Grunnleggende om batterier
Oppladbare battericeller lagrer energi kjemisk og frigjør den som elektrisitet ved at ladede ioner beveger seg mellom to elektroder, mens elektroner går gjennom en ekstern krets. De fleste elbiler bruker litiumionceller. Natriumionceller følger et lignende prinsipp, men bruker andre materialer og ladningsbærende ioner.
Fra celle til batteripakke
En celle er den minste komplette elektrokjemiske enheten for energilagring. Én celle produserer normalt bare noen få volt, så en elbil kobler sammen mange celler for å skape spenningen og energien kjøretøyet trenger.
Cellene kan grupperes i moduler, og modulene kan deretter installeres i en batteripakke. Noen nyere pakker plasserer cellene direkte i pakkestrukturen uten tradisjonelle modulhus.
Den komplette pakken inneholder også elektriske forbindelser, utstyr for kjøling eller oppvarming, sensorer, kontaktorer, sikringer, et beskyttende hus og et batteristyringssystem.
Kapitlet Batteripakke og konfigurasjon forklarer hvordan cellene kobles sammen og integreres fysisk.
Hva finnes inne i en battericelle?
En tradisjonell litiumioncelle har fem hovedtyper av komponenter:
- En negativ elektrode
- En positiv elektrode
- En elektrolytt
- En separator
- Strømkollektorer for de to elektrodene
Den negative elektroden kalles vanligvis anode, mens den positive elektroden kalles katode. Disse navnene beskriver rollene deres når batteriet utlades. Batterilitteraturen bruker normalt de samme navnene også når lading omtales.
Negativ elektrode
Den negative elektroden lagrer litiumioner når cellen er ladet, og frigjør dem når cellen utlades.
De fleste av dagens litiumionceller for elbiler bruker grafitt som hovedmateriale i den negative elektroden. Noen tilsetter silisium for å øke mengden litium elektroden kan lagre. Litiumet holdes inne i elektrodematerialet og lagres ikke som løst metallisk litium.
Positiv elektrode
Den positive elektroden frigjør litiumioner under lading og tar imot dem under utlading.
Det aktive materialet er en av hovedfaktorene som definerer cellekjemien. Vanlige katodefamilier for elbiler omfatter litiumjernfosfat (LFP), nikkel-mangan-kobolt (NMC) og nikkel-kobolt-aluminium (NCA).
Kapitlet Cellekjemi og komponenter forklarer disse materialene og avveiningene mellom dem mer detaljert.
Elektrolytt
Elektrolytten gjør det mulig for ioner å bevege seg mellom de to elektrodene.
De fleste av dagens elbilceller bruker en flytende elektrolytt som inneholder et litiumsalt oppløst i organiske løsemidler. Andre konstruksjoner kan bruke gelbaserte, halvfaste, polymere eller faste elektrolytter.
Elektrolytten leder ioner inne i cellen. Elektronene skal i stedet gå gjennom den eksterne elektriske kretsen.
Separator
Separatoren er en tynn, porøs membran som ligger mellom den positive og den negative elektroden.
Den hindrer direkte fysisk kontakt mellom elektrodene, noe som kunne ha forårsaket en intern kortslutning. De mikroskopiske porene lar likevel ionene bevege seg gjennom elektrolytten.
Strømkollektorer
De aktive elektrodematerialene legges som belegg på tynne ledende folier som kalles strømkollektorer. Disse foliene leder elektroner mellom elektrodematerialene og celleterminalene.
Tradisjonelle litiumionceller bruker normalt kobberfolie på siden med den negative elektroden og aluminiumsfolie på siden med den positive elektroden. (U.S. Department of Energy)
Slik fungerer utlading
Når cellen utlades, beveger litiumionene seg fra den negative til den positive elektroden gjennom elektrolytten og separatoren.
Elektronene kan ikke følge den samme interne veien gjennom separatoren. De går fra den negative til den positive terminalen gjennom den eksterne kretsen. Denne strømmen av elektroner leverer elektrisk energi til kjøretøyet. (U.S. Department of Energy)
Under utlading:
- Den negative elektroden frigjør litiumioner i elektrolytten
- Ionene beveger seg gjennom separatoren mot den positive elektroden
- Elektroner forlater den negative elektroden gjennom strømkollektoren
- Elektronene går gjennom den eksterne kretsen
- Den positive elektroden tar imot ionene og elektronene som kommer tilbake
Et elbilbatteri leverer likestrøm. Kjøretøyets kraftelektronikk styrer denne energien og sender den til elmotoren og andre høyspenningssystemer.
Slik fungerer lading
Lading snur bevegelsen til ionene og elektronene.
En ekstern strømkilde fjerner elektroner fra den positive elektroden og leverer dem til den negative elektroden gjennom den elektriske kretsen. Samtidig beveger litiumioner seg gjennom elektrolytten fra den positive tilbake til den negative elektroden.
