Helt siden den italienske fysikeren Alessandro Volta demonstrerte det første elektrokjemiske batteriet i år 1800, har vitenskapen lett etter stadig bedre batterier. Volta, som i dag hedres med måleenheten Volt, brukte sink- og kobberplater som elektroder, mens papirskiver mettet med saltlake mellom disse fungerte som elektrodeseparator og elektrolytt.
Denne grunnleggende konstruksjonen er stadig den samme for alle batterityper, men materialene som batteriene består av har endret seg mye siden Voltas dager. Blant dagens utbredte og kommersielt tilgjengelige oppladbare batterier har vi tre hovedfamilier, basert på det viktigste materialet i batteriet: Bly, nikkel og litium.
Fakta: Slik virker det oppladbare batteriet
Blybatterier
Til tross for at blybatterier er et svært gammelt design, har denne teknologien holdt stand helt opp til våre dager. Grunnen til det er nok først og fremst at blybatteriet er tildels mye rimeligere enn sine nyere konkurrenter. I tillegg har blybatteriet hatt en videreutvikling siden det første kommersielle blybatteriet så dagens lys i 1881, slik at vi i dag har flere varianter som passer for forskjellige bruksområder å velge mellom.
De grunnleggende variantene er startbatteri (SLI) og «Deep cycle» batterier. Disse har flytende elektrolytt og elektroder av bly og blydioksid til felles, mens oppbygningen er forskjellig: Startbatteriet har mange tynne elektrodeplater i hver celle, som gir en stor overflate som kan levere svært mye strøm over kort tid. Deep cycle-batteriene har færre og tykkere elektrodeplater, som gir høyere kapasitet og er mer egnet for langvarig levering av lavere strømstyrker.
Av nyere dato er AGM og Gel blybatterier. Begge bruker de tradisjonelle elektrodematerialene, og begge bruker fortynnet svovelsyre som elektrolytt. Det som skiller disse fra de eldre designene er at elektrolytten ikke er flytende. AGM (Absorbent Glass Mat) har en glassfibermatte mettet med syren, mens Gel har syren bundet i et gelemateriale. Dette gjør at begge er sikre mot lekkasje av syre, og de er også vedlikeholdsfrie og dermed uten de karakteristiske fyllehullene som de tradisjonelle blybatteriene har.
Blybatterienes egenskaper
Sammenlignet med sine nyere konkurrenter er blybatterier rimelige – et startbatteri koster cirka en fjerdedel av det et Li-ionbatteri koster, når vi sammenligner kroner per kilowattime kapasitet. Blybatterier har også den laveste selvutladingsraten blant alle oppladbare batterier, helt ned mot 3 prosent per måned. En annen fordel med blybatteriene er at de har en høy spesifikk effekt, og de er i stand til å levere svært høye strømstyrker under utlading. De har også god ytelse ved både lave og høye omgivelsestemperaturer.
LEVETID: Selv om startbatterier og deep cycle-batterier har så å si samme oppbygning, er maks antall ladesykluser svært forskjellig. For så langt liv som mulig er det viktig å ikke lade dem for langt ut.
Listen over svakheter ved blybatterier er dessverre lengre, og handler om sentrale egenskaper og ting vi ønsker at batterier skal klare godt:
For det første er energitettheten, både med tanke på vekt og på volum, lav for blybatterier. Det betyr at en batteribank med blybatterier må være både større og tyngre enn en bank med tilsvarende energiinnhold, men basert på andre batteriteknologier.
Tiden det tar å lade opp blybatterier er også mye lenger enn for andre teknikker – blybatterier trenger 8-16 timer på lades opp, mens de andre utbredte teknologiene bruker 1-4 timer på å lades opp.
Antall ladesykluser før et batteri ikke lenger har 80 prosent av kapasiteten til et nytt, er den vanlige måten å definere levetiden til batteriet. Sammenlignet med alternativene er dette en målestokk blybatteriene kommer til kort etter.
Her må vi understreke at dette antallet kommer an på en lang rekke faktorer, der den viktigste er hvor dypt utladet batteriet er før lades opp igjen. Dette har sin egen term: Utladingsgrad, eller «Depth of Discharge», som forkortes DoD. For klassiske blybatterier med flytende elektrolytt ser sammenhengen slik ut:
Dette viser at blybatterier tåler dårlig å bli helt tømt. Tommelfingerregelen er at blybatterier ikke skal utlades mer enn 50 prosent, og det medfører jo at kapasiteten til batteriet i praksis er bare halvparten av det som er oppgitt på batteriet.
