Slik virker det oppladbare batteriet

I våre dager finner vi batterier nesten overalt. Denne teknologien er avgjørende når vi snakker om elektrifiseringen i forbindelse med det grønne skiftet, eller den generelle digitaliseringen i samfunnet. Derfor skal det ikke komme som en overraskelse at det har vært forsket på batteriteknologi i svært lang tid – blybatteriet, som de klassiske bilbatteriene, ble kommersialisert allerede i 1881.

Det pågår stadig en intens forskningsaktivitet verden over for å komme opp med bedre batterier.

Ett av resultatene av denne aktiviteten er at vi nå har en lang rekke forskjellige batterityper å forholde oss til. Den største forskjellen på batteritypene er hvilke materialer som er i bruk for å drive den elektrokjemiske prosessen som skjer inni batteriene når vi bruker dem. Her er en introduksjon til batterier, særlig de oppladbare.

Stadig viktigere

Batterier har først og fremst vært brukt som en portabel energikilde for ting vi bruker når vi er borte fra fastnettet: Lommelykt, mobiltelefon, bærbare datamaskiner, startmotoren i kjøretøy og en utall andre slike anvendelser. I tillegg har stasjonære batteribanker fungert som nødstrømanlegg for særlig viktige datamaskiner og for operasjonssaler og andre kritiske enheter innen helse.

Alle tegn i tiden tyder på at vi kommer til å se langt flere slike batteribanker framover, både hos virksomheter og i private hjem.

Fastnettet for elektrisitet fungerer slik at det må produseres like mye kraft som det konsumeres - elektrisitet kan ikke lagres i ledningsnettet. Det er et problem når vi ser på kraftproduksjon basert på vindmøller og solceller, som produserer kun når værforholdene tillater det. For en mindre installasjon kan en batteribank løse det problemet, slik at produksjon og forbruk ikke trenger å skje på samme tid.

Batteribanker har også en funksjon der forbruket kun skjer fra fastnettet. I tider der strømprisen varierer sterkt i løpet av døgnet, kan batteriene flate ut energitopper. Da lades de opp mens prisen er lav, og når strømprisen er høy, kan nettet kobles fra og batteriene dekke behovet i stedet.

Slik virker batteriet

Et batteri er et lager av kjemisk energi. Denne energien finnes i materialene som elektrodene som batteripolene er koblet til, er lagd av. I tillegg består batteriet av en elektrolytt og en elektrodeseparator mellom elektrodene. Den positive elektroden (katoden) er lagd i et materiale med overskudd av protoner, mens den negative (anoden) har et overskudd av elektroner. Elektrolytter er tradisjonelt en væske som leder elektrisitet, mens det i dag også finnes elektrolytter i fast form. Elektrodeseparatoren er porøs og slipper gjennom ladete partikler – ioner – samtidig som den hindrer direkte kontakt mellom elektrodene og deres elektrolytter.

Når vi kobler batteripolene sammen i en elektrisk krets omgjøres den kjemiske energien til elektrisk energi i form av negativt ladete elektroner som strømmer gjennom den utvendige kretsen. Denne energien kan brukes til å utføre et arbeid.

Samtidig skjer det en en utveksling av positive ioner gjennom elektrolytten og elektrodeseparatoren mellom elektrodene inni batteriet. Dette skjer fordi naturlovene krever at den eksterne elektronstrømmen må balanseres internt for at det skal bli et komplett kretsløp.

Så lenge batteriet har aktivt elektrodemateriale vil denne prosessen pågå. Når dette materialet er oppbrukt, så vil batteriet ikke lenger gi strøm.

Batterier og celler

Batteriet vi har beskrevet over er et en-cellet batteri, eller en enkelt battericelle. Avhengig av hvilke materialer som er brukt i elektrodene vil denne cellen vanligvis ha en nominell spenning på 1 til 4 volt. Et vanlig lommelyktbatteri, tørrbatteri eller alkalisk, er en enkelt celle som holder 1,5 Volt. Et slikt batteri kalles også for et «primærbatteri», som når det er tømt for elektrisitet er brukt opp, og må resirkuleres. I resten av denne artikkelen er det imidlertid oppladbare batterier, eller «sekundærbatterier», vi skal fokusere på.