Under lading:
- Den positive elektroden frigjør litiumioner
- Ionene beveger seg gjennom elektrolytten og separatoren
- Elektroner fjernes fra den positive elektroden
- Ladesystemet leverer elektroner til den negative elektroden
- Den negative elektroden lagrer litiumionene som kommer tilbake
- Elektrisk energi omdannes til lagret kjemisk energi
Den samme grunnleggende prosessen skjer under regenerativ bremsing. Elmotoren fungerer som en generator og omdanner en del av kjøretøyets bevegelsesenergi til elektrisk energi som kan føres tilbake til batteriet.
Illustrasjonen viser det felles driftsprinsippet for litiumion- og natriumionceller. Litiumionceller flytter Li⁺-ioner mellom elektrodene, mens natriumionceller flytter Na⁺-ioner. Elektrodematerialene, spenningen, elektrolytten og den detaljerte konstruksjonen er forskjellige.
Spenning, strøm, effekt og energi
Disse begrepene beskriver ulike egenskaper ved batteriet:
- Spenning (V) er den elektriske potensialforskjellen som driver strøm gjennom en krets.
- Strøm (A) beskriver hastigheten til strømmen av elektrisk ladning.
- Effekt (kW) beskriver hvor raskt batteriet leverer eller mottar energi.
- Kapasitet (Ah) beskriver hvor mye elektrisk ladning en celle eller et batteri kan flytte.
- Energi (kWh) beskriver hvor mye elektrisk arbeid batteriet kan levere.
Elektrisk effekt beregnes fra spenning og strøm:
Effekt (kW) = Spenning (V) × Strøm (A) ÷ 1,000
Den omtrentlige nominelle energien i et batteri kan beregnes fra spenningen og kapasiteten i amperetimer:
Energi (kWh) ≈ Nominell spenning (V) × Kapasitet (Ah) ÷ 1,000
Dette er en tilnærming fordi cellespenningen endres kontinuerlig med ladenivå, strøm, temperatur og kjemi.
Et batteri med høy energikapasitet kan lagre mye energi, mens et batteri med høy effektytelse kan levere eller ta imot denne energien raskt. Batterikonstruksjon krever ofte en avveining mellom energitetthet, effekt, ladehastighet, holdbarhet, sikkerhet, masse og kostnad.
Cellespenning og driftsgrenser
Spenningen i en celle kommer fra forskjellen i elektrokjemisk potensial mellom materialene i den positive og den negative elektroden.
Spenningen er ikke konstant. Den endres når cellen lades og utlades, og formen på endringen avhenger av kjemien.
Typiske nominelle verdier omfatter:
- Omtrent 3.2 V for en LFP-litiumioncelle
- Omtrent 3.6–3.7 V for mange NMC- og NCA-litiumionceller
Nominell spenning er en representativ verdi som brukes til beregninger og sammenligning. Den faktiske cellespenningen beveger seg gjennom et bredere driftsområde.
Hver cellekonstruksjon har øvre og nedre spenningsgrenser. Lading over tillatt maksimum eller utlading under minimum kan skade cellen, fremskynde degradering eller skape en sikkerhetsrisiko.
Batteristyringssystemet overvåker cellespenningen og holder batteriet innenfor det tillatte driftsvinduet. Det tar også hensyn til strøm, temperatur, ladenivå og forskjeller mellom cellene.
Litiumion og natriumion
Både litiumion- og natriumionceller flytter positivt ladede ioner mellom to elektroder, men teknologiene er ikke utskiftbare.
Litiumionceller flytter litiumioner, skrevet som Li⁺. Natriumionceller flytter natriumioner, skrevet som Na⁺. Natriumioner er større og samhandler annerledes med elektrodematerialer. Natriumionceller krever derfor materialer og konstruksjoner som er utviklet spesielt for natrium.
De fleste litiumionceller bruker grafittbaserte negative elektroder. Natriumionceller bruker ofte hardt karbon. Materialene i den positive elektroden, spenningen, energitettheten, temperaturvirkningen, kostnaden og forsyningskjedene er også forskjellige.
Driftsprinsippet er dermed likt, men celleegenskapene som oppnås, kan være vesentlig forskjellige.
Hvorfor noe energi blir til varme
Lading og utlading er ikke helt effektivt. Hver celle har elektrisk og elektrokjemisk motstand, så noe av energien omdannes til varme.
Motstanden og varmeutviklingen avhenger blant annet av:
- Cellekjemi og konstruksjon
- Batteritemperatur
- Ladenivå
- Lade- eller utladingsstrøm
- Cellens alder og tilstand
Høyere strøm produserer normalt mer varme. Lav temperatur kan også øke motstanden og redusere batteriets evne til å lades eller levere effekt.
Disse virkningene forklarer hvorfor en elbil trenger termisk styring, og hvorfor ladeeffekt, regenerativ bremsing og akselerasjon kan begrenses når batteriet er svært kaldt, varmt, nesten fullt eller nesten tomt.
Denne videoen fra The Limiting Factor gir en nyttig visuell forklaring for dem som ønsker en mer inngående teknisk gjennomgang av hvordan litiumionceller fungerer.