Disse batteriene krever også endel vedlikehold. Blybatterier med flytende elektrolytt må få etterfylt batterivann regelmessig etter lade/utlade-sykluser, og det anbefales også å toppe opp ladingen på dem hver 3-6 måneder. Denne vedlikeholdsladingen er påkrevd for å unngå sulfatering av batteriene. Til sist er blybatterier miljøskadelige. Blyet og elektrolytten er miljøgifter, til slik grad at det er egne regler for transport av disse batteriene. Derfor er disse batteriene helt avhengige av resirkulering når de er utrangerte.
AGM og gel er bedre
Sammenlignet med tradisjonelle blybatterier er både AGM- og gelbatterier bedre enn sine forgjengere. Det er egentlig kun startbatteriets evne til å levere stor strømstyrke over kort tid som er overlegen disse batteriene, selv om AGM-batteriet også klarer å levere tilstrekkelig med strøm til å kunne brukes som startbatteri.
Både AGM- og gelbatteriene har akkurat som de andre blybatteriene høy spesifikk effekt. De er vedlikeholdsfrie siden de ikke taper elektrolytt under bruk og opplading. De regnes også som tryggere og mer miljøvennlige, siden de er utslippsfrie, i tillegg til at de inneholder mindre bly og elektrolytt enn tradisjonelle blybatterier.
Et vanlig eksempel på bruksområder for slike batterier er nødstrømanlegg (UPS – Uninterruptible Power Supply). Vi finner slike batterier også ofte i båter og campingvogner, der de brukes til å levere forbruksstrøm. Den største ulempen, sammenlignet med tradisjonelle blybatterier, er at de er dyrere, fordi de har en høyere produksjonskostnad. Andre ulemper er at de er følsomme for høy omgivelsestemperatur, og de krever også tilpassete ladere som leverer helt korrekt ladestrøm for å unngå overlading.
Den største fordelen med AGM-batteriet er at det er mulig å lade det mye raskere enn vanlige blybatterier, samtidig som det tåler en høyere grad av utlading. Det tåler en utladingsgrad på 80 prosent uten å få redusert levetid, der blybatteriene er spesifisert med 50 prosent DoD for samme antall ladesykluser. AGM-batteriet har dermed i praksis en høyere kapasitet.
Gelbatteriene har enda lengre levetid enn AGM, blant annet fordi de transporterer høy temperatur ut av batteriet bedre. I UPS-installasjoner kan de derfor vare i opptil ti år, avhengig av hvor mange ganger blir utladet i løpet av perioden. Spenningen de leverer under utlading er også høy og jevn, det er først når de nærmer seg full utlading at de mister ytelsen.
Nikkelbatterier
Nikkelbaserte batterier kan også spore sin historie tilbake til slutten av 1800-tallet, men i dag er denne teknologien på vikende front på mange områder. Det er fordi litium-baserte batterier med sine enda sterkere egenskaper har overtatt mange av bruksområdene, til tross for en høyere pris. Derfor presenterer vi bare de to mest kjente variantene av nikkelbaserte oppladbare batterier.
Nikkel-kadmium (NiCd) ble kommersialisert på 1960-tallet, og har en negativ elektrode (anoden) lagd av kadmium og en nikkeloksid-hydroksid positiv elektrode (katoden). Elektrolytten er flytende, bestående av kaliumhydroksid oppløst i vann, som er sterkt alkalisk.
NiCd-batteriet har litt mindre energi per vekt enn blybatteriet, mens energi per volum er høyere. Et NiCd-batteri vil altså være litt tyngre, men mindre i omfang enn et blybatteri med samme energiinnhold. Den store fordelen til denne batteritypen er at det er robust og tilgivende, og er den batteritypen som kan lades raskest av alle. Med skikkelig vedlikehold har NiCd mer enn 1.000 ladesykler levetid, og det kan lagres lenge i utladet tilstand.
