Hvordan virker et batteri?
Generelt om batterier.
Komponenter i en celle og et batteri
Et batteri er en anordning, som omdanner kemisk energi direkte til elektrisk energi gennem en elektrokemisk reaktion. Den kemiske energi lagres i batteriets aktive materiale, og den elektriske energi bruges ved udladning i f.eks. en glødepære, en mobiltelefon eller en laptop. Ved udladningen flyder en strøm af elektroner fra batteriet gennem en ekstern elektrisk kreds. Hvis det er et genopladeligt batteri, kan batteriet genoplades ved at drive elektronerne med en ekstern spændingskilde i modsat retning.
Begrebet batteri bruges ofte, men den grundlæggende elektrokemiske enhed er en "celle". Et batteri består i princippet af flere sammensatte celler. Det kan være svært at bruge det rigtige begreb konsekvent, da mange husholdningsceller i dagligt tale kaldes for batterier.
De aktive materialer i en celle er den negative elektrode (anoden), den positive elektrode (katoden) og en elektrolyt.
- Den negative elektrode afgiver elektroner til den eksterne kreds ved udladning. Elektrokemisk oxidation
- Den positive elektrode tager imod elektroner fra den eksterne kreds ved en udladning. Elektrokemisk reduktion
- Elektrolytten er en ionleder, som transporterer ladning mellem den negative og positive elektrode inde i cellen.
Den mest fordelagtige kombination af anoder, katoder og elektrolyt er en, som har lav vægt, høj cellespænding og høj kapacitet. I praktiske celler findes der ikke så mange systemer at vælge imellem, her er egenskaber som omkostninger, nem produktion, stabilitet mv. afgørende.
Anoder fremstilles ofte i en form for metal. Zink er meget almindeligt, og i den senere tid er lithium, den letteste form for metal, blevet meget attraktivt. Det mest almindelige katodemateriale er en metaloxid såsom mangandioxod eller blydioxid. Elektrolytten skal være en god ionleder, men skal ikke lede elektroner. Vandbaserede elektrolytter har en høj ionledningsevne, f.eks. fortyndet svovlsyre. I visse celler er elektrolytten fikseret som gel eller polymer. I cellen er anoden og katoden isoleret fra hinanden gennem en separator.
Cellen kan konstrueres i forskellige geometriske udformninger: cylindrisk, knapcelle, flad eller prismeformet. Cellen lukkes til for at forhindre lækage og udtørring af elektrolytten. Visse celler har en ventil, som kan frigive de gasser, som dannes. Celletilslutningen, som forbindes til den eksterne kilde, polerne, har mange forskellige udformninger. På knapceller er det dækslet og bunden, som er poler, og på et blybatteri er det en cylindrisk blystav.
Celler og batterier benævnes ofte som primære (ikke-genopladelige) eller sekundære (genopladelige), alt afhængigt af, om den elektrokemiske proces er mulig at drive i to retninger, ladning/udladning.
Elektriske egenskaber
Hvis en anode, den negative elektrode, dyppes i en elektrolyt, sker der en elektrokemisk reaktion, som danner et overskud af elektroner i anoden. Hvis en katode dyppes i samme elektrolyt, sker en elektrokemisk reaktion, som medfører et underskud af elektroner. Hvis anoden og katoden tilsluttes til hinanden gennem en ekstern elektrisk leder, flyder en strøm af elektroder fra anoden til katoden, f.eks. gennem en glødepærer, som så lyser. Inde i cellen flyder på tilsvarende vis en strøm af ioner, som fører nyt materiale frem, så den elektrokemiske reaktion kan fortsætte.
Cellespænding
Den elektriske spænding i en celle afhænger af, hvilken type aktivt materiale som anoden og katoden består af. Mange elektrodematerialer listes i tabeller med et standardpotentiale. Dette er grundlaget for cellespændingen, så f.eks. en NI-CD-celle har 1,2 volt og en Li-Ion-celle 3,6 volt.