Den typen oppladbart batteri de fleste har sett med egne øyne, er antakelig bilbatteriet. I sin klassiske form er dette batteriet en plastboks med to store batteripoler og seks korker for etterfylling av batterivann. Bilbatterier omtales som «blybatterier» på grunn av kjemien i det: Anoden er lagd av bly, katoden er lagd av blydioksid, og elektrolytten er fortynnet svovelsyre. En slik battericelle har en nominell spenning på 2 Volt, mens maksimalt oppladet kan den ha opptil 2,45 Volt.

Et bilbatteri har en nominell spenning på 12 Volt, og dette tallet kommer fra summen av seks 2-Voltceller. Cellene er seriekoblet, det vil si at plusspolen på én celle er koblet til minuspolen på den neste, hele veien gjennom de seks cellene. Da vil spenningen mellom pluss- og minuspolen i endene bli til summen av spenningen til de seks cellene i koblingen. Det er derfor bilbatterier alltid har seks fyllehull, fordi batteriet består av seks battericeller.

Alternativet til seriekobling er parallellkobling, der alle plusspolene kobles sammen til den ene batteripolen, og alle minuspolene kobles sammen til den andre. Da vil batteriets spenning bli den samme som én av battericellene, mens kapasiteten til batteriet vil bli mye større, fordi den interne motstanden inni batteriet blir mye mindre.

Prinsippene for parallell- og seriekobling av hele batterier med flere celler følger de samme reglene.

Ut- og opplading av batterier

Når vi bruker strøm av bilbatteriet, sender vi elektroner mellom batteripolene og gjennom noe som gjør et arbeid, for eksempel startmotoren til en dieselmotor. Samtidig skjer det en elektrokjemisk reaksjon inni batteriet.

Svovelsyren i elektrolytten splittes til hydrogenioner og sulfationer. For å kompensere for elektrontransporten fra den negative til den positive elektroden, strømmer negativt ladete sulfationer inn i den negative elektroden. Der binder de seg til det rene blyet, og danner blysulfat. Den positive elektroden er lagd av blydioksid, som splittes i bly og oksygen. Oksygenet går over til elektrolytten, mens blyet binder seg til sulfatet i elektrolytten og danner blysulfat. I elektrolytten binder oksygenet seg til hydrogenionene, og danner vann. Når dette batteriet er helt tomt, så står vi igjen med at begge elektrodene er dekket med blysulfat, samtidig som at elektrolytten består av vann i stedet for fortynnet svovelsyre.

Når vi skal lade opp dette batteriet kobler vi til en ekstern strømkilde, minus til minus og pluss til pluss. Da reverseres prosessen over, vi sender elektroner inn på den negative elektroden, og blysulfatet i begge elektrodene omdannes til bly og blydioksid, samtidig som at elektrolytten blir til syre igjen. Dette er i alle fall det som skal skje i en ideell verden.

Ikke perfekt

Problemet er at ladeprosessen ikke er perfekt. Elektrodene regenereres ikke til det identiske av det de var før vi brukte batteriet, ikke når vi ser på molekyl-nivå. I tillegg er det tap i utlade-ladeprosessen, der både oksygen og hydrogen er gasser som kan slippe ut av batteriet. Resultatet er at et nylig oppladet batteri ikke er identisk med slik det var før vi ladet det ut.

Dette er grunnen til at oppladbare batterier ikke varer evig. Når batteriet har gått gjennom tilstrekkelig mange utlade-oppladesykluser, så vil ikke elektrodene lenger yte slik de gjorde da batteriet var nytt. Dette fenomenet kalles «maks ladesykluser» eller «cycle life» på engelsk. Når dette antallet er oppnådd er batteriet mest sannsynlig brukt opp, og må resirkuleres.

I tillegg er heller ikke elektrodeseparatoren inni battericellene helt perfekt. Det betyr at battericellen ikke er potte tett for ionevandring mellom anodene og katodene, selv om batteriet ikke er koblet til en ekstern krets. Resultatet av dette fenomenet er at batteriet langsomt mister lading, selv om det ikke brukes til noe. Dette kalles «selvutlading».

Enkelte eldre batterityper sliter også med et fenomen som kalles «minneeffekten». Den gjør at om du lader opp et batteri som ikke er fullstendig utladet, så vil batteriet «huske» nivået der oppladingen startet som nytt nullpunkt. Det betyr at batteriet får lavere totlalkapasitet, fordi det ikke kommer til å utlades lavere enn det nye nullpunktet. Dette kommer av at i disse batteritypene dannes salter av elektrodematerialet og elektrolytten. Disse saltene danner krystaller som ikke er helt jevne, og dermed blir det krystaller igjen når vi lader opp et batteri som ikke er helt utladet.