Ulempen med NiCd er at det har en kraftig minneeffekt. Batteriet må lades helt ut før opplading, ellers vil kapasiteten reduseres fra toppladet til et nytt null-nivå der ladingen startet. NiCd har også en ganske høy selvutladingsrate, på 10 prosent det første døgnet etter opplading, deretter 10 prosent per måned. NiCd er heller ikke særlig miljøvennlig. Kadmium er en miljøgift, og elektrolytten er også forurensende, så slike batterier må resirkuleres profesjonelt når levetiden er omme.
Nikkel metallhydrid (NiMH) kom på markedet i 1990, og er en videreutvikling av NiCd, særlig med tanke på å bøte på de alvorligste svakhetene til NiCd. Katoden er stadig nikkelbasert, mens i anoden er kadmiumet erstattet med en legering som absorberer hydrogen. Det gjør NiMH mye mer miljøvennlig, til den grad at oppladbare battericeller i standardstørrelser som AA og AAA med flere, finnes til erstatning for engangs alkaliske batterier på forbrukermarkedet.
NIMH har langt høyere energitetthet og kapasitet enn NiCd, men selvutladingsraten er også høyere – 20 prosent det første døgnet, deretter 10 prosent per måned. Dette er blant de høyeste selvutladingsratene når vi sammenligner alle batterier. Minneeffekten er adskillig lavere, men også NiMH må lades helt ut og lades opp på ny hver tredje måned. Levetiden er opptil halvparten av det NiCd kan tilby – 300 til 500 ganger.
Litiumbatterier
Den vanligste betegnelsen på batterier basert på grunnstoffet litium er «Li-ion batterier». Dette er et fellesnavn på en rekke forskjellige batteridesign, det er ikke én spesifikk batteritype. Det disse batteriene har til felles er at de utveksler positivt ladete litium-ioner mellom elektrodene inni battericellen. Sånn sett fungerer disse batteriene på akkurat samme måte som det enkleste blybatteri, men materialene i disse batteriene er adskillig mer kompliserte:
Den negative anoden består som regel av porøst karbon i form av grafitt. Elektrolytten er vanligvis et litiumsalt, litium hexafluorfosfat, oppløst i en organisk løsning som er etylen- eller propylenbasert. Til sist er stor variasjon av hva den positive elektroden, katoden, er lagd av. Denne variasjonen gir Li-ionbatterier forskjellige egenskaper og ytelse, slik at de er best egnet til forskjellige oppgaver.
Den kompliserte kjemien gjør at benevnelsene vi kjenner fra eldre batterityper ikke fungerer spesielt bra for litiumbatterier – du skal være bra spesielt interessert, eller være utdannet kjemiker for å ha glede av de kjemiske benevnelsene på disse batteritypene.
KOMPLISERT KJEMI: Litiumbatteriene utmerker seg meg mye mer avansert kjemi enn sine forgjengere. Det har gjort det nødvendig med enkle kortnavn og forkortelser.
Bare for å illustrere dette, kan vi se på en av de eldste variantene av litiumbatterier, som særlig har vært brukt i mobiltelefoner, bærbare datamaskiner og andre elektronikkprodukter: Litium-koboltoksid, som kom på markedet allerede i 1991. I dette designet er den positive katoden lagd av litium og koboltoksid, med den kjemiske formelen LiCoO2. I tillegg har elektrolytten formelen LiPF6. Dette er det svært få som går rundt og sier, så i dagligtalen kalles dette batteriet ofte for «litium-kobolt», og kjemien forkortes ofte til LCO.
I fortsettelsen i denne og andre artikler her på Minenergi kommer vi til å bruke kortnavnet eller forkortelsen til batterikjemien i forskjellige typer vanlige Li-ionbatterier etter følgende oversikt:
Fordelene til Li-ion
Selv om de enkelte typene av Li-ionbatterier har spesifikke egenskaper basert på hvilke materialer de er bygd opp av, så finnes det generelle fellestrekk som gjelder for dem alle. Litium er det letteste av alle metaller, og har det største elektrokjemiske potensialet og den høyeste energitettheten av alle de vanlige batteritypene. Det betyr at om vi sammenligner med for eksempel blybatterier har Li-ionbatterier flere ganger energimengden, både når vi ser i forhold til vekten og til volumet. Spenningen per celle er også langt høyere, de fleste Li-ionvariantene har en nominell cellespenning mellom 3 og 4 volt, mens blyceller til sammenligning stiller med 2,1 volt.