Når cellen belastes, fås en lavere spænding, og når cellen lades, fås en højere spænding. Forskellige begreber bruges: hvilespænding, nominel spænding, arbejdsspænding, slutspænding, ladespænding. For et blybatteri er hvilespændingen eksempelvis 2,1 volt, nominel spænding 2,0, arbejdsspænding 2,0-1,75 volt, slutspænding 1,75 volt og ladespænding 2,5 volt.
Kapacitet
Kapaciteten for en celle bestemmes af mængden af aktivt materiale, og den totale mængde elektricitet i den elektrokemiske reaktion er udtrykt i Coulumb (As) eller amperetimer (Ah). Det vil sige det antal af elektroner, som flyder fra anoden til katoden ved en fuldstændig udladning.
Energi
Elektrisk energi for en celle er spændingen multipliceret med kapaciteten, og enheden for energien er watt-timer (Wh). Så hvis en lithiumcelle har spændingen 3,5 volt og kapaciteten 3 Ah, er energien 10,5 VAh eller Wh. Ofte sammenlignes celleegenskaber mellem forskellige batterier med den energi, som celler har pr. vægtenhed eller volumenenhed. Almindeligvis angives værdien efter, hvor meget energi som kan være i et kg celle eller en liter celle. Enheden kaldes energitæthed og har enheden Wh/kg eller Wh/liter.
Effekt
Effekten for en celle beregnes så som spændingen multipliceret med strømmen og måles i enheden watt (W). Effekt er tidsafhængig. Hvis cellen udlades med en høj strøm, fås en høj effekt, men kapaciteten forbruges hurtigt, og udladningen varer ikke så længe. Hvis en lithiumcelle som ovenstående udlades med 3 A, fås effekten 10,5 W, og udladningen kan pågå en time. Hvis samme celle udlades med 10 A, fås effekten 30 W, men udladningen kan kun pågå ca. 15 minutter.
Der findes en indre modstand i celler som iflg. Ohms lov giver anledning til et strømafhængigt spændingsfald. Spændingsfaldet over cellen under udladning er også vigtig for effekten. Også effekter kan sammenlignes pr. vægt- eller volumenenhed. Effekttætheden har enheden W/kg eller W/liter.
Celleanalogi
Man kan sammenligne de elektriske egenskaber for en celle med to vandtanke, som er sat sammen med et rør. Så er spændingen trykforskellen mellem tankene (forskel i højde) og kapaciteten den mængde vand, som tømmes fra den ene tank til den anden. Strømmen er vandstrømmen gennem røret, som sammenkobler tankene. Energien er det totale arbejde, som vandmængden og trykforskellen kan udføre. Effekten er det forbigående arbejde, som vandet udfører. Høj strøm (effekt), meget vand med et rør med stor diameter.
Serieforbindelse og parallelforbindelse
Celler sættes ofte sammen til et batteri, når det skal bruges i eksempelvis en bil. Hvis cellerne serieforbindes, øges spændingen, så man tilslutter pluspolen med næste celles minuspol og så videre. 6 serieforbundne 10 Ah blyceller med 12 volt giver 10 Ah. Hvis cellerne parallelforbindes, øges kapaciteten, så man tilslutter pluspol med pluspol og minuspol med minuspol. 6 parallelforbundne blyceller giver 60 Ah og 2 volt.
I analogien med vandtankene serieforbindes 6 celler ved, at hvert tank-par placeres over hinanden, og trykket (spændingen) øges med højden. Hvis 6 tank-par står på samme niveau med et fælles rør, har man en parallelforbindelse og mere vand (kapacitet).
Generelt om primære batterier
Primære batterier, eller ikke-genopladelige celler, bruges til elektrisk udstyr såsom lommelygter, musikafspillere, høreapparater, ure, legetøj, kommunikationsudstyr mv. Primære batterier er nemme at bruge, rimelige gode i energi- og effekttæthed, pålidelige og fås til rimelige priser.
Primære batterier findes i form af små knapceller op til store celler, som bruges som reservekraft. Almindelige primære celler er engangsbatterier af typerne AA, AAA, C og D.
