Grunderna om batterier
Laddningsbara battericeller lagrar energi kemiskt och avger den som elektricitet genom att laddade joner förflyttas mellan två elektroder samtidigt som elektroner färdas genom en extern krets. De flesta elbilar använder litiumjonceller. Natriumjonceller fungerar enligt en liknande princip men använder andra material och laddningsbärande joner.
Från cell till batteripaket
En cell är den minsta kompletta elektrokemiska enheten för energilagring. En enskild cell ger normalt bara några få volt, så i en elbil kopplas många celler samman för att skapa den spänning och energi som fordonet behöver.
Celler kan grupperas i moduler, som sedan monteras i ett batteripaket. I vissa nyare paket placeras cellerna direkt i paketets struktur utan traditionella modulhöljen.
Det kompletta paketet innehåller också elektriska anslutningar, utrustning för kylning eller uppvärmning, sensorer, kontaktorer, säkringar, ett skyddande hölje och ett batterihanteringssystem.
Kapitlet Batteripaket och konfiguration förklarar hur cellerna kopplas samman och integreras fysiskt.
Vad finns inuti en battericell?
En konventionell litiumjoncell har fem huvudsakliga komponenttyper:
- En negativ elektrod
- En positiv elektrod
- En elektrolyt
- En separator
- Strömkollektorer för de båda elektroderna
Den negativa elektroden kallas vanligen anod, medan den positiva elektroden kallas katod. Namnen beskriver deras roller när batteriet laddas ur. I batterilitteratur används normalt samma benämningar även när laddning diskuteras.
Negativ elektrod
Den negativa elektroden lagrar litiumjoner när cellen är laddad och frigör dem när cellen laddas ur.
De flesta av dagens litiumjonceller för elbilar använder grafit som huvudsakligt material i den negativa elektroden. Vissa tillsätter kisel för att öka mängden litium som elektroden kan lagra. Litiumet binds i elektrodmaterialet och lagras inte som fritt metalliskt litium.
Positiv elektrod
Den positiva elektroden frigör litiumjoner under laddning och tar emot dem under urladdning.
Det aktiva materialet är en av de viktigaste faktorerna som definierar cellkemin. Vanliga katodfamiljer för elbilar är litiumjärnfosfat (LFP), nickel-mangan-kobolt (NMC) och nickel-kobolt-aluminium (NCA).
Kapitlet Cellkemi och komponenter förklarar dessa material och deras avvägningar mer ingående.
Elektrolyt
Elektrolyten gör det möjligt för joner att röra sig mellan de två elektroderna.
De flesta av dagens elbilsceller använder en flytande elektrolyt med ett litiumsalt löst i organiska lösningsmedel. Andra konstruktioner kan använda gel-, halvfasta, polymera eller fasta elektrolyter.
Elektrolyten leder joner inne i cellen. Elektronerna är i stället avsedda att färdas genom den externa elektriska kretsen.
Separator
Separatorn är ett tunt, poröst membran mellan den positiva och den negativa elektroden.
Den hindrar elektroderna från att komma i direkt fysisk kontakt, vilket skulle kunna orsaka intern kortslutning. Dess mikroskopiska porer låter samtidigt joner passera genom elektrolyten.
Strömkollektorer
De aktiva elektrodmaterialen beläggs på tunna ledande folier som kallas strömkollektorer. Folierna leder elektroner mellan elektrodmaterialen och cellens poler.
Konventionella litiumjonceller använder normalt kopparfolie på den negativa elektrodsidan och aluminiumfolie på den positiva elektrodsidan. (U.S. Department of Energy)
Så fungerar urladdning
När cellen laddas ur rör sig litiumjoner från den negativa till den positiva elektroden genom elektrolyten och separatorn.
Elektronerna kan inte följa samma interna väg genom separatorn. De färdas från den negativa till den positiva polen via den externa kretsen. Detta elektronflöde förser fordonet med elektrisk energi. (U.S. Department of Energy)
Under urladdning:
- Den negativa elektroden frigör litiumjoner till elektrolyten
- Jonerna rör sig genom separatorn mot den positiva elektroden
- Elektroner lämnar den negativa elektroden via dess strömkollektor
- Elektronerna färdas genom den externa kretsen
- Den positiva elektroden tar emot de återvändande jonerna och elektronerna
Ett elbilsbatteri levererar likström. Fordonets kraftelektronik styr energin och fördelar den till elmotorn och andra högspänningssystem.
Så fungerar laddning
Vid laddning går jonernas och elektronernas rörelser åt motsatt håll.
En extern strömkälla avlägsnar elektroner från den positiva elektroden och tillför dem till den negativa elektroden via den elektriska kretsen. Samtidigt rör sig litiumjoner genom elektrolyten från den positiva tillbaka till den negativa elektroden.