ENERGITETTHET: Li-ionbatteriene er langt overlegen sine forgjengere når det kommer til energi per vekt og volum. Til gjengjeld er de også mye dyrere, i tillegg til risikoen denne energitettheten fører med seg. (Kilder: batteryuniversity.com og Wikipedia)
Li-ionbatterier krever lite vedlikehold, og tåler å lagres i årevis uten noen form for vedlikeholdslading eller annet stell, bare de ikke lades med maksimal opplading. Maksimalt antall ladesykluser er høyt – selv med 100 prosent utladingsgrad (DoD) har disse batteriene flere hundre til mange tusen sykluser inne, alt etter hvilken batterikjemi vi snakker om. For eksempel er Li-titanbatterier svært dyre, men kan ha opptil 20.000 sykluser når de behandles riktig. Generelt lader Li-ionbatterier relativt raskt, de fleste variantene trenger tre timer med korrekt ladestrøm for å bli fullt oppladet igjen.
Til sist er selvutladingsraten svært lav, mindre enn 5 prosent per måned. Mesteparten av denne utladningen skjer heller ikke på grunn av batterikjemien; det er fordi Li-ionbatterier har innebygd elektronikk for å beskytte batteriet mot den store svakheten til disse batteriene: faren for ukontrollert overoppheting som lett kan føre til brann i batteriet.
Ulempene til Li-ion
Alle energilagre representerer en risiko for ulykker, enten det dreier seg om dampkjelen til et gammeldags lokomotiv eller bensintanken til en bil. Slipper energien løs ukontrollert medfører det brann, eksplosjon eller begge deler. Dette er tilfellet for Li-ion batterier også, og det kan vi se på som skyggesiden til fordelen med at de holder på så mye energi.
Risikoen forbundet med Li-ionbatterier er overoppheting, som fører til at elektrolytten utvider seg og batteriet sprekker. Da lekker den svært brennbare elektrolytten ut, og vil ta fyr som følge av temperaturen omkring. Et Li-ionbatteri kan utvikle en løpsk overoppheting (engelsk «thermal runaway») om det blir varmt nok, og avhengig av hvilken batterikjemi vi snakker om, vil dette kunne begynne ved temperaturer mellom 140 og 220 ℃. Ved 190 til 240 ℃ løper dette løpsk.
Årsaker til overopphetingen kan være flere: kortslutning, fabrikasjonsfeil og over/underspenning.
Siden energien i batteriet er så høy, er risikoen for store konsekvenser av slike feil tilstede. Derfor har batteriindustrien utviklet mottiltak mot dette: I alle Li-ionbatterier fra seriøse leverandører skal det finnes en elektronikkrets som overvåker batterispenningen. Dersom den blir for lav eller for høy, så kobles batteriet bort fra sine omgivelser. Denne funksjonen kalles et «Battery Management System», BMS. Når vi snakker om 100 prosent DoD på slike batterier, så betyr altså dette at batteriet ikke er helt tomt, det bare nærmer seg minimalt tillatt spenning, og da kobler BMS batteriet av lasten. Tilsvarende vil BMS stoppe videre opplading om laderen forsøker å dytte på mer strøm etter at maksimal opplading er oppnådd.
Det er klart at BMS ikke vil kunne stoppe alle feilsituasjoner fra å utvikle seg til en alvorlig brann. For eksempel vil en knust batteripakke som følge av en bilulykke med en elbil ikke nødvendigvis kunne sikres med BMS. Likevel regnes ikke risikoen forbundet med Li-ionbatterier å være uakseptabelt høy, og enkelte varianter som for eksempel Li-fosfat regnes som svært lite risikabel. Det er likevel viktig å forstå risikoene forbundet med denne batterifamilien.
Andre ulemper ved Li-ion er at de ikke kan lades i temperaturer under 0℃, og naturligvis prisen. Ifølge en oversikt på Wikipedia, er Li-kobolt og Li-mangan cirka fire til seks ganger dyrere enn blybatterier, og Li-titan over 20 ganger så kostbart, målt i kroner per kilowattime.
OPPSUMMERT: Her er de tre hovedfamiliene av oppladbare batterier oppsummert. De har alle sine fordeler og ulemper, og noen av dem er det viktig å være klar over. (Kilde: batteryuniversity.com)