Pii-hiiliakut tuovat puhelimiin jopa kahden päivän käyttöajan – mutta niissä piilee vaikea vaihtokauppa

Älypuhelinten suorituskyky on kasvanut vauhdilla, mutta akku on yhä monelle päivittäin ladattava pullonkaula. Pii-hiilitekniikka muuttaa nyt tilannetta: ohueen laitteeseen voidaan mahduttaa selvästi enemmän kapasiteettia ja parhaimmillaan jopa kahden päivän käyttöaika. Hyöty ei kuitenkaan tule ilmaiseksi, sillä pii asettaa akun kestävyydelle vaikean materiaaliteknisen haasteen.

Älypuhelinten akkukehitys näkyy viimein luvuissa, jotka olisivat vielä muutama vuosi sitten kuulostaneet poikkeuksellisilta. Markkinoille on tullut tavallisen paksuisia puhelimia, joiden akkukapasiteetti ylittää 7 000 milliampeerituntia eli mAh:ta.

Muutoksen takana on piitä hyödyntävä anodimateriaali. Kiinalaiset valmistajat Honor, Oppo, OnePlus ja Xiaomi ovat ottaneet tekniikkaa käyttöön ensimmäisten joukossa, ja nyt myös Samsung käyttää pii-hiilianodia uusissa Galaxy Z Fold8 -sarjan taittuvissa puhelimissaan.

Engadget selvitti tekniikan hyötyjä ja heikkouksia akkumateriaaleja kehittävän AmpliSI-yhtiön toimitusjohtajan Ruth Sayersin sekä Seinäjoen ammattikorkeakoulun tutkimus- ja kehitysjohtajan Juho Heiskan kanssa. Haastatteluista hahmottuu lupaava mutta vielä tasapainoa hakeva ratkaisu: yhdellä latauksella päästään pidemmälle, mutta akun koko käyttöikä voi joissakin toteutuksissa jäädä lyhyemmäksi.

Nimi johtaa hieman harhaan

Pii-hiiliakku ei ole kokonaan uusi akkutyyppi eikä litiumioniakun korvaaja. Kyse on edelleen ladattavasta litiumioniakusta, jossa merkittävin muutos tehdään negatiiviseen elektrodiin eli anodiin.

Perinteisessä puhelinakussa anodin aktiivimateriaalina käytetään pääasiassa grafiittia. Pii-hiiliakussa osa grafiitista korvataan piitä sisältävällä komposiitilla. Katodi, elektrolyytti, erottimet, suojapiirit ja muut kennon osat ovat yhä ratkaisevia kokonaisuuden toiminnalle.

Latauksen aikana litiumionit siirtyvät katodilta elektrolyytin läpi anodiin, jossa ne varastoituvat. Kun puhelinta käytetään, prosessi kääntyy ja sähkövirta ruokkii laitteen näyttöä, suoritinta, modeemia ja muita komponentteja.

Grafiitti on kevyt, toimivaksi hiottu ja hyvin syklejä kestävä materiaali, mutta sen kyky varastoida litiumia rajoittaa energiatiheyttä. Sayersin mukaan grafiitin kapasiteetti on noin 330 milliampeerituntia grammaa kohden, kun taas piin teoreettinen kapasiteetti on moninkertainen ja suuruusluokaltaan noin kymmenkertainen.

Pii muodostaa latauksessa litiumin kanssa seoksia, minkä ansiosta samaan massaan voidaan sitoa enemmän litiumia. Tämä on koko tekniikan keskeinen etu: akkuun saadaan lisää energiaa kasvattamatta puhelinta samassa suhteessa.

Sama tila voidaan käyttää kahdella tavalla

Kasvanut energiatiheys voidaan hyödyntää joko suurempana akkukapasiteettina tai pienempänä fyysisenä akkuna. Valmistaja voi siis rakentaa puhelimen, joka kestää pidempään yhdellä latauksella, tai käyttää säästyneen tilan ohuempaan runkoon, jäähdytykseen, kameroihin ja muihin komponentteihin.

OnePlus 15 havainnollistaa ensimmäistä vaihtoehtoa. Puhelimessa on 7 300 mAh:n Silicon NanoStack -akku, vaikka laite ei ole poikkeuksellisen paksu. Engadgetin omassa yhtäjaksoisessa paikallisen videon toistotestissä puhelin kesti 38 tuntia ja 30 minuuttia, kahdeksan tuntia pidempään kuin edeltäjänsä.

Oppo on vienyt kapasiteetin vielä pidemmälle. Find X9 -mallissa on 7 025 mAh:n ja Find X9 Prossa 7 500 mAh:n akku. Valmistajan mukaan anodin piipitoisuus on 15 prosenttia ja Find X9 -sarja voi tavallisessa käytössä yltää jopa kahteen päivään yhdellä latauksella. Kyse on Oppon omiin laboratoriotesteihin perustuvasta väitteestä, joten käytännön tulos riippuu käyttötavasta.

