Batteriteknologi forklart: oppbygning, kjemier og begreper

Hva er et batteri?

Et batteri bygger på en elektrokjemisk celle med to elektroder og en elektrolytt, slik at kjemisk energi kan tas ut som elektrisk strøm, ifølge Store norske leksikon. Ifølge Store norske leksikon består et batteri av flere celler som er koblet sammen i serie. Hver celle har en positiv elektrode, en negativ elektrode og en elektrolytt, eventuelt med en separator, plassert i en egnet beholder.

Forskjellen på celle og batteri handler derfor om oppbygning. Cellen er den grunnleggende enheten der de kjemiske reaksjonene skjer, mens batteriet er flere celler satt sammen for å gi høyere spenning eller mer strøm. I dagligtale kalles likevel en enkelt AA-celle ofte et batteri, og i praksis er det sjelden noe problem. Skillet blir viktig når datablader, forskning eller regelverk snakker om celler, moduler og pakker.

Den italienske fysikeren Alessandro Volta, som levde fra 1745 til 1827, fant opp det første batteriet, kjent som «Voltas søyle». Hans «Voltas søyle» var det første apparatet som leverte varig elektrisk strøm, og SI-enheten volt er oppkalt etter ham.

Batterier er i dag en del av hverdagen i alt fra små klokker og høretelefoner til el-sykler, elbiler og store elektriske ferger, opplyser NVE. Samme kilde peker på at elektrokjemiske batterier er en teknologi i rask utvikling, og at det har vært en kraftig vekst i global batterikapasitet i kraftsystemet.

Slik er en battericelle bygget opp

Som elektrode kan man bruke metaller som bly eller sink, legeringer som nikkel-kadmium eller faste metalloksider som MnO2 og LiCoO2, opplyser Store norske leksikon. Valget av materialer bestemmer hvilken spenning cellen kan levere og hvor mye energi den kan lagre. Elektrodene er der de kjemiske reaksjonene foregår.

Som elektrolytt brukes vannbaserte væsker med oppløste salter, organiske væsker eller saltsmelter, og faste elektrolytter finnes også, opplyser Store norske leksikon. Elektrolytten leder ioner mellom elektrodene, mens elektronene må ta veien gjennom den ytre kretsen. Det er denne arbeidsdelingen som gjør at strømmen kan brukes til å drive apparater.

Separatoren kan være en membran eller et diafragma. Ifølge Store norske leksikon hindrer den at elektrolyttene ved de to elektrodene blandes, siden det ellers kan gi uønskede kjemiske reaksjoner og tap av elektrodemateriale. Den porøse skilleveggen lar ioner transportere ladning, men hindrer en direkte reaksjon mellom elektrodene.

Ifølge SINTEF er målet med prosjektet SEAMLESS å utvikle og vise frem en helt ny idé for separatoren i elektrokjemiske enheter, og den skal demonstreres i litiumionbatterier.

Slik fungerer utlading og lading

Når cellen avgir strøm, skjer det oksidasjon ved anoden og reduksjon ved katoden. Når anoden oksideres, frigjøres elektroner og anoden blir negativ, mens katoden tar opp elektroner og blir positiv, forklarer Store norske leksikon. Denne spenningsforskjellen skaper en flyt av elektroner i den ytre kretsen.

Samtidig får væsken i cellen en motsatt ladning i de to områdene: rundt anoden samler det seg flere positive ioner, mens væsken rundt katoden får negativ ladning, forklarer Store norske leksikon. Det gir en strøm av ioner som sikrer en sluttet krets. Elektronene går bare én vei i den ytre kretsen, fra anoden til katoden, og driver de elektriske apparatene.

Mengden energi et batteri kan lagre, avhenger av hvor mye aktivt elektrodemateriale det har, og er materialet brukt opp, leverer batteriet ikke mer strøm, opplyser Store norske leksikon. Ved lading sendes strøm inn i motsatt retning, og den kjemiske reaksjonen fører elektrolytt og elektrodemateriale tilbake til sin opprinnelige tilstand, opplyser Store norske leksikon om akkumulator.

Dette er grunnen til at lading krever kontroll. Lader man med konstant strøm eller høy spenning, kan det oppstå bireaksjoner når batteriet nærmer seg full opplading, og gassutvikling under lading beskrives som svært uheldig, opplyser Store norske leksikon.

Engangsbatterier og oppladbare batterier

Det er vanlig å skille mellom primærbatterier og sekundærbatterier, som er oppladbare. Et primærbatteri lar seg ikke lade opp, og når det er tomt skal det leveres som spesialavfall eller resirkuleres, opplyser Store norske leksikon. Alkaliske AA- og AAA-batterier i lommelykter og klokker er eksempler.

