Grundlæggende om batterier
Genopladelige battericeller lagrer energi kemisk og frigiver den som elektricitet ved at flytte ladede ioner mellem to elektroder, mens elektroner bevæger sig gennem et eksternt kredsløb. De fleste elbiler bruger lithium-ion-celler. Natrium-ion-celler følger et lignende princip, men bruger andre materialer og ladningsbærende ioner.
Fra celle til batteripakke
En celle er den mindste komplette elektrokemiske enhed til energilagring. En celle leverer normalt kun få volt, så en elbil forbinder mange celler for at opnå den spænding og energi, bilen kræver.
Celler kan samles i moduler, som derefter kan monteres i en batteripakke. I nogle nyere pakker placeres cellerne direkte i pakkens struktur uden traditionelle modulhuse.
Den komplette pakke indeholder også elektriske forbindelser, udstyr til køling eller opvarmning, sensorer, kontaktorer, sikringer, en beskyttende kapsling og et batteristyringssystem.
Kapitlet Batteripakke og konfiguration forklarer, hvordan cellerne forbindes og integreres fysisk.
Hvad er der inde i en battericelle?
En traditionel lithium-ion-celle har fem hovedtyper af komponenter:
- En negativ elektrode
- En positiv elektrode
- En elektrolyt
- En separator
- Strømkollektorer til de to elektroder
Den negative elektrode kaldes normalt anoden, mens den positive elektrode kaldes katoden. Disse betegnelser beskriver deres funktioner, mens batteriet aflades. I batterilitteratur bruges de samme betegnelser normalt også ved omtale af opladning.
Negativ elektrode
Den negative elektrode lagrer lithiumioner, når cellen er opladet, og frigiver dem, når cellen aflades.
De fleste aktuelle lithium-ion-celler til elbiler bruger grafit som det primære materiale i den negative elektrode. Nogle tilsætter silicium for at øge den mængde lithium, elektroden kan lagre. Lithiumet holdes i elektrodematerialet og lagres ikke som løst metallisk lithium.
Positiv elektrode
Den positive elektrode frigiver lithiumioner under opladning og modtager dem under afladning.
Dens aktive materiale er en af de vigtigste faktorer, der definerer cellekemien. Almindelige katodefamilier til elbiler omfatter lithium-jernfosfat (LFP), nikkel-mangan-kobolt (NMC) og nikkel-kobolt-aluminium (NCA).
Kapitlet Cellekemi og komponenter forklarer disse materialer og deres afvejninger mere detaljeret.
Elektrolyt
Elektrolytten gør det muligt for ioner at bevæge sig mellem de to elektroder.
De fleste aktuelle elbilceller bruger en flydende elektrolyt, der indeholder et lithiumsalt opløst i organiske opløsningsmidler. Andre konstruktioner kan bruge gelbaserede, halvfaste, polymere eller faste elektrolytter.
Elektrolytten leder ioner inde i cellen. Elektronerne skal derimod bevæge sig gennem det eksterne elektriske kredsløb.
Separator
Separatoren er en tynd, porøs membran, der er placeret mellem den positive og den negative elektrode.
Den forhindrer direkte fysisk kontakt mellem elektroderne, som ellers kan forårsage en intern kortslutning. Dens mikroskopiske porer lader stadig ioner bevæge sig gennem elektrolytten.
Strømkollektorer
De aktive elektrodematerialer påføres tynde, ledende folier, der kaldes strømkollektorer. Folierne fører elektroner mellem elektrodematerialerne og celleterminalerne.
Traditionelle lithium-ion-celler bruger normalt kobberfolie på den negative elektrodes side og aluminiumsfolie på den positive elektrodes side. (U.S. Department of Energy)
Sådan fungerer afladning
Når cellen aflades, bevæger lithiumioner sig fra den negative elektrode til den positive elektrode gennem elektrolytten og separatoren.
Elektronerne kan ikke følge den samme interne vej gennem separatoren. De bevæger sig fra den negative terminal til den positive terminal gennem det eksterne kredsløb. Denne elektronstrøm leverer elektrisk energi til bilen. (U.S. Department of Energy)
Under afladning:
- Den negative elektrode frigiver lithiumioner til elektrolytten
- Ionerne bevæger sig gennem separatoren mod den positive elektrode
- Elektroner forlader den negative elektrode gennem dens strømkollektor
- Elektronerne bevæger sig gennem det eksterne kredsløb
- Den positive elektrode modtager de tilbagevendende ioner og elektroner
Et elbilbatteri leverer jævnstrøm. Bilens effektelektronik styrer energien og leverer den til elmotoren og andre højspændingssystemer.
Sådan fungerer opladning
Opladning vender ionernes og elektronernes bevægelse.
En ekstern strømkilde fjerner elektroner fra den positive elektrode og leverer dem til den negative elektrode gennem det elektriske kredsløb. Samtidig bevæger lithiumioner sig gennem elektrolytten fra den positive elektrode tilbage til den negative elektrode.
