batteri
Store norske leksikon,Realfag,Kjemi,Elektrokjemi og metallurgi,Elektrokjemi
Et batteri er en innretning som omformer kjemisk energi direkte til elektrisk energi. Det består av en elektrokjemisk celle med to elektroder og en elektrolytt. Ved elektrodene skjer det spontane reaksjoner ved utladning.
Volta var den første som demonstrerte batterieffekten ved å koble sammen elektroder av kobber og sink med en elektrolytt. En såkalt Volta-søyle for generering av elektrisitet ble konstruert ved å seriekoble flere elektroder.Det skilles mellom primærbatterier og sekundærbatterier. Et primærbatteri kan ikke lades opp og må derfor kastes eller resirkuleres etter at reaktantene er brukt opp. Alkaliske primærbatterier er fortsatt viktig til bruk i små enheter. Det finnes mange ulike oppladbare batterier som kan vare i flere år.Hver celle består av en positiv elektrode (med overskudd av protoner), en negativ elektrode (med overskudd av elektroner), og en elektrolytisk løsning samt elektrodeseparatorer plassert i et hensiktsmessig kar. Når cellen avgir elektrisk strøm, foregår det ved en kjemisk reaksjon; i form av oksidasjon ved den negative elektroden og en tilsvarende reduksjon ved den positive elektroden. Vi kaller det en redoksreaksjon. Ved oksidasjonsprosessen ved anoden frigis elektroner som så flyter til den ytre krets til katoden, motsatt av positiv strømretning. I katoden tas elektronene opp ved en kjemisk reduksjon. Den videre strømtransport gjennom batteriet fra katode til anode foregår i form av transport av ioner i den elektrolytiske løsningen. De kjemiske reaksjonene skaper polaritet mellom elektrodene og omgivelsene, slik at løsningen rundt den negative anoden er positivt ladet, mens miljøet rundt katoden er negativt. Dette skaper en strøm av negative ioner fra katoden til anoden, og positive ioner den motsatte veien, slik at det blir en sluttet krets.Et batteri kan lagre en viss mengde energi, ut fra hvor mye aktivt elektrodemateriale det har. Når dette er oppbrukt, vil det ikke lenger gi strøm. Produktet av utladestrøm og det antall timer denne strøm kan tas ut, angir batteriets kapasitet, C (coulomb). C angis ofte som den kapasitet som kan lades ut i løpet av et antall timer, dette skrives Cn, der n er det antall timer som batteriet lades ut i løpet av. For eksempel er C5 den kapasitet batteriet har dersom det lades helt ut i løpet av fem timer. Kapasiteten måles i amperetimer (Ah), hvor 1Ah er definert som en strøm på 1 ampere i én time.Produktet av batteriets spenning, utladestrøm og utladetid angir den elektriske energien som er lagret i batteriet. Denne uttrykkes i watt-timer (Wh). Angitt kapasitet er oppgitt for optimale forhold, og kan reduseres ved overbelastning, lav/høy temperatur eller mekaniske belastninger.Batterier kan være serie- eller parallellkoblet. Ved seriekobling kobles den positive pol på et element sammen med den negative pol på det neste. I en slik kobling blir batterispenningen lik summen av de enkelte elementenes spenning. Ved parallellkobling kobles alle negative poler sammen og alle positive sammen. Spenningen blir da uforandret, men den indre motstanden blir mindre, slik at batteriet kan levere større strøm.De to halvreaksjonene skjer ved hver sin elektrode, men normalt vil de kunne skje direkte. For å unngå dette er batteriet delt i to kamre, det vil si at det er delt av en elektrodeseparator, som leder ioner, men hindrer direkte kontakt mellom elektrolyttene i de to kamrene. Over tid vil likevel ioner diffundere gjennom separatoren, og dette er årsaken til at batteriet langsomt utlades, selv om det ikke er i bruk, det vi kaller selvutladning.Det er vanlig å skille mellom to hovedtyper batterier: