Elektrisk batteri

Et elektrisk batteri er en komponent som har en lagret energi i kjemisk form, og som kan avgi den i elektrisk form.

Begrepet batteri er opprinnelig navnet på en samling av galvaniske celler, men har gått mer over til å bety en enkelt galvanisk celle. Strengt tatt er de fleste batteriene vi omtaler (AA, AAA, C og D) elementer eller celler, og ikke batterier. Eksempler på ekte batterier er 4,5-volts-batterier (som består av tre runde celler under papiret), og såkalte 9V-blokker. På bilbatteriet kan en se de enkelte.

Et batteri frigjør energien sin ved hjelp av en redoksreaksjon. Spenningen avhenger av energien som frigjøres i denne reaksjonen. For å lagre mest mulig energi, er det gunstig å bruke to stoffer som står lengst mulig unna hverandre i spenningsrekka. Den elektriske spenningen blir summen av oksidasjonspotensialet til stoffet som oksideres og reduksjonspotensialet til stoffet som reduseres. Disse kan leses ut fra tabellen over standard reduksjonspotensial.

Det finnes hovedsakelig to typer celler, kalt primær- og sekundærceller. Primærcellene kan ikke lades opp igjen når de er utladet, og pleier oftest å ha høyere kapasitet og spenning enn sekundærbatterier. Væskefylte celler kalles våtceller eller våtbatterier, mens de vanligste er tørrbatterier der elektrolytten er sugd opp av et nøytralt stoff og er i grøtform.

Et batteri eller en celle karakteriseres fysisk ved den elektriske spenningen mellom polene (tilkoplingene) og hvor mye energi som lagres når det er fullt (sekundærcelle) eller nytt (primærcelle). Spenning måles i volt, V og ladning angis oftest i ampere-timer, Ah. Multiplisert med spenningen blir kapasiteten målt i watt-timer, Wh, som er en energienhet.

Sekundærbatterier 

Sekundærbatterier blir også kalt akkumulatorer. Det finnes flere forskjellige kjemiske oppbygginger for akkumulatorer. De mest brukte er:

 Pb – Blybatterier, 2,1 V per celle
 NiCd – Nikkel-kadmium, 1,2 V per celle
 NiMh – Nikkel-metallhydrid, 1,2 V per celle
 Litium-ion – 3,6 V per celle

Blybatterier
Blybatterier er robuste og hovedsakelig brukt til motorstart for kjøretøy som bil, båt, fly og motorsykkel.
 
I forbrukerelektronikk som bærbare datamaskiner og mobiltelefoner, er litium-ion-batterier nesten enerådende på grunn av høy kapasitet og lav vekt. Disse batteriene er ømfintlige for feil behandling og inkluderer derfor elektronisk intelligens i batteripakken eller laderen for å overvåke og kontrollere ladning og utladning. Feil behandling kan medføre intern kortslutning med ekstrem hurtig utladning i form av varme. Dette kan i verste fall utløse brann eller eksplosjon. 

Blybatterier bruker flytende svovelsyre som elektrolytt, og er dermed det eneste batteriet der elektrolytten er en separat komponent. Ladningstilstanden til et batteri kan anslås ved hjelp av en såkalt syremåler, som er et hydrometer, hvis batteriet er utstyrt med skrukorker for hver celle. Elektrolyttens egenvekt påvirkes av ladetilstanden. 

Polene på et blybatteri består av blydioksid (PbO2) og metallisk bly (Pb). Elektrolytten er svovelsyre (H2SO4). Under utladningen vandrer sulfationene (SO42-) til elektrodene. Under oppladning blir prosessen reversert.

Sulfatering 
Under utladning danner sulfationene en finkrystallisert struktur. Hvis dette laget blir liggende lenge, vil krystallene øke i volum og delvis isolere den interne strømveien. Krystallene er vanskelige å ta bort.

Lading og utladning 
Åpne blybatterier er relativt ufølsomme for ladeprosessen. De lades vanligvis med en konstantspenningslader. Ladingen skjer ved at en har en spenningskilde som gir en konstant spenning, samt en maksimal strøm. Ved starten av ladingen er strømmen den begrensende faktor, når batterispenningen har nådd den spenning som laderen er innstilt på begynner strømmen å synke. 
Dersom spenningen ved lading tillates å øke, går den tilførte energien i stedet til dannelse av hydrogengass og oksygengass, også kalt knallgass. Dette forbruker vannet i cellen. Normal spenning for en lader for et 12-volts blybatteri er på 14,4 V. denne spenningen gjelder for romtemperatur (+20 C).

Nikkel-kadmium (NiCd) 
Nikkel-kadmium-celler ble svært populære da de først ble tilgjengelige. De kunne gjenlades og kjemien var kapslet som hos primærceller. Dette gjorde dem velegnet for bruk i mobiltelefoner siden lading er billigere enn nykjøp. NiCd-batterier har kalilut som elektrolytt, og har en cellespenning på 1,2 V. NiCd celler plages av spenningsdepresjon om de gjentatte ganger overlades. Den såkalte minneeffekten som gjør at de mister kapasitet når de lades uten å være helt utladet først, er fullstendig ubegrunnet. NiCd batteriet har derimot godt av kladdlading – såfremt det ikke overlades hver gang. Dette er ofte tilfellet med billige celler og/eller billige ladere.

Lading 
NiCd-batterier må lades med omtanke fordi det er mulig å overlade dem. Hvis batteriet lades videre når det alt er fullt, vil den tilførte energien gå over til varme i stedet for til kjemisk energi. Dette sliter på systemet, og batteriet eldes fortere. Intelligente ladeapparater for NiCd-batterier kan enten sjekke cellenes temperaturstigning eller følge med i små endringer i cellens spenning for å bestemme tidspunktet for å avbryte ladningen.