Disse svakhetene har alle oppladbare batterier, men i forskjellig grad, alt etter hvilke stoffer batteriet er bygd opp av. I tilfellet for blybatteriet er levetiden oppgitt til 50 til 100 ganger, men opptil 500 om batteriet bare er 40 prosent utladet før det lades opp igjen. Hastigheten på selvutlading av blybatterier er oppgitt til 3 til 20 prosent (av full nominell kapasitet) per måned. Blybatterier er ikke plaget med minneeffekten.

Riktig sammenligning

Når vi sammenligner ytelsen til forskjellige bilbatterier, så sjekker vi enheten Amperetimer (Ah) som vi som regel finner på etiketten på batteriet. Et batteri på 120 Ah har dobbel kapasitet som et 60 Ah batteri. Dette er greit. Problemet med enheten Amperetimer er at den ikke er komplett for å beskrive energimengden i batteriet. I tillegg må vi vite hvilken nominell spenning batteriet har – i tilfellet for bilbatterier er saken grei, fordi de alle holder 12 Volt. Det er ikke tilfellet i for eksempel elbiler og mange batteribanker, og da vil ikke enheten Amperetimer være tilstrekkelig for å si noe om hvor mye energi det er i batterisystemet.

Om vi skal sammenligne egenskapene til forskjellige batteriteknologier, så ser vi gjerne på egenskapene til den enkelte battericellen. Og der har vi jo sett at den nominelle spenningen kan være alt fra 1 til 4 Volt – da kan vi heller ikke sammenligne Amperetimer direkte, siden den enheten er avhengig av spenningen.

Løsningen er å bruke en annen enhet for kapasiteten: Wattimer (Wh). Dette er produktet av batteriets spenning, utladestrøm og utladetid, noe som blir til samme størrelse, uavhengig av hvilken nominell spenning batteriet opererer med.

Her er det verd å merke seg at om vi skal være helt presise med begrepene, så er Wattimer altså et uttrykk for den elektriske energien som er lagret i batteriet.

Mange kriterier

Det er opplagt at hvor mye energi som finnes i et batteri er en svært viktig egenskap ved det. Dette er likevel slett ikke den eneste målestokken som en gitt batteriteknologi kan holdes opp mot. Det er faktisk overraskende mange faktorer som spiller inn når man skal velge en batteriteknologi nå.

Innbyrdes størrelse, vekt og prisnivå er viktige elementer. Hvilket fysisk miljø batteriene må tåle er et annet. Det er også grunnleggende hva batteriene skal brukes til, det vil påvirke hvilken batteriteknologi som er det beste valget for en gitt anvendelse.

Her er en liste over de viktigste, men slett ikke alle, kriteriene vi kan vurdere batterier etter:

Kostnad: Dette er prisen for mengden energi som lagres, oppgis vanligvis som kr/Wh.
Energitetthet per vekt: Dette er mengden energi per vektenhet med batterier, oppgis som Wh/kg.
Energitetthet per volum: Mengden energi per volumenhet med batteri, oppgis som Wh/l.
Spesifikk effekt: Et måltall for hvor mye energi batteriet kan lades opp med, eller mengden strøm batteriet kan levere. Oppgis vanligvis som W/kg.
Max ladesykluser: Antallet ganger batteriet kan utlades/opplades før det ikke lenger oppfyller sin spesifikasjon. Dette er et estimat når en spesifikk lading og utlading er brukt, og vil påvirkes av andre faktorer, som temperatur, luftfuktighet og hvor dypt utladet batteriet har vært.
Selvutladingsrate: Et prosenttall som forteller hvor mye av batteriets totale kapasitet som tapes per måned når batteriet ikke er tilkoblet. Oppgis som %/måned.
Minneeffekt: Graden av minneeffekt i batteriet, dette oppgis vanligvis som en gradering som: «lav», «middels» og «høy».
Temperatur: Temperaturområdet batteriet kan fungere i, oppgis som et intervall i grader Celsius.

I neste del av denne artikkelserien sammenligner vi de mest kjente og de nyeste batteritypene som er på markedet.