Primærbatterier, som er engangsbatterier og sekundærbatterier, som er oppladbare batterier. Primærbatterier – engangsbatterier Primærbatteriene kjennetegnes ved at omformingen av kjemisk energi til elektrisk energi foregår ved en ikke-reversibel prosess. Brunsteinbatteriet (også kalt tørrbatteri eller tørrelement), sink-karbon-batteriet, eller sink-mangandioksid-batteriet, ble utviklet av franskmannen Georges Leclanché og videreutviklet av dansken Wilhelm Hellesen, som startet fabrikkproduksjon av batteriene i 1887. Det var tidligere det mest vanlige 1,5 volts rundcellebatteriet. Batteriet har anode av sink. Denne tæres ved utladning slik at det kan oppstå lekkasje av elektrolytt. Dagens batterier har derfor en kapsling av stål. Elektrolytten består av mettet ammoniumklorid (NH4Cl) og katoden består av mangandioksid (MnO2) og kull (karbon).Batteriet har, i stadig forbedrede utgaver, vært i bruk i over 100 år. Batteriets fordel er den lave prisen, men det har også svakheter som høy indre motstand slik at det ikke tåler store belastninger, det er lite egnet i kulde og har lav energitetthet. Typisk verdi er 120–150 Wh/liter. Dette tilsvarer en kapasitet på cirka 5 Ah (amperetimer) for et 1,5 volt stort rundcellebatteri, type R20 (D). Bruksområde er radioer, brannvarslere, lommelykter med mer.Batteritypen er i dag i praksis erstattet av alkaliske sink-manganoksid-batterier. Sink-kloridbatteriet er en variant av brunsteinbatteriet. Det skiller seg fra det opprinnelige brunsteinbatteriet ved at det har store tilsetninger av sinkklorid i elektrolytten. Dette gir 30–40 prosent høyere kapasitet.Batteritypen er i dag i praksis erstattet av alkaliske sink-mangandioksid-batterier. Alkalisk sink-manganoksidbatteri er oppbygd som et brunsteinbatteri, og har en elektrolytt av kaliumhydroksid (KOH). Dette batteriet har lavere indre motstand og tåler dermed atskillig større strømbelastning enn det vanlige brunsteinbatteriet. I tillegg har batteriet atskillig større kapasitet og energitetthet (3–4 ganger større enn for brunsteinbatteriet), og det kan også brukes ved lavere temperaturer. Batteriet er imidlertid mer kostbart.Ved kobling av flere batterier i serie, bør ikke alkaliske batterier og brunsteinbatterier brukes om hverandre, selv om de ser like ut. Dette skyldes batterienes ulike kapasitet. Brunsteinbatteriet, som har minst kapasitet, vil lades raskest ut til 0 volt for deretter å få elektrodespenningen reversert. Dette gir gassutvikling, overtrykk og lekkasje. Heller ikke alkaliske batterier av ulik alder, ladningsgrad, eller fabrikat, bør brukes sammen. Litiumbatterier er en gruppe primærbatterier som har fått stigende utbredelse de senere år. De kjennetegnes ved at de alle har litium som anodemateriale. Katodematerialet er forskjellig, men mangan- eller svoveldioksid som det mest vanlige. Litium er det letteste av alle metaller og har et normalpotensial på 3,05 volt, som også er høyere enn for noe annet metall. Dette bidrar til at litiumbatteriene har høyere cellespenning og høyere energitetthet enn noe annet primærbatteri (2–2,5 ganger større energitetthet enn for det alkaliske batteriet). I tillegg har litiumbatteriene stabil utladespenning, gode lagringsegenskaper og gode belastningsegenskaper også ved lave temperaturer. Det er også utviklet ladbare batterier av denne typen.Typiske anvendelser for litiumbatteri er i bærbart tele- og radioutstyr, medisinsk utstyr, kalkulatorer, backup strømkilde i PC, armbåndsur, lommelykter. På grunn av den lave selvutladningen, under to prosent per år, brukes batteriene også i alarm- og sikkerhetsutstyr som sjelden er i operativ bruk. Sølvoksidbatteriet har en negativ elektrode av sink og en positiv