Reversering 
NB: Andre batterier har tilsvarende effekter.
 Umin= Ubatteri–Ucellespenning
 Umin= Minste spenning før reversering.
 Ubatteri= Batterispenning oppgitt 
 Ucellespenning= Cellespenningen (avhenging av type batteri)

Når et batteri (flere celler i serie) dyputlades (tømmes helt), kan det oppstå reversering av enkelte celler. Nikkelelektroden i batteriet vil få negativ spenning, når den overskrider –0,2 V begynner den å produsere hydrogengass. Etter hvert vil den andre elektroden også reverseres og da oppstår oksygengass som ikke kan nøytraliseres. Etter hvert som reverseringen skjer, vil det bli mer trykk i cellen, og det vil til slutt ventilere. 

Dette kan unngås ved at batteriet ikke lades helt ut. Mye nytt utstyr som er laget for akkumulatorer, har elektronikk som hjelper mot dette. Hver enkelt NiCd celle kan godt lades helt ut.

Nikkel-metallhydrid (NiMh) 
Nikkel-metallhydridbatteriene kom i kjølvannet av NiCd, og har også en cellespenning på 1,2 V. Det har ikke en uttalt memoryeffekt, men er kresen på god behandling ved lading og utlading for langt liv. Kapasiteten er langt høyere enn for NiCd for samme størrelse. I kulde avtar kapasiteten vesentlig.

Litium-ion  

Disse batteriene, ofte kalt Li-ion-batterier (LIB), er ofte brukt i moderne elektronikk. Cellespenningen er hele 3,7 V, avhengig av type.
Litium-ion-batteriet er oppladbart. 
Batteritypen er følsomme for feilbehandling, det er en ikke ubetydelig fare for brann om batteriene feilbehandles. En brann i en LiIon-celle kan i praksis ikke slukkes, da cellen inneholder både oksidasjonsmiddel og sterkt brennbar elektrolytt. Store mengder vann eller annen ikke brennbar væske er eneste virksomme middel. Det slukker ikke den cellen som brenner, men brannen hindres i å spre seg ved at de øvrige cellene i et batteri ikke blir så varme at de antenner. 

Det meldes til stadighet om at forskjellige firmaer har/er i ferd med å utvikle LiIon-batterier som har en levetid på titusenvis av sykler. Det er helt riktig at det forskes på dette, men ennå er ingen produkter kommersialisert.

Verdens største LIB (per desember 2017) ble bygd av Tesla og installert i Sør-Australia i 2017. Den har en kapasitet på 100 mega-watt.

Elektrisk komponent 
Selv om elektrolytten i et batteri er en god leder, som elektrodene også er det, inneholder batteriet dog en liten elektrisk motstand (resistans). Dens størrelse kan lett måles ved å belaste batteriet med en kjent strøm et øyeblikk, og samtidig måle hvor mye spenningen gir etter når strømmen går. R=dU/I gir resistansen i ohm, hvor dU er spenningsendringen i volt og I strømmen i ampere.

Stoffene i elektrodene bestemmer primært spenningen til batteriet enten det er fullt eller tomt. Det er problematisk å måle ladningstilstanden for et batteri fordi spenningen er noenlunde konstant helt til batteriet er tomt. Det som varierer mest med ladetilstanden er den indre motstanden. Den er noenlunde lav gjennom levetiden, men stiger enormt når batteriet er nær ved å bli tømt.

Parallellkobling og seriekobling 
Flere celler i et batteri kan koples i serie eller i parallell. Disse koblingene gir forskjellig egenskaper.

Parallellkoblingen betyr at den positive polen av alle cellene kobles sammen, og de negative polene av alle cellene kobles sammen. Et slikt batteri gir samme spenning som en enkelt celle, men kan levere strøm i lengre tid (like mange ganger mere energi som antallet celler). En lykt som har fire parallellkoblede celler vi ikke lyse sterkere enn en lykt som bare har en, men den vil lyse fire ganger så lenge.

Med en seriekobling er cellene koblet etter hverandre slik at den positive polen på en celle er koblet til den negative polen på neste celle. Dette gir batterispenning tilsvarende spenningen for en celle ganger med antall celler. Dette gir en høyere spenning og energi, men batteriets levetid tilsvarer til den som en enkel celle kan yte. I en lykt som har fire seriekoblede celler vil lyspæra få fire ganger så sterk strøm som i en lykt som bare har en celle og pæra vi lyse kraftigere (dersom den tåler spenningen), men vil ikke lyse lengre enn en lykt med en enkelt celle vil lyse.

En potensiell ulempe med parallellkobling er at hvis cellene har ulik spenning vil det gå en utjevnende strøm mellom cellene. Parallellkopling tilrås bare for celler som har samme merke og historie. Når en starter opp en bil kan en måle at spenningen over bilbatteriet faller. Er batteriet dårlig faller spenningen drastisk. Den indre motstanden øker når batteriet eldes og ved synkende temperatur.

Innlevering av brukte batterier
I Norge kan man, av miljømessige hensyn, levere brukte batterier gratis hos enhver forhandler som selger den aktuelle batteritypen, uten krav om nykjøp. Brukte batterier kan i Norge også leveres inn til kommunale mottak for farlig avfall. Det er forskjellige ordninger for mottak av farlig avfall i de ulike kommunene.

Referanser

Eksterne lenker
Miljøstatus i Norge: Farlig avfall
Miljødirektoratet: Kjemikalier
Forbrukerinformasjon om kjemikalier og produkter