Under laddning:
- Den positiva elektroden frigör litiumjoner
- Jonerna rör sig genom elektrolyten och separatorn
- Elektroner avlägsnas från den positiva elektroden
- Laddningssystemet tillför elektroner till den negativa elektroden
- Den negativa elektroden lagrar de återvändande litiumjonerna
- Elektrisk energi omvandlas till lagrad kemisk energi
Samma grundläggande process sker vid regenerativ bromsning. Elmotorn fungerar då som generator och omvandlar en del av fordonets rörelseenergi till elektrisk energi som kan återföras till batteriet.
Illustrationen visar den gemensamma funktionsprincipen för litiumjon- och natriumjonceller. Litiumjonceller flyttar Li⁺-joner mellan elektroderna, medan natriumjonceller flyttar Na⁺-joner. Elektrodmaterial, spänning, elektrolyt och detaljkonstruktion skiljer sig åt.
Spänning, ström, effekt och energi
Begreppen beskriver olika batteriegenskaper:
- Spänning (V) är den elektriska potentialskillnad som driver ström genom en krets.
- Ström (A) beskriver hur snabbt elektrisk laddning flödar.
- Effekt (kW) beskriver hur snabbt batteriet avger eller tar emot energi.
- Kapacitet (Ah) beskriver hur stor elektrisk laddning en cell eller ett batteri kan förflytta.
- Energi (kWh) beskriver hur mycket elektriskt arbete batteriet kan utföra.
Elektrisk effekt beräknas utifrån spänning och ström:
Effekt (kW) = Spänning (V) × Ström (A) ÷ 1,000
Ett batteris ungefärliga nominella energi kan beräknas utifrån spänning och kapacitet i amperetimmar:
Energi (kWh) ≈ Nominell spänning (V) × Kapacitet (Ah) ÷ 1,000
Detta är en approximation eftersom cellspänningen hela tiden förändras med laddningsnivå, ström, temperatur och kemi.
Ett högenergibatteri kan lagra en stor energimängd, medan ett högeffektbatteri snabbt kan avge eller ta emot energin. Batterikonstruktion kräver ofta en avvägning mellan energitäthet, effekt, laddningshastighet, hållbarhet, säkerhet, massa och kostnad.
Cellspänning och driftgränser
En cells spänning uppstår genom skillnaden i elektrokemisk potential mellan materialen i den positiva och den negativa elektroden.
Spänningen är inte konstant. Den förändras när cellen laddas och laddas ur, och förändringens förlopp beror på kemin.
Typiska nominella värden är:
- Cirka 3.2 V för en LFP-litiumjoncell
- Cirka 3.6–3.7 V för många NMC- och NCA-litiumjonceller
Nominell spänning är ett representativt värde som används för beräkningar och jämförelser. Den faktiska cellspänningen varierar inom ett större arbetsområde.
Varje cellkonstruktion har en övre och en undre spänningsgräns. Laddning över det tillåtna maxvärdet eller urladdning under minimivärdet kan skada cellen, påskynda degradering eller medföra en säkerhetsrisk.
Batterihanteringssystemet övervakar cellspänningen och håller batteriet inom det tillåtna arbetsfönstret. Det tar också hänsyn till ström, temperatur, laddningsnivå och skillnader mellan cellerna.
Litiumjon och natriumjon
Litiumjon- och natriumjonceller flyttar båda positivt laddade joner mellan två elektroder, men teknikerna är inte utbytbara.
Litiumjonceller flyttar litiumjoner, skrivna som Li⁺. Natriumjonceller flyttar natriumjoner, skrivna som Na⁺. Natriumjoner är större och samverkar annorlunda med elektrodmaterial, så natriumjonceller kräver material och konstruktioner som utvecklats särskilt för natrium.
De flesta litiumjonceller använder grafitbaserade negativa elektroder. Natriumjonceller använder ofta hårt kol. Även materialet i den positiva elektroden, spänningen, energitätheten, temperaturbeteendet, kostnaden och leveranskedjorna skiljer sig åt.
Funktionsprincipen är alltså likartad, men de resulterande cellegenskaperna kan skilja sig avsevärt.
Varför en del energi blir värme
Laddning och urladdning är inte helt effektiva. Varje cell har elektriskt och elektrokemiskt motstånd, vilket gör att en del energi omvandlas till värme.
Motståndet och värmeutvecklingen beror bland annat på:
- Cellkemi och konstruktion
- Batteritemperatur
- Laddningsnivå
- Laddnings- eller urladdningsström
- Cellens ålder och skick
Högre ström ger normalt mer värme. Låg temperatur kan också öka motståndet och minska batteriets förmåga att ta emot laddning eller leverera effekt.
Detta förklarar varför en elbil behöver temperaturhantering och varför laddeffekt, regenerativ bromsning och acceleration kan begränsas när batteriet är mycket kallt, varmt, nästan fullt eller nästan tomt.
För en mer ingående teknisk genomgång av hur litiumjonceller fungerar ger den här videon från The Limiting Factor en användbar visuell förklaring.