elektrode av sølvoksid. Elektrolytten er alkalisk. Batteriet har større energitetthet enn det alkaliske batteriet, men mindre enn litium- og sink-luftbatteriet (luftaktivert batteri). På grunn av den høye sølvprisen finnes sølvoksidbatterier hovedsakelig som knappceller for bruk i kamera, klokker, kalkulatorer. Kvikksølvbatteriet har en negativ elektrode av sinkamalgam, en positiv elektrode av kvikksølvoksid og en sterk alkalisk elektrolytt av kaliumhydroksid mettet med Zn(OH)42+. Batteriets fordeler er høy energitetthet (omtrent som for sølvoksidbatteriet), stort temperaturområde og meget konstant spenning på 1,34 V gjennom hele levetiden. Svakhetene er relativt kort lagringstid og innholdet av miljøgiften kvikksølv. Anvendt i blant annet klokker, fotoapparater, instrumenter, røykdetektorer. Denne batteritypen er siden 1995 (med noen unntak), forbudt å omsette eller importere til Norge. Luftaktiverte batterier er en gruppe batterier med katalytisk katode som får tilført oksygen fra luften som det aktive materialet. Fordi katoden fungerer som katalysator, er den fysisk svært liten. Dette vil igjen si at det blir frigjort mer plass til det aktive anodematerialet, for eksempel sink, slik at denne batteritypen får stor kapasitet og energitetthet. Lufttilgangen til batteriet er forseglet og brytes ved aktivering. I forseglet tilstand kan batteriet lagres i flere år. Etter brutt luftforsegling må batteriet brukes i løpet av få måneder. Luftaktiverte batterier finnes i alle størrelser fra knappceller (til for eksempel høreapparater) til batterier på flere tusen Ah. Typisk bruk kan være varsellys ved veiarbeid, nødtelefoner på motorvei, havbøyer. Vannaktiverte batterier er normalt mindre batterier (5–10 Ah) og har elektrodematerialer av magnesium og sølvklorid. De har lang holdbarhet i tørr tilstand og aktiveres ved å åpne en plugg for vann. Brukes for eksempel i redningsflåter. Brenselceller er i prinsippet primærbatterier der elektrodematerialet tilføres kontinuerlig i gassfase. I den mest brukte brenselcelle tilføres hydrogen til anoden og oksygen til katoden. Sekundærbatterier – oppladbare batterier Sekundærbatterier (akkumulatorer) er batterier der den kjemisk-elektriske energiomformingen er reversibel. Batteriet kan lades opp gjentatte ganger etter utladning. En rekke forskjellige batterier inngår i denne gruppen, og nye typer er under utvikling. Blyakkumulatoren er det eldste og fremdeles mest brukte sekundærbatteri, blant annet som bilbatteri. Den ble oppfunnet av den franske fysiker Gaston Planté allerede i 1859 og senere forbedret av hans elev Camille Faure. I ladet tilstand består den positive elektroden av blydioksid (PbO2) og den negative består av porøst bly (blysvamp). Elektrolytten er svovelsyre. Ved utlading reduseres blydioksid på positiv pol ved at oksygenioner går ut i elektrolytten og forbinder seg med hydrogenioner til vann. Sulfationer i svovelsyren går til begge elektroder og danner blysulfat. Elektrolytten deltar således i prosessen og går over til vann ved utlading. Prosessen kan skrives: Pb + 2H2SO4 + PbO2 → PbSO4 + 2H2O + PbSO4.Blyakkumulatoren har dermed den store fordel at syreinnholdet og dermed elektrolyttens densitet viser ladetilstanden. Densiteten går fra 1,30 g/cm³ til 1,15 g/cm³ fra fulladet til utladet batteri. Tilsvarende går cellespenningen fra 2,12 volt per celle til under 2 volt. Dette forholdet gjør det enkelt å klarlegge batteriets ladetilstand, og batteriet kan lades opp på enkelt vis.Blyakkumulatoren har en energitetthet på 60–90 Wh/liter (25–45Wh/kg). Levetiden avtar sterkt med stigende temperatur. Ved romtemperatur vil levetiden være 10–15 år når batteriet står som reservestrømskilde med regelmessig