhyempänä päivänä, sisäisen vastuksen kasvu tuntuu yllättävinä sammumisina.

Tässä on myös yksi syy siihen, miksi vanhemman puhelimen suorituskyky voi tuntua epätasaiselta. Kun akku ei pysty luovuttamaan hetkellistä huipputehoa, järjestelmä voi joutua rajoittamaan suoritinta pysyäkseen turvallisella alueella. Aihetta laajemmin käsittelee artikkeli puhelimen hidastumisesta.

Miksi puhelin sammuu ennen nollaa

Prosenttilukema ei ole mittaustulos vaan arvio. Akussa ei ole mittaria, joka näkisi jäljellä olevan energian suoraan. Laite päättelee varaustason jännitteestä, otetusta virrasta, lämpötilasta ja akun aiemmasta käyttäytymisestä. Arvion tekee algoritmi, ja algoritmin malli akusta on säädetty uudelle akulle.

Kun akku vanhenee, malli ja todellisuus erkanevat. Laite voi näyttää kahtakymmentä prosenttia, mutta kun käyttäjä avaa kameran, jännite notkahtaa kasvaneen sisäisen vastuksen takia niin alas, että suojapiiri katkaisee virran. Puhelin sammuu, vaikka näytöllä oli varausta jäljellä. Yhtä lailla lukema voi hypätä alaspäin isoina askelina, kun laite korjaa arviotaan.

Sama arviointi tuottaa myös sen kuntoarvion, jonka laite näyttää asetuksissa. Sekin on laskennallinen luku eikä laboratoriomittaus, joten se voi tarkentua kumpaan suuntaan tahansa.

Sama ilmiö korostuu pakkasessa, jossa vastus on muutenkin suurempi. Siksi talvella ulkona sammunut puhelin voi käynnistyä uudelleen sisällä lämmettyään ja näyttää taas varausta. Akun kemiallinen kunto ei muuttunut minuutissa, vaan olosuhteet muuttuivat.

Mitä tästä kannattaa ottaa käytäntöön

Kulumista ei voi pysäyttää. Se on kemiallinen prosessi, joka etenee myös silloin kun teet kaiken oikein. Voit kuitenkin vaikuttaa vauhtiin, ja vaikuttavat asiat ovat samat riippumatta laitemerkistä.

1. Pidä laite viileänä. Ota kotelo pois raskaan latauksen ajaksi, älä jätä puhelinta aurinkoon äläkä lataa sitä tyynyn tai peiton alla.
2. Vältä pitkiä jaksoja täydessä varauksessa, erityisesti lämpimässä. Jos laite on jatkuvasti laturissa, ota käyttöön latausrajoitus, jos laitteessa sellainen on.
3. Vältä raskasta käyttöä latauksen aikana. Kaksi lämmönlähdettä yhtä aikaa on akulle pahin yhdistelmä.
4. Älä lataa jäätävässä kylmässä. Anna laitteen lämmetä sisätilassa ensin.
5. Jos laite jää pitkäksi aikaa käyttämättä, jätä akkuun varausta noin puolet ja säilytä se viileässä sisätilassa.
6. Älä säikähdä normaalia hiipumista. Kapasiteetin lasku ensimmäisten vuosien aikana on odotettua, eikä se yksin tarkoita viallista akkua.

Kannattaa myös suhtautua varauksella sovelluksiin, jotka lupaavat elvyttää akun tai kertoa sen todellisen kunnon tarkemmin kuin laite itse. Ne lukevat samaa arviota kuin käyttöjärjestelmä tai päättelevät sen vielä karkeammin. Mikään ohjelmisto ei pysty palauttamaan litiumia, joka on jo sitoutunut rajapintakerrokseen.

Näiden lisäksi kannattaa muistaa, mitä kuluminen ei ole. Se ei ole merkki siitä, että olet käyttänyt laitetta väärin, eikä se ole vika, jonka voisi korjata asetuksista. Kun kapasiteetti on laskenut niin paljon, että laite ei enää kestä päivää, kyse on akun vaihtamisesta tai laitteen vaihtamisesta, ja siihen liittyvät kysymykset kuten korjattavuus ja varaosien saatavuus kuuluvat artikkeliin laitteen elinkaaresta. Kestoa voi lisäksi venyttää asetuksilla, joita käsitellään artikkelissa akun säästöasetuksista.