Grunnleggende om elbilbatterier: Slik lagrer og frigjør celler energi

Et elbilbatteri lagrer energi kjemisk. Lading bringer cellene til en kjemisk tilstand med høyere energi. Under kjøring frigjør cellene denne energien som elektrisitet, som bilens kraftelektronikk og motorer omdanner til bevegelse.

Fra celle til batteripakke

En celle er batteriets minste komplette elektrokjemiske enhet. Én litiumioncelle leverer bare noen få volt, så en elbil kobler sammen mange celler for å få spenningen og energien den trenger.

Celler kan settes sammen til moduler og deretter til en batteripakke, eller integreres direkte i pakken uten tradisjonelle moduler. Pakken kombinerer cellene med utstyret som trengs for å koble dem sammen, beskytte dem og styre dem. Kapitlet Batteripakke og konfigurasjon beskriver elektriske koblinger og pakkens oppbygning; Celleformater forklarer sylindriske, prismatiske og poseceller.

Hva er inni en celle?

I en vanlig litiumioncelle lagrer to elektroder litium i sine aktive materialer. Den negative elektroden er vanligvis grafittbasert, mens den positive bruker en litiumholdig forbindelse. Kombinasjonen er med på å bestemme cellens spenning og hvor mye energi den kan lagre.

I batterilitteraturen kalles den negative elektroden vanligvis anoden og den positive katoden. Navnene beskriver funksjonene deres under utlading og beholdes normalt også når lading omtales.

Tre andre komponenter forbinder og skiller elektrodene:

• Elektrolytten transporterer ioner mellom dem. Vanlige flytende elektrolytter inneholder et litiumsalt oppløst i organiske løsemidler.
• Separatoren er en porøs membran som holder elektrodene fra hverandre, samtidig som ioner kan passere gjennom elektrolytten i porene.
• Strømkollektorer er ledende folier som forbinder de aktive materialene med cellens terminaler. Kobber brukes vanligvis på den negative siden og aluminium på den positive. Lithium-ion Batteries Technology Strategy Assessment (DOE, 2023)

Det egne kapitlet Cellekjemi og komponenter sammenligner elektrodematerialer og ulike elektrolyttløsninger.

Slik fungerer lading og utlading

Under utlading beveger litiumioner seg fra den negative til den positive elektroden gjennom elektrolytten. Elektroner strømmer fra den negative til den positive elektroden gjennom den eksterne kretsen og forsyner bilen med elektrisk energi. Elektrolytten leder ioner, men blokkerer elektronstrømmen, så elektronene tar den eksterne veien.

Lading reverserer prosessen. En strømkilde tilfører elektroner til den negative elektroden og fjerner dem fra den positive. Litiumioner beveger seg tilbake gjennom elektrolytten til den negative elektroden, slik at cellens lagrede kjemiske energi øker. DOE Explains: Batteries

Regenerativ bremsing lader batteriet med energi som gjenvinnes fra bilens bevegelse: Motoren fungerer som generator og sender elektrisk energi tilbake gjennom kraftelektronikken.

Litiumion- og natriumionceller fungerer etter det samme prinsippet. Illustrasjonen viser litiumioner (Li⁺) og natriumioner (Na⁺) som beveger seg mellom elektrodene. Natriumionceller bruker materialer som er tilpasset natriums annerledes egenskaper. Presentasjon av første generasjon natriumionbatterier (CATL, 2021)

Spenning, strøm, effekt og energi

Batterispesifikasjoner bruker flere størrelser som svarer på ulike spørsmål:

• Spenning, målt i volt (V), er den elektriske potensialforskjellen mellom to punkter.
• Strøm, målt i ampere (A), angir hvor mye elektrisk ladning som strømmer per tidsenhet.
• Ladningskapasitet, målt i amperetimer (Ah), er mengden ladning en celle eller et batteri kan levere under bestemte forhold.
• Effekt, målt i kilowatt (kW), angir hvor raskt energi leveres eller mottas.
• Energi, målt i kilowattimer (kWh), er mengden som leveres, mottas eller lagres.

