Grunderna i elbilsbatterier: så lagrar och avger celler energi

Ett elbilsbatteri lagrar energi kemiskt. Vid laddning förs cellerna till ett kemiskt tillstånd med högre energi. Under körning avger cellerna denna energi som elektricitet, som bilens kraftelektronik och motorer omvandlar till rörelse.

Från cell till batteripaket

En cell är batteriets minsta kompletta elektrokemiska enhet. En enskild litiumjoncell ger bara några få volt, så en elbil kopplar samman många celler för att få den spänning och energi som behövs.

Celler kan sättas samman till moduler och sedan till ett batteripaket, eller integreras direkt i paketet utan traditionella moduler. Paketet förenar cellerna med den utrustning som behövs för att ansluta, skydda och styra dem. Kapitlet Batteripaket och konfiguration beskriver elektriska kopplingar och paketets konstruktion; Cellformat förklarar cylindriska, prismatiska och påsceller.

Vad finns inuti en cell?

I en konventionell litiumjoncell lagrar två elektroder litium i sina aktiva material. Den negativa elektroden är vanligen grafitbaserad, medan den positiva använder en litiumhaltig förening. Kombinationen bidrar till att bestämma cellens spänning och hur mycket energi den kan lagra.

I batterilitteraturen kallas den negativa elektroden vanligtvis anod och den positiva katod. Namnen beskriver deras funktion under urladdning och behålls normalt även när laddning diskuteras.

Tre andra komponenter förbinder och skiljer elektroderna åt:

• Elektrolyten transporterar joner mellan dem. Konventionella flytande elektrolyter innehåller ett litiumsalt löst i organiska lösningsmedel.
• Separatorn är ett poröst membran som håller elektroderna åtskilda samtidigt som joner kan passera genom elektrolyten i porerna.
• Strömkollektorer är ledande folier som förbinder de aktiva materialen med cellens anslutningar. Koppar används vanligen på den negativa sidan och aluminium på den positiva. Lithium-ion Batteries Technology Strategy Assessment (DOE, 2023)

Det separata kapitlet Cellkemi och komponenter jämför elektrodmaterial och olika elektrolytlösningar.

Så fungerar laddning och urladdning

Under urladdning rör sig litiumjoner från den negativa till den positiva elektroden genom elektrolyten. Elektroner strömmar från den negativa till den positiva elektroden genom den yttre kretsen och förser bilen med elektrisk energi. Elektrolyten leder joner men blockerar elektronflödet, så elektronerna tar den yttre vägen.

Vid laddning går processen åt motsatt håll. En strömkälla tillför elektroner till den negativa elektroden och avlägsnar dem från den positiva. Litiumjoner rör sig tillbaka genom elektrolyten till den negativa elektroden, vilket ökar cellens lagrade kemiska energi. DOE Explains: Batteries

Regenerativ bromsning laddar batteriet med energi som återvinns ur bilens rörelse: motorn fungerar som en generator och återför elektrisk energi genom kraftelektroniken.

Litiumjon- och natriumjonceller bygger på samma funktionsprincip. Illustrationen visar litiumjoner (Li⁺) och natriumjoner (Na⁺) som rör sig mellan elektroderna. Natriumjonceller använder material som är anpassade till natriums annorlunda egenskaper. Presentation av första generationens natriumjonbatterier (CATL, 2021)

Spänning, ström, effekt och energi

Batterispecifikationer använder flera storheter som besvarar olika frågor:

• Spänning, mätt i volt (V), är den elektriska potentialskillnaden mellan två punkter.
• Ström, mätt i ampere (A), anger hur mycket elektrisk laddning som flödar per tidsenhet.
• Laddningskapacitet, mätt i amperetimmar (Ah), är den mängd laddning som en cell eller ett batteri kan leverera under angivna förhållanden.
• Effekt, mätt i kilowatt (kW), anger hur snabbt energi avges eller tas emot.
• Energi, mätt i kilowattimmar (kWh), är den mängd som avges, tas emot eller lagras.