I dag sier man vanligvis sekundærbatteri eller oppladbart batteri i stedet for akkumulator, opplyser Store norske leksikon. Den kjemiske reaksjonen i en akkumulator er reversibel, slik at energiomformingen kan gå begge veier. Det er dette som skiller den fra et engangsbatteri, der reaksjonen ikke kan reverseres på en brukbar måte.

Det finnes mange oppladbare batterier som kan ha svært lang levetid, og noen kan lades opp inntil ca. 3000 ganger, opplyser Store norske leksikon. Bilbatterier til både elbiler og diesel- eller bensinbiler er eksempler på oppladbare batterier.

For vanlige forbrukere er det små oppladbare batterier som er mest aktuelle. Forbrukerrådet testet 15 ulike oppladbare batterier og vurderte om de leverer den kapasiteten de lover, hvordan de holder seg etter flere oppladinger, selvutlading og gjennomsnittlig levetid. Rådet skriver at oppladbare batterier kan brukes om igjen og dermed redusere mengden avfall, og at de over tid er langt mer lønnsomme enn tradisjonelle engangsbatterier.

Litium-ion: kjemi og egenskaper

Litium er det aller letteste metallet, opplyser Store norske leksikon. Fordi litium er reaktivt, finnes det stort sett ikke som rent metall i naturen, men inngår i ulike mineraler og forekommer i sjøer.

Store norske leksikon skiller mellom to typer litiumbatterier. I litiumbatterier er det metallisk litium i anoden, mens i litiumionbatterier er det litiumioner i katoden og litium i anoden, opplyser Store norske leksikon om litium. Det oppladbare litiumionbatteriet brukes mye i mobiltelefoner og bærbare PC-er.

Nyere elbiler har normalt batteripakker med litiumteknologi, opplyser Statens vegvesen. Statens vegvesen beskriver slike batteripakker i prinsippet som mange mobiltelefonbatterier som er koblet sammen slik at spenningen blir høy. Litiumbatterier kan lagre mye energi i et lite volum, altså har de høy energitetthet, og det gir økt kjørelengde.

Ulempen er at litiumbrann kan være vanskelig å slukke, og at brannvesenet ofte må kjøle batteriet ned med store vannmengder til brannen slukner av seg selv, opplyser Statens vegvesen. IFE oppgir at de de siste ti årene har fokusert på anodematerialer for Li-ion- og Na-ion-batterier, blant annet silisiumbaserte og karbonbaserte materialer. SINTEF dekker store deler av verdikjeden, fra utvikling av Li-ion-teknologi til gjenvinning og gjenbruk.

Blybatteriet: gammel og utbredt teknologi

Ifølge Store norske leksikon er den negative elektroden i en blyakkumulator av bly, vanligvis legert med antimon, den positive av blydioksid, og elektrolytten er fortynnet svovelsyre. Den omdanner tilført elektrisk energi til kjemisk energi gjennom en reaksjon mellom bly og svovelsyre, og avgir energien igjen som elektrisk strøm.

Bilbatterier i diesel- og bensinbiler er eksempler på oppladbare batterier, opplyser Store norske leksikon. Statens vegvesen skriver også at eldre elbiler normalt har en batteripakke som består av tradisjonelle bilbatterier med lav spenning, altså blybatterier.

Forskjellen fra litium-ion ligger i materialene. Litium har lav vekt og gir lettere og mindre batterier enn andre kjemier, opplyser Store norske leksikon om litium. Litium gir lettere og mindre batterier enn andre kjemier.

Elektrolytten er svovelsyre og elektrodene er bly, så riktig innlevering er viktig.

Andre kjemier: nikkel, natrium og nyere typer

Nikkel-kadmium (NiCd) nevnes av Store norske leksikon som eksempel på en legering som kan brukes som elektrode. Nikkel-metallhydrid-batterier er også forskningstema. IFE lister blant publikasjonene en artikkel om metallhydrider som negative elektrodematerialer for Ni–MH-batterier.

Noen elbiler har batteripakker basert på natrium, opplyser Statens vegvesen.

Det har vært en trend i de senere årene at batterier med lettere elementer som hydrogen, litium og natrium er utviklet, opplyser Store norske leksikon. Samme kilde understreker at det er viktig å unngå kritiske elementer der råmaterialene finnes i begrenset mengde, og å resirkulere batterikomponentene så mye som mulig.

SINTEF nevner at andre typer elektrokjemisk energilagring, som superkondensatorer og flytbatterier, også er relevante forskningsområder, opplyser SINTEF. For nyere batterityper finnes egen omtale i Nye batterityper og strømnettet.