Det mest almindelige type primære batteri er det alkaliske batteri. Dette er den type, som du i dag kan købe i alle butikker, og som bruges i forbrugerprodukter som kameraer, blitzaggregater, musikafspillere, radioer, lommelygter mv.
Tidligere blev der næsten udelukkende brugt brunstensbatterier, som er forgængeren til det alkaliske batteri. En anden type primære batterier, som bliver mere almindeligt, er knapceller. Som navnet antyder, er batteriet udformet som en knap eller sammensat af flere celler til et batteri. Knapcellerne bruges i ure, regnemaskiner, elektronisk legetøj og i høreapparater.
Historisk set har zink været meget almindeligt som anodemateriale i primære batterier og kan stadig findes i bl.a. brunstensbatterier, sølvoxid-zinkbatterier og zink-luftbatterier. I nyere tid er også metallisk lithium, som har den højeste energitæthed og højeste spænding af alle metaller, blevet almindeligt som anodemateriale. Som katodemateriale bruges forskellige metaloxider som bl.a. mangan- og sølvoxid, mens elektrolytten oftest er vandbaseret.
Spændingen med et zinksystem ligger omkring 1,5 volt og for lithiumsystemer over 3 volt. For primære batterier er energitætheden gået fra omkring 50Wk/kg til over 500 Wh/kg.
Vigtige egenskaber udover spænding og energitæthed er holdbarhed, pris, temperatur og effekt.
Holdbarhed eller selvafladning er også vigtigt, eftersom primære celler ofte bliver siddende i udstyret eller opbevares i lang tid. Holdbarheden hos de forskellige batterityper kan variere fra et par år op til 20 år. Også temperaturegenskaberne varierer. Ofte bliver egenskaberne svækket ved lav temperatur, og ved en høj temperatur kan cellerne tage skade. Effektegenskaberne varierer meget mellem de forskellige typer. Zink-luftcellen, som bruger luftens syre som katode, er fremstillet til meget små effekter med lav strøm i lange perioder.
Generelt om sekundære batterier
Bly-syre (PbA), nikkel-metalhybrid (NI-MH), nikkel-cadmium (NI-CD) og lithium-ion (Li-Ion) er de mest almindelige genopladelige batterityper. Anvendelsesområderne varierer meget; fra små batterier i forbrugerelektronik, mobiltelefoner mv. til store stationære installationer af industribatterier i f.eks. reservekraft i atomkraftanlæg. Ubåde bruger batterier til drift under vandet. Disse batterier har op til 10 MWh energi. I en installation i Fairbanks i Canada findes verdens største batteri som reservekraft til byen, hvis strømforsyningen fra Anchorage skulle slå fra. Batteriet har over 60 MWh energi og kan levere effekten 46 MW i 5 minutter. Batteriet er leveret fra den svenske fabrik SAFT i Oskarshavn.
For genopladelige batterier er cyklusegenskaberne vigtige. Med cyklus menes en afladning- og ladecyklus. Ofte angives levetiden i antal af cyklusser, som et batteri kan udsættes for.
Samtidig kræver genopladelige batterier ofte en del vedligeholdelse. Visse blybatterier kræver, at man fylder vand på, efter de er brugt en rum tid. I en genopladelig celle med en vandbaseret elektrolyt kan sønderdeling af vand være en sidereaktion. Her deles vand op i syregas og brintgas, som ventileres ud af cellen. Dette vand skal så erstattes. Her udvikles vedligeholdelsesfrie celler, hvor vandforbrug minimeres eller rekombineres inde i cellen.
Blybatterier er stadig det mest dominerende system, og bilbatteriet er det mest almindelige batteri. Andre almindelige anvendelser er motorcykelbatterier, lastvognsbatterier, truckbatterier til gaffeltrucks på lager, stationære batterier som reservekraft i tele- og elanlæg og UPS-batterier, som giver uafbrudt strøm.