Vid batteriets likströmsanslutningar gäller:

Effekt (kW) = Spänning (V) × Ström (A) ÷ 1 000

Ett batteri som exempelvis levererar konstant 20 kW under en halvtimme avger:

20 kW × 0,5 h = 10 kWh

Det är den energi som avges vid batteriets anslutningar. Mindre energi når hjulen, eftersom även kraftelektroniken och motorn har förluster. På samma sätt överstiger energin från laddaren ökningen av batteriets lagrade energi, eftersom laddning medför förluster.

Ett ungefärligt värde för den nominella energin kan beräknas utifrån laddningskapaciteten:

Energi (kWh) ≈ Nominell spänning (V) × Kapacitet (Ah) ÷ 1 000

Ah räcker därför inte för att jämföra energin i batterier med olika spänning. Approximationen använder en representativ spänning; en exakt energimätning tar hänsyn till hur spänningen förändras under laddning eller urladdning.

Laddningsnivå och driftgränser

Laddningsnivån (SOC) uttrycker den uppskattade återstående laddningen som en procentandel av en definierad kapacitet. SOC uppskattas utifrån mätningar av exempelvis ström, spänning och temperatur. State of Charge Estimation Using Smart Battery Charger (Texas Instruments, 2021)

Procenttalet som visas i en elbil motsvarar det driftområde som föraren har tillgång till. Visade 0% och 100% är inte cellens absoluta elektrokemiska gränser. Kapitlet Batteribuffert och användbar kapacitet förklarar brutto- och nettokapacitet (användbar kapacitet) samt buffertar.

Cellspänningen varierar med SOC, kemi, temperatur och ström. Nominell spänning är ett referensvärde, inte en laddningsgräns. Molicel anger exempelvis en nominell spänning på 3,6 V, en laddningsspänning på 4,2 V och en nedre brytgräns vid urladdning på 2,5 V för sin INR-21700-P42A-cell. Andra cellkonstruktioner kan använda andra spänningsgränser. Datablad för Molicel INR-21700-P42A, version 1.7

De övre och nedre spänningsgränserna påverkar laddning och körning på olika sätt. Nära full laddning minskar laddeffekten för att hålla cellerna inom deras övre spänningsgränser. Vid låg laddningsnivå kan bilen minska framdrivningseffekten för att hålla cellspänningarna över deras nedre gränser. Kapitlet Batteriladdning förklarar hur laddningsgränserna formar den effekt som levereras under en laddning.

Batterihanteringssystemet (BMS) övervakar spänningarna i celler eller parallellkopplade cellgrupper, batteriströmmen och temperaturerna vid sensorerna. Det uppskattar batteriets tillstånd och samordnar tillåten laddning och urladdning med bilen för att hålla cellerna inom deras driftgränser. Teknisk handbok om batterihanteringssystem Kapitlet Batterihanteringssystem beskriver dessa funktioner mer ingående.

Varför temperatur och ström spelar roll

Inre resistans utvecklar värme när ström flyter. Vid samma resistans ger en fördubbling av strömmen fyra gånger så stor resistiv uppvärmning. Kyla kan öka resistansen och minska den tillgängliga effekten. Cellreaktioner kan också ta upp eller avge värme. Denna reversibla effekt beror på kemi och laddningsnivå. Entropy Profiles for Li-Ion Batteries—Effects of Chemistries and Degradation (Wind and Vie, 2025)

Temperaturgränser kan begränsa både laddning och framdrivning. Kyla är särskilt utmanande vid laddning av grafitbaserade litiumjonceller, eftersom litium kan avsättas på elektrodens yta (litiumplätering) i stället för att ta sig in i dess struktur. Bilens styrsystem minskar laddströmmen och kan värma batteriet först.

Regenerativ bromsning kan begränsas av ett kallt eller fullt batteri, eftersom båda tillstånden begränsar den effekt som batteriet kan ta emot. Ägarhandbok för Model 3: Bromsa och stanna Värme- och kylsystem hjälper till att upprätthålla lämpliga förhållanden, vilket förklaras i Batteriets temperaturhantering.

Videon nedan från The Limiting Factor illustrerar hur en litiumjoncell fungerar.