Liitiumioonakud on muutunud alates nende esmasest turule toomisest Sony poolt 1991. aastal üldlevinuks ja ümbritsevad praeguseks inimesi kõikjal. Näiteks leidub neid enamikus kaasaskantavates olmeelektroonikaseadmetes, alates sülearvutitest ja mobiiltelefonidest lõpetades mänguasjade ja elektriliste hambaharjadega.

Liitiumioonakud mängivad keskset rolli ka elektritranspordi eduloos, mida ilmestab elektriliste tõukerataste või elektribusside hüppeliselt laienenud levik. Lisaks kasutatakse neid elamute ja kaubanduspindade energiasalvestussüsteemides, mis aitavad tasakaalustada taastuvenergia ebaühtlast tootmist elektrivõrkudes.

Akutüübi kasutuse eksponentsiaalsest kasvust annab aimu allolev graafik, mis kujutab nõudlust liitiumioonakude järele käesoleval kümnendil. McKinsey instituudi prognoosi kohaselt kasvab aastatel 2022–2030 kasvab ülemaailmne nõudlus liitiumioonakude järele veel peaaegu seitse korda, jõudes 2030. aastal 4,7 teravatt-tunnini. Suurt osa sellest kasvust saab seostada just elektrisõidukite laiema kasutusega, mis omakorda sõltuvad peamiselt liitiumioonakudest.

Nii kiire kasvu juures pole üllatav, et aeg-ajalt ei lähe kõik nii, nagu ette nähtud ja akutoitel töötavad seadmed ütlevad üles. Ainuüksi USA tarbekaupade ohutuse komisjon on registreerinud viimase viie aasta jooksul vähemalt 25 000 juhtumit, kus liitiumioonakud on ülekuumenenud või põlema süttinud.

Newcastle'i Ülikooli teadlaste uuringutest on samal ajal selgunud, et suuremahulistes liitiumioonakudega energiasalvestussüsteemides on toimunud viimastel aastatel üle 40 tulekahju. Eestis on viimase pooleteise aastaga registreeritud ligi 40 tulekahju, mis said alguse akudest, laadijatest, tõukeratastest, mobiiltelefonidest, patareidest või sülearvutitest.

Keskkonna, logistika ja äriga seotud tahud kõrvale jättes keskendun artiklis erinevatele ohutusprobleemidele ja riskide maandamisele, mis puudutab akude kasvavat rolli argielus. Vaatamata sellele, et kurvalt lõppenud vahejuhtumistest ilmuvaid uudiseid ilmub pidevalt, jääb enamasti selgusetuks, kui turvalised akud tegelikult on ja mida saaks teha riskide maandamiseks. Oluline on seejuures märkida, et kuigi liitiumioonakude nimetust kannavad paljud akud, on nende mõned alatüübid ohtlikumad ja teised ohutumad.

Selgitan artiklis akutehnoloogia põhitõdesid ning teen lühianalüüsi nende peamistest rakendustest ja riskidest, alustades olmeelektroonikast ja isiklikest liikumisvahenditest lõpetades suuremahuliste salvestussüsteemidega.

Liitium-ioonaku ABC

Traditsioonilised pliiakud domineerisid elektrisalvestite turul aastakümneid. Tänapäevastel tehnoloogiatel põhinevad akud suutsid need kõrvale tõrjuda mitmel põhjusel. Võrreldes plii-happeakudega saab liitium-ioonakusid laadida kiiremini ja salvestada neisse kaaluühiku kohta rohkem energia.

Seega sisaldavad need palju energiat, mistõttu võivad ka need salvestatud energia vabanemisel rikke korral süttida. See omakorda võib päädida plahvatustega, mis võivad olla ohtlikud nii inimestele kui ka nende varale. Liitiumioonakudest tingitud tulekahjude aluspõhjuste mõistmiseks on oluline teada mõningaid põhitõdesid selle kohta, mis aku sees toimub.

Aku sisaldab energiat salvestavaid kemikaale ning selle positiivse ja negatiivse elektroodi vahel on isolaator. Aku kahte elektroodi ümbritseb elektrolüüt ehk aine, mis laseb elektrilaengul kahe klemmi vahel voolata. Liitiumioonakudes kannavad elektrilaengut liitiumioonid. Põhimõtteliselt töötavad liitiumioonakud liitiumioonide ja elektronide edasi-tagasi suunamisega positiivsete ja negatiivsete elektroodide vahel läbi eraldi ja välisahela. See ioonide ja elektronide liikumine tekitab elektrivoolu, mida saab kasutada elektroonikaseadmete toiteallikana.