Samsung käyttää samaa materiaaliperiaatetta varovaisemmin. Yhtiö kertoo lisänneensä Galaxy Z Fold8 -sarjaan pii-hiilianodin energiatiheyden parantamiseksi. Galaxy Z Fold8 Ultrassa kapasiteetti on 5 000 mAh, mutta tavoitteena on ollut suuren luvun lisäksi mahduttaa akku entistä ohuempaan taittuvan puhelimen rakenteeseen.

Akkukapasiteetti ei yksin määrää käyttöaikaa. Näytön koko ja kirkkaus, suorittimen hyötysuhde, mobiiliverkon kuuluvuus, kameran käyttö, pelaaminen, taustasovellukset ja ohjelmiston optimointi vaikuttavat siihen, kuinka nopeasti varaus kuluu.

Pii paisuu latauksessa rajusti

Piin suurin ongelma on sama ominaisuus, joka tekee siitä tehokkaan. Kun materiaali ottaa vastaan litiumia, sen tilavuus kasvaa huomattavasti. Heiskan arvion mukaan grafiitti laajenee lataussyklin aikana noin 10 prosenttia, kun piin tilavuuden muutos voi äärimmillään olla noin 400 prosenttia.

Toistuva paisuminen ja kutistuminen rasittaa hiukkasia, sähköä johtavia yhteyksiä sekä elektrodin pintaan muodostuvaa suojaavaa rajakerrosta. Materiaali voi halkeilla, uutta pintaa paljastua elektrolyytille ja osa litiumista sitoutua reaktioihin, joista se ei enää palaa normaaliin latauskiertoon.

Seurauksena kapasiteetti voi heikentyä nopeammin kuin hyvin optimoidussa grafiittianodissa. Tästä syystä nykyisissä kaupallisissa puhelinakuissa ei käytetä puhdasta piianodia, vaan pii yhdistetään grafiittiin ja muihin materiaaleihin.

Valmistajat yrittävät hallita muutosta muun muassa hiukkaskoolla, huokoisilla rakenteilla, sideaineilla, pinnoitteilla, elektrolyytin lisäaineilla ja akun latausta ohjaavalla elektroniikalla. Jokainen ratkaisu etsii samaa kompromissia: piitä pitäisi olla tarpeeksi energiatiheyden kasvattamiseen, mutta ei niin paljon, että akun kesto romahtaa.

Siksi kaikki pii-hiiliakut eivät ole keskenään samanlaisia. Pelkkä materiaalin nimi ei kerro piin osuutta, kennon rakennetta, todellista energiatiheyttä eikä sitä, kuinka hyvin valmistaja on saanut paisumisen ja sivureaktiot hallintaan.

Pidempi käyttöaika ja pidempi käyttöikä ovat eri asioita

Engadget nostaa esiin Samsungin uusien taittuvien puhelinten EU-tiedot. Galaxy Z Fold8 -malliston akuille ilmoitetaan 1 200 lataussykliä ennen kapasiteetin putoamista 80 prosenttiin alkuperäisestä, kun edeltävän sukupolven ilmoitus oli 2 000 sykliä.

Luvut näyttävät suurelta pudotukselta, mutta ne eivät yksin todista pii-hiilianodin olevan koko eron syy. Akun käyttöikään vaikuttavat myös esimerkiksi katodin ja elektrolyytin kemia, latausjännitteet, lämpötila, pikalatauksen hallinta sekä se, millä varmuusmarginaalilla valmistaja käyttää kennon kapasiteettia.

EU:n määritelmässä yksi sykli tarkoittaa yhteensä täyttä latausta ja purkausta. Esimerkiksi kaksi latausta, joissa akkuun palautetaan kummallakin kerralla 50 prosenttiyksikköä kapasiteettia, vastaavat yhdessä yhtä täyttä sykliä. Ilmoitettu sykli-ikä päättyy siihen, kun käytettävissä oleva kapasiteetti on laskenut 80 prosenttiin uuden akun nimelliskapasiteetista. Akku ei tuossa kohdassa lakkaa toimimasta, mutta sen käyttöaika on selvästi lyhentynyt.

EU:ssa kesäkuusta 2025 alkaen markkinoille tuotujen älypuhelinten akun on kestettävä vähintään 800 täyttä sykliä ja säilytettävä niiden jälkeen vähintään 80 prosenttia alkuperäisestä kapasiteetistaan. Energiamerkintä näyttää mallikohtaisen sykli-iän, joten ostajan ei tarvitse nojata pelkkään valmistajan yleiseen lupaukseen pitkäikäisyydestä.

Sykli-ikä ei myöskään muutu suoraan kalenterivuosiksi. Jos puhelin vaatii täyden lataussyklin joka päivä, 1 200 sykliä vastaa laskennallisesti noin 3,3 vuotta. Jos suuri akku tarvitsee saman käytön vuoksi täyden syklin vain joka toinen päivä, sama syklimäärä kuluu teoriassa kaksi kertaa hitaammin.

Todellisuudessa akku vanhenee myös ajan, lämmön ja pitkään hyvin korkealla varaustasolla olemisen vaikutuksesta. Suuri kapasiteetti voi siis vähentää lataussyklien määrää, mutta se ei pysäytä kennon kalenterivanhenemista.