Under opladning:
- Den positive elektrode frigiver lithiumioner
- Ionerne bevæger sig gennem elektrolytten og separatoren
- Elektroner fjernes fra den positive elektrode
- Ladesystemet leverer elektroner til den negative elektrode
- Den negative elektrode lagrer de tilbagevendende lithiumioner
- Elektrisk energi omdannes til lagret kemisk energi
Den samme grundlæggende proces foregår under regenerativ bremsning. Elmotoren fungerer som generator og omdanner en del af bilens bevægelsesenergi til elektrisk energi, som kan føres tilbage til batteriet.
Illustrationen viser det fælles funktionsprincip for lithium-ion- og natrium-ion-celler. Lithium-ion-celler flytter Li⁺-ioner mellem elektroderne, mens natrium-ion-celler flytter Na⁺-ioner. Deres elektrodematerialer, spænding, elektrolyt og detaljerede konstruktion er forskellige.
Spænding, strøm, effekt og energi
Disse begreber beskriver forskellige batteriegenskaber:
- Spænding (V) er den elektriske potentialforskel, der driver strøm gennem et kredsløb.
- Strøm (A) beskriver hastigheden af den elektriske ladningsbevægelse.
- Effekt (kW) beskriver, hvor hurtigt batteriet leverer eller modtager energi.
- Kapacitet (Ah) beskriver, hvor meget elektrisk ladning en celle eller et batteri kan flytte.
- Energi (kWh) beskriver, hvor meget elektrisk arbejde batteriet kan levere.
Elektrisk effekt beregnes ud fra spænding og strøm:
Effekt (kW) = Spænding (V) × Strøm (A) ÷ 1.000
Et batteris omtrentlige nominelle energi kan beregnes ud fra spændingen og kapaciteten i amperetimer:
Energi (kWh) ≈ Nominel spænding (V) × Kapacitet (Ah) ÷ 1.000
Dette er en tilnærmelse, fordi cellespændingen ændrer sig løbende med ladetilstand, strøm, temperatur og kemi.
Et batteri med højt energiindhold kan lagre en stor mængde energi, mens et batteri med høj effektydelse hurtigt kan levere eller modtage denne energi. Batteridesign kræver ofte en afvejning mellem energitæthed, effekt, ladehastighed, holdbarhed, sikkerhed, masse og pris.
Cellespænding og driftsgrænser
En celles spænding opstår på grund af forskellen i elektrokemisk potentiale mellem materialerne i dens positive og negative elektrode.
Spændingen er ikke konstant. Den ændrer sig, når cellen oplades og aflades, og forløbet af denne ændring afhænger af kemien.
Typiske nominelle værdier omfatter:
- Cirka 3,2 V for en LFP-lithium-ion-celle
- Cirka 3,6–3,7 V for mange NMC- og NCA-lithium-ion-celler
Den nominelle spænding er en repræsentativ værdi, der bruges til beregninger og sammenligninger. Den faktiske cellespænding bevæger sig gennem et bredere driftsområde.
Hver cellekonstruktion har øvre og nedre spændingsgrænser. Opladning over den tilladte maksimumgrænse eller afladning under minimumgrænsen kan beskadige cellen, fremskynde degradering eller skabe en sikkerhedsrisiko.
Batteristyringssystemet overvåger cellespændingen og holder batteriet inden for det tilladte driftsområde. Det tager også højde for strøm, temperatur, ladetilstand og forskelle mellem cellerne.
Lithium-ion og natrium-ion
Lithium-ion- og natrium-ion-celler flytter begge positivt ladede ioner mellem to elektroder, men teknologierne kan ikke bruges i stedet for hinanden.
Lithium-ion-celler flytter lithiumioner, som skrives Li⁺. Natrium-ion-celler flytter natriumioner, som skrives Na⁺. Natriumioner er større og reagerer anderledes med elektrodematerialer, så natrium-ion-celler kræver materialer og konstruktioner, der er udviklet specifikt til natrium.
De fleste lithium-ion-celler bruger grafitbaserede negative elektroder. Natrium-ion-celler bruger ofte hårdt kulstof. Materialerne i den positive elektrode, spænding, energitæthed, temperaturadfærd, pris og forsyningskæder er også forskellige.
Funktionsprincippet ligner derfor hinanden, men de resulterende celleegenskaber kan være væsentligt forskellige.
Hvorfor noget energi bliver til varme
Opladning og afladning er ikke fuldstændig effektiv. Hver celle har elektrisk og elektrokemisk modstand, så noget af energien omdannes til varme.
Modstanden og varmeudviklingen afhænger blandt andet af:
- Cellekemi og konstruktion
- Batteritemperatur
- Ladetilstand
- Lade- eller afladestrøm
- Cellens alder og tilstand
Højere strøm giver normalt mere varme. Lav temperatur kan også øge modstanden og reducere batteriets evne til at modtage opladning eller levere effekt.
Disse virkninger forklarer, hvorfor en elbil har brug for termisk styring, og hvorfor ladeeffekt, regenerativ bremsning og acceleration kan blive begrænset, når batteriet er meget koldt, varmt, næsten fuldt eller næsten tomt.
Denne video fra The Limiting Factor giver en nyttig visuel forklaring og en mere dybdegående teknisk gennemgang af, hvordan lithium-ion-celler fungerer.