Kapasitet, energitetthet og levetid

Produktet av utladingsstrøm og utladingstid angir batteriets ladningskapasitet, som ofte oppgis i ampere-timer (Ah), opplyser Store norske leksikon. Spenningen en celle kan levere henger sammen med forskjellen i standard elektrodepotensial for de to elektrodereaksjonene. Ved seriekobling blir total batterispenning summen av cellespenningene, mens ved parallellkobling er spenningen uendret og strømmen høyere.

Energitettheten er et mål på hvor mye energi batteriet inneholder i forhold til volum eller vekt, og måles i Wh/liter eller Wh/kg, ifølge samme kilde. Krafttetthet sier hvor hurtig batteriet kan lades eller utlades, og måles i W/liter eller W/kg. Et batteri kan altså ha høy energitetthet men lav krafttetthet, og omvendt.

Levetiden påvirkes av hvordan batteriet lades. Som tommelfingerregel peker Store norske leksikon på at det kan være lurt å lade til ca. 80 % og aldri tømme batteriet helt. Oppladbare batterier har også begrenset levetid. For å forutsi levetiden må man forstå mange parallelle reaksjoner, og IFE analyserer kommersielle batterier for å forstå bruksmønstre og aldring.

Når to batterier sammenlignes, bør du se på kapasitet, energitetthet og antall ladesykluser sammen. Forbrukerrådet testet kapasitet, levetid og ladetid, og ladet batteriene opp 200 ganger for å se på langtidseffekten på battericellekapasiteten.

Sikkerhet, miljø og gjenvinning

Brann i litiumbatterier kan være vanskelig å slukke, og dersom ladesystemet ikke er koordinert med batteriet, kan det gi overlading slik at batteriet begynner å brenne eller eksplodere, opplyser Statens vegvesen. Batterier må derfor vedlikeholdes og lades slik produsenten spesifiserer. Ifølge SINTEF kan et batterirom raskt bli fylt med brennbare gasser og andre farlige stoffer dersom batteriene tar fyr.

Knappcellebatterier kan være svært farlige hvis de svelges, og løse batterier skal holdes utenfor barns rekkevidde, opplyser Helsenorge. Helsenorge oppgir at du skal ringe 113 ved svelging eller mistanke om svelging hos barn. Samme side opplyser at brukte batterier også kan gi alvorlig vevsskade selv om de ikke lenger fungerer.

Et primærbatteri må kastes som spesialavfall eller resirkuleres etter bruk, opplyser Store norske leksikon. Miljødirektoratet opplyser at batteriforskriften gjennomfører EUs batteriforordning og gir krav til alle typer batterier, med mål om blant annet sikrere batterier og en sirkulær økonomi.

Brukte batterier kan også få nytt liv. Ifølge Miljødirektoratet kan batterier fra et kassert elektrisk kjøretøy brukes videre som energilager. Samme side oppgir at kravet om digitalt batteripass gjelder fra 18. februar 2027, og at aktøren som setter et gjenbrukt batteri på markedet på nytt, har ansvaret for at det får nytt batteripass.

Handelen har plikter. En landsomfattende aksjon om retur av EE og batteri er utført av Miljødirektoratet, og hensikten var å sikre at forhandlere oppfyller pliktene sine når det gjelder å ta imot og oppbevare EE-avfall og batterier, samt å gi informasjon om dem.

Praktiske råd og veien videre

Velg batteri etter bruk. Engangsbatterier som alkaliske AA og AAA brukes i for eksempel lommelykter og klokker, mens oppladbare kan brukes om igjen, opplyser Store norske leksikon. Forbrukerrådet påpeker at prisene varierer mye mellom oppladbare batterier, og anbefaler å sjekke pris før kjøp.

I databladet bør du se etter nominell spenning, kapasitet i Ah eller Wh, energitetthet og oppgitt antall ladesykluser. Sjekk også selvutlading hvis batteriet skal ligge ubrukt, siden Forbrukerrådet vurderte dette i sin test. Bruk lader som passer til batteriet, siden en ladeløsning som ikke er koordinert med batteriet kan gi overlading, opplyser Statens vegvesen.

Hold små batterier utenfor rekkevidde for barn, og sjekk at skruer i barneleker med batterier er festet ordentlig, opplyser Helsenorge. Lever brukte batterier til retur i stedet for å kaste dem i restavfallet, også de som virker utladet.

Hvordan batterier brukes i kraftsystemet og til lagring, forklarer NVE, og mer finner du i Energilagring: Batterier i kraftsystemet.