Ved batteriets likestrømsterminaler gjelder:

Effekt (kW) = Spenning (V) × Strøm (A) ÷ 1 000

Et batteri som for eksempel leverer jevnt 20 kW i en halv time, avgir:

20 kW × 0,5 h = 10 kWh

Dette er energien som leveres ved batteriets terminaler. Mindre energi når hjulene, fordi også kraftelektronikken og motoren har tap. Tilsvarende overstiger energien fra laderen økningen i batteriets lagrede energi, fordi lading medfører tap.

En omtrentlig verdi for nominell energi kan beregnes ut fra ladningskapasiteten:

Energi (kWh) ≈ Nominell spenning (V) × Kapasitet (Ah) ÷ 1 000

Ah alene er derfor ikke nok til å sammenligne energien i batterier med ulik spenning. Tilnærmingen bruker en representativ spenning; en nøyaktig energimåling tar hensyn til hvordan spenningen endrer seg under lading eller utlading.

Ladenivå og driftsgrenser

Ladenivå (SOC) uttrykker anslått gjenværende ladning som en prosentandel av en definert kapasitet. SOC anslås ut fra målinger som strøm, spenning og temperatur. State of Charge Estimation Using Smart Battery Charger (Texas Instruments, 2021)

Prosenten som vises i en elbil, er tilpasset driftsområdet føreren har tilgang til. Viste verdier på 0% og 100% er ikke cellens absolutte elektrokjemiske grenser. Kapitlet Batteribuffer og utnyttbar kapasitet forklarer brutto- og nettokapasitet (utnyttbar kapasitet) samt buffere.

Cellespenningen varierer med SOC, kjemi, temperatur og strøm. Nominell spenning er en referanseverdi, ikke en ladegrense. Molicel oppgir for eksempel en nominell spenning på 3,6 V, en ladespenning på 4,2 V og en nedre utkoblingsgrense ved utlading på 2,5 V for sin INR-21700-P42A-celle. Andre cellekonstruksjoner kan ha andre spenningsgrenser. Datablad for Molicel INR-21700-P42A, versjon 1.7

De øvre og nedre spenningsgrensene påvirker lading og kjøring ulikt. Nær fulladet batteri avtar ladeeffekten for å holde cellene innenfor de øvre spenningsgrensene. Ved lavt ladenivå kan bilen redusere fremdriftseffekten for å holde cellespenningene over de nedre grensene. Kapitlet Batterilading forklarer hvordan ladegrensene former effekten som leveres gjennom en ladeøkt.

Batteristyringssystemet (BMS) overvåker spenningene i celler eller parallellkoblede cellegrupper, batteristrømmen og temperaturene ved sensorene. Det anslår batteriets tilstand og samordner tillatt lading og utlading med bilen for å holde cellene innenfor driftsgrensene. Teknisk håndbok om batteristyringssystemer Kapitlet Batteristyringssystem beskriver disse funksjonene nærmere.

Hvorfor temperatur og strøm har betydning

Indre motstand utvikler varme når det går strøm. Ved samme motstand gir en dobling av strømmen fire ganger så stor motstandsoppvarming. Kulde kan øke motstanden og redusere tilgjengelig effekt. Cellereaksjoner kan også ta opp eller avgi varme. Denne reversible effekten avhenger av kjemi og ladenivå. Entropy Profiles for Li-Ion Batteries—Effects of Chemistries and Degradation (Wind and Vie, 2025)

Temperaturgrenser kan begrense både lading og fremdrift. Kulde er spesielt utfordrende ved lading av grafittbaserte litiumionceller, fordi litium kan avsettes på elektrodens overflate (litiumplettering) i stedet for å trenge inn i strukturen. Bilens styringssystemer reduserer ladestrømmen og kan varme opp batteriet først.

Regenerativ bremsing kan begrenses av et kaldt eller fullt batteri, fordi begge tilstandene begrenser effekten batteriet kan ta imot. Brukerhåndbok for Model 3: Bremsing og stopping Varme- og kjølesystemer bidrar til å opprettholde egnede forhold, som forklart i Batteriets temperaturstyring.

Videoen nedenfor fra The Limiting Factor illustrerer hvordan en litiumioncelle fungerer.