Sõltuvalt konstruktsioonist võivad seadmed sisaldada kümneid kuni tuhandeid üksikakusid, mida nimetatakse elementideks. Üksikelemendid on koondatud komplektidesse, mida nimetatakse mooduliteks, mis omakorda on kokku pandud pakettidena. Näiteks töötab keskmine elektrisõiduk tavaliselt ühel suurel akul, mille sees on 5000–9000 elementi.

Tavaliselt saab aku tulekahju alguse suurema aku ühest elemendist. Aku süttimisel on kolm peamist põhjust: mehaaniline kahjustus, mille korral saab aku muljuda või torke; lühis aku sees või sellest väljaspool; või aku ülekuumenemine.

Lühise aku sees põhjustab enamasti ebaõige käsitsemine või soovimatud keemilised reaktsioonid akuelemendis. Näiteks kui liitiumioonakusid laetakse liiga kiiresti, võivad keemilised reaktsioonid tekitada aku anoodil – negatiivse laenguga elektroodil – väga teravaid liitiumnõelu, mida nimetatakse dendriitideks. Lõpuks tungivad need läbi separaatori ja jõuavad teise elektroodini, lühistades aku sisemiselt.

Selliste lühiste mõjul tõuseb akuelemendi temperatuur üle 100 C. Esialgu kulgeb temperatuuritõus aeglaselt, kuid lõpuks ülikiiresti. Aku jõuab maksimumtemperatuurini umbes ühe sekundiga ja tekitab tulekahju. Akus sisalduvad kemikaalid võivad tuleohtu veelgi kasvatada. Elektrolüüt, mis sisaldab liitiumisooladega segatud lenduvaid orgaanilisi lahusteid, on juba oma olemuselt väga tuleohtlik. Kuna katood on valmistatud liitiumoksiidi ühendist, võib eralduda sellest aku süttimise korral hapnikku, mis annab leekidele hoogu juurde.

Liitiumioonaku ohutu töö tagamisel mängib tähtsat rolli akuhaldussüsteem. See põhineb akudesse sisseehitatud riist- ja tarkvaraelementidel, mis suudavad jälgida olulisi aku parameetreid, nagu laetuse taset, siserõhku ja aku elementide temperatuuri. Tegu on usaldusväärsete süsteemidega, mis suudavad tagavad aku ohutut tööd tavatingimustes.

Nagu mainitud, ei pruugi need sellega hakkama saada aku välise kahjustuse või kõrge temperatuuri korral. Probleemi lahendamiseks arendavad teadlased uudseid katoode, mis eraldavad lagunedes vähem hapnikku. Arendusjärgus on ka mittesüttivad elektrolüüdid; tahkis-elektrolüüdid, mis ei sütti ja vähendavad dendriidite kasvu; ning isolaatorid, mis taluvad kõrgeid temperatuure ilma sulamata.

Olmeelektroonika

Suuremal osal inimestest on igal ajal kaasas või läheduses vähemalt üks liitiumioonakut sisaldav olmeelektroonikaseade. Kui kõige väiksemate seadmete elektriga varustamiseks võib piisata üheelemendilisest akust nimipingega 3,7 volti, siis elektritööriistade nimipinge võib ulatuda 48–51,2 voldini. Kuna taolisi seadmeid on argikasutuses tohutul hulgal ja nendega juhtunud õnnetustest kuuleb harva, võib pidada neid suhteliselt ohututeks.

Aeg-ajalt tuleb ette siiski tõsisemaid vahejuhtumeid. Näiteks ei tohi reisilennukites äraantavasse pagasisse alates 2016. aastast enam akupanku jätta ja käsipagasis peab jääma nende mahutavus alla 100 Wh. Karmimate nõuete taga olid suuresti nutitelefoniga Samsung Galaxy Note 7 juhtunud õnnetused, mille puhul telefonide aku üle kuumenes ja süttis. Viimasel ajal on kaasavõetavate akude energiamahu üle järelvalvet veelgi suurendatud.

Personaalsed elektriliikurid

Elektrijalgrataste ja -tõukerataste akud võivad olla nutitelefonide omadest umbes 50 korda suuremad. Seega on need põlengu korral ka palju ohtlikumad. Liitium-ioonakutega seotud tulekahjude arv kasvab rahvusvaheliselt tohutu kiirusega. Suuresti on tingitud see just e-jalgrataste ja e-tõukerataste müüginumbrite kasvust.