I dag er det forbudt at sælge NI-CD batterier som husholdningsbatterier til forbrugerelektronik, dvs. små NI-CD batterier. NI-CD batterier til industriformål fremstilles og sælges stadig. Producenter af store industribatterier holder kontrol med indsamling og genanvendelse af batterierne, mens husholdningsbatterier ofte havner i skraldespanden og bliver spredt i miljøet.
Som et miljøvenligt alternativ blev NI-MH batterierne udviklet. Disse anvendes i dag i stor udtrækning i forbrugerelektronik som håndværktøj, barbermaskiner osv. NI-MH batteriet anvendes også ofte i hybridbiler.
Li-Ion batterier er det batterisystem, hvor fremstilling og anvendelse øges hurtigst. For 10 år siden var det almindeligt med NI-MH i mobiltelefoner og bærebare computere. I dag er det så godt som 100% Li-Ion. Takket være det høje energiindhold bruges Li-Ion batteriet i næsten alt forbrugerelektronik, smartphones, tablets, fotoudstyr mv. Nutidens tablets kunne nok ikke fungere uden disse typer af batterier. Samtidig venter og forbereder de store batteriproducenter sig på gennembruddet inden for elektrificering af køretøjer, med hybridbiler, opladningshybrider og batteribiler. Elektrificeringen af køretøjer indebærer meget store produktionsmængder. Også denne udvikling er baseret på Li-Ion batteriet. Den årlige forøgelse af produktionvolumen ligger på 15-20% og omkostningerne falder med 5-10% pr. år.
Forskellige batterityper
Brunstensbatteriet
Tørbatteri, zink-grafit eller Leclanche er alle navne for det samme elektrokemiske system, brunstensbatteriet.
Brunstenscellen blev udviklet i 1800-tallet, men havde dengang et helt andet udseende med glaskar og flydende elektrolyt. Cellen udviklede sig med tiden, og zinkbeholderen erstattede karret, og elektrolytten blev suget op i en masse, og man fik det, som kaldes tørceller. Tørcellen er spildsikker og kan håndteres og transporteres uden problemer. Cellen består i dag af en zinkbeholder, som også udgør anoden. Inde i cellen findes katoden i form af en masse bestående af mangandioxid blandet med kul og elektrolyt. Den positive pol er en kulstav, som dyppes i katodemassen.
De meste almindelige celleformer er de såkaldte AA-celler, som bruges i musikafspillere, lommelygter mv. Andre almindelige celletyper er AAA, C og D. Spændingen er 1,5 volt, og kapaciteten for en AA-celle ligger mellem 0,4 til 1,7 Ah. Holdbarheden er op til 3 år. Cellen fungerer bedst i temperaturer mellem 20 til 30°C. Hvis temperaturen kommer over 50°C, bliver cellen beskadiget og taber hurtigt kapacitet. Ved temperaturer under -20°C, giver cellen ingen strøm.
Alkaliske batterier
Det alkaliske batteri er en videreudvikling af brunstensbatteriet, hvor materialet i anode og katode er de samme som i brunstensbatteriet . Beholderen er i stål, og inde i den findes først katoden i form af mangandioxid og elektrolyt. Anoden er her et zink-pulver gennemvædet i elektrolyt. Strømmen ledes ud af et messingsøm til bunden af cellen, og stålbeholderen og dækslet er den positive pol.
Sammenlignet med brunstensbatteriet er den alkaliske celle næsten dobbelt så dyr, men den giver en væsentligt længere driftstid. De mest almindelige celler er AA-celler, som bruges i musikafspillere, lommelygter mv. Andre almindelige celletyper er AAA, C og D. Spændingen er 1,5 volt, og kapaciteten for en AA-celle er op til 3 Ah. Holdbarheden er op til 6 år. Cellen fungerer bedst i temperaturer mellem 20 til 30°C. Hvis temperaturen kommer over 50°C, bliver cellen beskadiget, og den taber kapacitet ved lave temperaturer. Den har væsentligt bedre egenskaber end brunstenscellen.