Tekniikka voi auttaa myös pikalatauksessa

Pii voi ottaa litiumia vastaan grafiittia nopeammin, mikä voi helpottaa suuren lataustehon käyttöä. Heiskan mukaan grafiitissa litiumionien on liikuttava materiaalin kerrosten väliin, kun taas pii reagoi latauksen alussa nopeasti.

Pelkkä pii ei silti tee akusta automaattisesti nopeasti latautuvaa. Todellinen latausnopeus määräytyy koko kennon, latauspiirien, lämpötilan hallinnan, kaapelin, laturin ja valmistajan ohjelmiston perusteella. Suuri hetkellinen wattimäärä ei myöskään kerro, kuinka pitkään puhelin pystyy pitämään tehon korkealla kuumenematta.

Raaka-aineena pii on runsas ja laajasti saatavilla. Akkukäyttöön soveltuvien hienorakenteiden valmistaminen, niiden pinnoittaminen ja liittäminen olemassa olevaan tuotantoon on kuitenkin grafiittia kalliimpaa ja vaativampaa.

Älypuhelin on tekniikalle luonteva ensimmäinen suuri markkina. Yksittäinen akkukenno on sähköauton akustoon verrattuna pieni, lisäkustannus voidaan helpommin sisällyttää kalliin puhelimen hintaan ja käyttäjälle saatava hyöty näkyy heti pidempänä käyttöaikana tai ohuempana laitteena.

Pii-hiili ei tee akusta paloturvallista

Koska kyse on edelleen litiumioniakusta, pii-hiiliratkaisu ei poista vaurioituneisiin, väärin ladattuihin tai ylikuumentuneisiin kennoihin liittyviä riskejä. Turvallisuus riippuu kokonaisuudesta: kennon kemiasta ja rakenteesta, erottimista, suojapiireistä, lämmönhallinnasta, valmistuslaadusta ja laitteen mekaanisesta suojauksesta.

Samsung on itse todennut pii-hiilimateriaalien olevan grafiittia reaktiivisempia. Yhtiön mukaan uuden anodin käyttö vaati koko akkujärjestelmän optimointia pitkäaikaisen vakauden säilyttämiseksi korkeilla jännitteillä. Z Fold8 -malleissa käytetään lisäksi kaksireittistä latausrakennetta virran ja lämmön tasaisempaan hallintaan.

Tämä ei tarkoita, että kaupallinen pii-hiiliakku olisi lähtökohtaisesti vaarallinen. Se tarkoittaa, ettei turvallisuutta tai kestävyyttä voi päätellä yhdestä markkinointitermistä. Ratkaisevaa on valmiin laitteen testaus ja se, miten valmistaja hallitsee uuden materiaalin ominaisuuksia.

Nämä tiedot kannattaa tarkistaa puhelinta ostaessa

Pii-hiiliakku voi olla merkittävä parannus, mutta ostajan kannattaa katsoa mAh-luvun lisäksi riippumattomia käyttöaikatestejä. Kahden samankokoisen akun tulokset voivat erota huomattavasti, jos toisessa puhelimessa on energiatehokkaampi näyttö, järjestelmäpiiri tai ohjelmisto.

EU:n energiamerkistä löytyvät sekä käyttöaika yhdellä latauksella että akun kesto täysinä sykleinä. Samasta merkistä näkee myös korjattavuusluokan. Pitkään pidettävässä puhelimessa helposti ja kohtuuhintaisesti vaihdettava akku voi olla tärkeämpi ominaisuus kuin uuden kennon näyttävä kapasiteettiluku.

Myös ohjelmistotuen pituus on syytä suhteuttaa akun elinkaareen. Erinomainen akku menettää osan arvostaan, jos puhelimen tietoturvapäivitykset loppuvat varhain, ja pitkä ohjelmistotuki hyödyttää vähemmän, jos kulunutta akkua ei käytännössä pysty vaihtamaan.

Käytössä akun suurimpia vihollisia on lämpö. Puhelinta ei kannata jättää latautumaan kuumaan auringonpaisteeseen tai peittää niin, ettei lämpö pääse poistumaan. Valmistajan hyväksymä laturi, ehjä kaapeli ja puhelimen oma optimoitu lataustoiminto ovat turvallisempi lähtökohta kuin satunnaiset keinot puristaa latauksesta viimeiset minuutit pois.

Pii-hiilitekniikka ei siis ratkaise kaikkia puhelinakkujen ongelmia yhdellä kertaa. Se murtaa kuitenkin pitkään vallinneen noin 5 000 mAh:n kapasiteettikaton ilman paluuta paksuihin tiiliskivipuhelimiin. Parhaassa toteutuksessa suuri energiatiheys yhdistyy dokumentoituun sykli-ikään, hallittuun lämpöön ja vaihdettavaan akkuun. Vasta silloin pidempi aika latausten välillä muuttuu myös aidosti pidemmäksi laitteen elinkaareksi.