Mõned juhtumid on olnud seotud aku tootmiskvaliteediga. See puudutab enamasti juhtumeid, kus on kasutatud sertifitseerimata ja korraliku kvaliteedikontrollita toodetud seadmeid. Sagedamini on tingitud probleemid aga kasutajatest, näiteks on kasutatud kahjustatud liikurit, sellega mitteühilduvat laadijat, hoitud seda kuuma käes või tehtud omapäi liikuris muudatusi.

Eriti rasked võivad olla e-tõukeratastest tingitud põlengud siseruumides. Suur vabanev energiahulk muudab tulega võitlemise palju raskemaks ja viia tõsisemate vigastusteni. Lisaks laieneb tulekolle tõenäolisemalt ülejäänud hoonesse ja põhjustab suuremat varalist kahju. Tihti tuleb taolisi tulekahjusid ette siis, kui e-tõukeratas jäetakse laadija külge pikemaks ajaks. Seetõttu on oluline vältida selliste seadmete jätmist laadimise ajal järelevalveta.

Inimeste ja meediaväljaannete jaoks on omapäi süttinud aku samas piisavalt uudisväärtuslik, et juba üks tulekahju võib tekitada üle internetisensatsiooni. Sellega võib jääda mulje, et akupõlengud on tavaline ja sage nähtus. Seda need tegelikult ei ole.

Internetis levivate videote näol on tegu üksikjuhtumitega. Statistika põhjal tuleb tõukeratastest tingitud tulekahjusid ette üsna harva, sest neist on enamik varustatud akuhaldussüsteemidega. Nõnda võib süttida umbes üks aku iga kümne miljoni kohta.

Elektrisõidukid

Elektrisõidukite akud moodustavad liitiumioonakude ülemaailmsest kasutusest kõige suurema osa. Elektrisõidukite sektori arvele sai möödunud aastal kanda 80 protsenti ülemaailmsest liitiumipõhiste akude nõudlusest. Alates 2020. aastast on kasvanud see 4,5 korda. Kuigi kasv on olnud märkimisväärne, tõotab nõudlus 2030. aastaks veel neljakordistuda. Aastaks 2030 võiks moodustada elektrisõidukid sellisel juhul 40 protsenti ülemaailmsest automüügist.

Prognooside kohaselt müüakse selleks ajaks aastas 40 miljonit elektrisõidukit, millele lisandub veel 20 miljonit hübriidautot. Elektrisõidukite arvu kasv valguses pole üllatav, et kurvalt lõppenud vahejuhtumeid tuleb ette sagedamini, pälvides kohe ka meedias suuremat tähelepanu.

Elektriautode puhul viivad tulekahjuni enamasti akukahjustused, mis juhtuvad enamasti tõsise avarii tõttu. Sarnaselt muudele juhtudele hakkavad purunenud akuelemendid keemiliste reaktsioonide tõttu kuumenema ja tuli võib kiiresti levida üle terve ülejäänud sõiduki.

Taolisi uudiseid lugema sattuva inimese jaoks võib olla see piisavalt hirmutav, et soetada elektrisõiduki asemel siiski sisepõlemismootoriga sõiduk. Rootsi hädaolukordade ameti (MSB) statistika põhjal on reaalsus teistsugune – elektrisõidukid süttivad sisepõlemismootoriga sõidukitest enam kui 20 korda harvem. Austraalias kogutud statistika näitas veelgi suuremat lõhet – vahe oli enam 80-kordne. Sarnane statistika avaldati eelmisel aastal Eesti kohta – 2023. aastal toimus 176 sõidukipõlengut, millest oli elektrisõidukiga seotud kaks.

Ilmselgelt võib elektrisõidukipargi vananemisel muutuda mingil määral ka ilmselt statistika. Selge on aga see, et elektrisõiduki süttimisel tuleb kasutada tavapärasest teisi kustutusviise.

Eelnevalt mainitud akuomaduste tõttu on taolisi tulekahjusid üsna raske kustutada ja tuleb olla eriti ettevaatlik. See võib nõuda ka suuremal hulgal vett ja isegi siis võib jääda risk aku isesüttimiseks, mis võib juhtuda mitu päeva hiljem. Selle riski maandamiseks sukeldatakse selliste akudega elektrisõidukid vette, kuni oht on lõplikult kõrvaldatud. Ilmselgelt on väga ebatõenäoline, et akust süttinud ja sel viisil kustutatud sõiduk kunagi uuesti tööle hakkab.

Statsionaarsed energiasalvestid

Liitium-ioonakude tehnoloogia areng ja nende tootmise laienemisest tingitud odavam hind pole muutnud neid populaarseks lahenduseks mitte ainult elektroonikas ja transpordisüsteemides, vaid ka statsionaarsemates rakendustes.