Sølvoxid
Knapceller findes i flere forskellige elektrokemiske systemer, f.eks. alkaliske. Kviksølvoxid og sølvoxid er katodemateriale, mens samtlige har zink som anodemateriale . Knapcellen ligner en lille knap og består af en beholder med et dæksel. Dækslet udgør minuspolen og er i kontakt med anodemassen. Beholderen er i kontakt med katodematerialet og er dermed pluspol.
Cellen er almindelig i mikroelektronik, såsom legetøj, computerspil, ure, hukommelseskort og lykønskningskort.
Sølvoxidcellen har en udladningsspænding på 1,6 volt. Ved at stable flere celler oven på hinanden og lukke med en plastbeholder bygger man serieforbundne batterier med højere spænding, f.eks. 6 volt, 12 volt eller 15 volt. Cellen fremstilles i forskellige størrelser fra 10 mAh til 200 mAh. Sølvdioxidceller kan bruges inden for et relativt bredt temperaturinterval; - 30°C til + 70°C. Holdbarheden er 2 år.
Lithiumbatterier
Lithiumbatterier (ikke at forveksle med Lithium-Ion batterier) er en gruppe af primære batterier med lithiummetal som anodemateriale. Lithium kan kombineres med flere forskellige katodematerialer og elektrolytter. På denne måde fremstilles celler med forskelligt tilpassede egenskaber som høj energi, høj effekt eller bredt temperaturinterval.
Lithiumceller fremstilles i forskellige størrelser. Fra små knapceller til AA-celler. Findes også som 9 volts batterier til røgalarmer
Den mest almindelige celle er mangandioxid som katodemateriale på samme måde som brunstensbatterier og alkaliske batterier, men anoden er lithiummetal i stedet for zink. Denne celle har 3 volts spænding og et relativt bredt temperaturinterval, -30°C til +60°C. Holdbarheden er op til 5 år, men selvafladningen er høj ved høje temperaturer.
En anden almindelig lithiumcelle har jerndisulfid som katodemateriale. Denne celle har 1,5 volts spænding og er derfor et udmærket alternativ til alkaliske celler i energikrævende applikationer, eftersom denne celle holder væsentligt mere energi, helt op til 300 Wh/kg. Denne celle har også en meget lang holdbarhed, op til 20 år.
Zink-Luft
Knapceller til høreapparater fremstilles i dag med det elektrokemiske system zink-luft. Her er minuspolen i kontakt med anodemassen, som består af en zinkpasta. Som katode bruges luftens syregas, som gennem små huller inde i cellen kommer i kontakt og reagerer med katoden. Derfor tager katodematerialet ingen plads i cellen, da det findes ubegrænset i luften, og i stedet kan hele cellen fyldes med anodemateriale. Hermed fås en celle med høj energitæthed til en relativ lav pris.
Spændingen ligger på 1,45 volt, og energitætheden er høj; op til 500 Wh/kg. Alt afhængigt af, om cellen er afhængig af, at syregas fra luften kommer ind i batteriet, bliver effekttætheden lav, normalt er strømmen kun nogle mA.
Blybatterier
Blybatterier er blevet fremstillet i snart 150 år, og er det ældste genopladelige batterisystem. Anoden består af metallisk bly og katoden af blyoxid. Cellespændingen er 2 volt, og energitætheden er begrænset; ca. 30-40 Wh/kg.
Blybatterier fås i en række forskellige varianter og inddeles ofte i startbatterier, traktionsbatterier og stationære batterier.
Startbatterier findes som små motorcykelbatterier på 10 Ah op til store lastbilsbatterier på 250 Ah. Startbatterierne optimeres til køretøjets startformåen, dvs. de skal levere en høj strøm på kort tid, også ved mange minusgrader, samt en høj levetid (mere end 5 år) og ikke være for dyre.
Traktionsbatterier bruges til drift af primært indendørs trucks til lagerhåndtering. Disse batterier bygges af sammenkoblede enkeltceller i ståltråd alt fra 12 volt op til 120 volt og fra 50 Ah op til 1500.