Kõige sagedamini kasutatakse neid koos päikesepaneelide ja tuulegeneraatoritega. Tänu suurepärasele kasutegurile võivad need salvestid toimida võimsuspuhvrina, võimaldades suurendada kohapealset taastuvenergia tarbimist. Selliste süsteemide pakutav suur paindlikkus aitab kaasa elektrivõrkude probleemide lahendamisele, pakkudes näiteks erinevaid energiasüsteemi tasakaalustamise teenuseid.

Akusalvestid on viimastel aastatel laialdaselt kasutusele võetud ka elamutes. Näiteks oli 2023. aasta lõpuks paigaldatud Saksamaal enam kui miljon päikesepatareidega seotud salvestussüsteemi. Nende kogumaht ulatub umbes 12 gigavatt-tunnini, mis vastab ligikaudu 1,5 miljoni kahe inimesega majapidamise keskmisele ööpäevasele elektritarbimisele.

Taoliste süsteemidega juhtunud õnnetuste kohta kogutud statistika veel napp. Kuigi akuga seotud põlengutest on mõningaid teateid, paistavad need olevat paigaldatud süsteemide arvuga arvestades äärmiselt haruldased.

See on osaliselt seletatav akukeemiaga. Erinevalt mobiilsetest seadmetest põhinevad statsionaarsed akud tavaliselt veidi teist tüüpi liitiumioonkeemia tehnoloogial. Need lahendused on märksa vähem süttimisaltid ja neid peetakse kõigist Li-ioon tüüpi salvestusseadmete seas kõige ohutumaks.

Miinuspoolena võimaldavad salvestada need võrreldes teiste akutüüpidega mahuühiku kohta mõnevõrra vähem energiat, mis samas pole statsionaarsete süsteemide jaoks nii kriitiline. Teine põhjus võib olla väiksem inimtegur – neid süsteeme paigaldavad tavaliselt professionaalid, järgides täpselt ohutus- ja paigaldusreegleid.

Ühe kõige enam kõneainet leidnud vahejuhtumina kutsus LG 2020. aastal üle maailma tehniliste rikete, ülekuumenemis- ja süttimisohu tõttu tagasi umbes 18 000 akut.

Ühendkuningriigi majades tuleb lisada hoiatussilt, mis näitab selgelt nii aku energiasalvestussüsteemi kui ka päikese energiasüsteemi olemasolu hoones.

Tulevikku vaadates kehtestavad mõned riigid akude hoidmiseks juba spetsiaalseid tuleohutusstandardeid. Näiteks Ühendkuningriigi hiljutine standard keelab nende paigaldamise magamisruumidesse. Samuti tuleb lisada hoiatussilt, mis näitab selgelt nii aku energiasalvestussüsteemi kui ka päikese energiasüsteemi olemasolu hoones.

Kokkuvõtteks

Liitiumioonakud on leidnud kasutust paljudes rakendustes, alates väikese võimsusega kõrvaklappidest kuni suurte megavatise-võimsusega elektriseadmeteni. Transpordisektoris muutsid need suisa mängureegleid, võimaldades elektrisõidukitel sisepõlemismootoritel põhinevate sõidukitega lõpuks konkureerida.

Akutehnoloogia nii ulatusliku leviku juures on ilmne, et sagenevad ka juhtumid, kus mõni seade rikki läheb. Mõnikord on tagajärjed üsna dramaatilised ning see juhtum saab kohe palju tähelepanu, millele järgnevad tulised arutelusid.

Statistikat vaadates on põlenguteni viivate rikete tõenäosus väga väike. Samas ei tähenda see, et ohutusele võiks vilistada. Eriti käib see suurema võimsusega seadmete, nagu tõukerataste ja muude isiklike liiklusvahendite kohta. Selliste seadmete laadimist võib võrrelda kaminatulega: see on hea ja turvaline, kui see on kontrolli all, kuid siiski mitte piisavalt turvaline, et kodust lahkuda, ilma seda eelnevalt kustutamata.

Kuigi ohutusabinõud on palju kajastust leidnud, pole kunagi paha mõte neid korrata:

• Kasutage ainult originaal- või sertifitseeritud seadmeid;
• Ärge jätke akuga ühendamata laadijat seinakontakti;
• Jälgige laadimisprotsessi, eriti kui suurema võimsusega seadmeid laetakse siseruumides;
• Jälgige laadimise ajal aku ja laadija temperatuuri ja tagage ventilatsioon;
• Pöörake tähelepanu aku või laadija füüsilistele kahjustustele, leketele, deformatsioonile, ebaharilikule lõhnale või mürale.