vedlikeholdslading. Brukes batteriet i syklusdrift, for eksempel til mobiltelefon, verktøy, elbil, blir levetiden bestemt av antall ut- og oppladninger, sykluser. Blyakkumulatoren vil normalt klare 500–1500 sykluser. Nikkel-kadmium-akkumulatoren (NiCd), som ble patentert av den svenske ingeniøren Ernst Waldemar Jungner (1869–1924) i 1899, har nikkelhydroksid som positivt elektrodemateriale og kadmium som negativt elektrodemateriale. Elektrolytten er kaliumhydroksid som ikke blir oppbrukt under den kjemiske prosessen, men som kun brukes som transportør av ioneladninger. Elektrolyttens tetthet vil derfor forandres lite ved opp- og utladning. Det samme vil være tilfelle med cellespenningen, som er 1,2 V, og den indre motstanden. Batteriets ladetilstand blir derfor ikke så enkel å måle.I forhold til blyakkumulatoren har NiCd-akkumulatoren flere fordeler: den er mindre og lettere, den holder mer konstant spenning ved utladning og den beholder kapasiteten og belastningsegenskapene vesentlig bedre ved lave temperaturer. Typiske anvendelser er i elektronikkapparater, batteridrevet elektroverktøy og utstyr som skal operere ved lave temperaturer slik som utstyr i jernbanevogner, sporveisvogner, fyrlykter. Nikkel-jern-batteriet (NiFe), er en eldre type robust sekundærbatteri som i hovedsak er oppbygd som NiCd-akkumulatoren, men til forskjell fra denne består den negative elektroden av en blanding av jernpulver, jernoksid og kvikksølv. Batteriet ble i mange tilfeller erstattet av NiCd-batteriet, som igjen blir erstattet av Nikkel-metallhydrid- (NiMh) og Litium-Ion- (Li-Ion) batteriet. Nikkel-metallhydridbatteriet (NiMH), er kommet som et resultat av stor innsats for å komme bort fra de miljøfarlige tungmetallene bly, kvikksølv og kadmium. Batteriet er i hovedsak oppbygd som et nikkel-kadmium-batteri (Ni-Cd), men den negative elektroden er erstattet av en høyporøs hydrogenabsorberende legering av metallhydrider. Batteriet har mange av de samme, men til dels bedre, egenskaper enn NiCd-batteriet. Cellespenningen er 1,2 V. Se også hydridbatteri. Litium-ion-batterier brukes i dag mye innen moderne elektronikk, som bærbare PC-er, mobiltelefoner, digitale fotoapparater og ikke minst; i elektriske biler. Batteritypen har mer eller mindre erstattet de nikkelbaserte batteritypene. Fordelene er større kapasitet og lavere vekt. En litium-ion-celle består typisk av en positiv elektrode (katode) av litium-koboltoksid, en separator og en negativ elektrode (anode) av karbon. Det brukes en organisk elektrolytt som ion-transportør.Batteriet kjennetegnes ved en høy nominell spenning; 3,6–3,7 V. Batteriet lades med konstant spenning på 4,1 V–4,2 V per celle. De moderne litium-ion-batteriene tåler godt klattvis lading; det ideelle er faktisk at de brukes ned til 40 prosent av kapasiteten og deretter lades opp igjen til 80 prosent av full kapasitet. De fleste batteritypene mister med tiden noe av spenningen på grunn av en viss selvutladning. Slik sett er litium-ion-batteriet svært stabilt sammenlignet med for eksempel nikkel-metallhydridbatteriet. En svakhet med Li-ion-batteriet er at kapasiteten reduseres betydelig ved lave temperaturer. Mobiltelefoner trives derfor best på innerlomma når temperaturen går ned mot 0 °C.Som batteri i elbiler består Li-ion-batteriet av flere hundre enkeltceller koplet sammen til ett batteri på rundt 400 volt. Erfaringen har vist at litium-ion batterier er mer befengt med å ta fyr enn andre batterityper. Dette har sannsynligvis sammenheng med batteriets kjemiske sammensetning, noe som også er grunnen til at batteritypen har høyere cellespenning enn alle andre batterityper. Det inneholder brennbare komponenter som karbon, oksygen og brennbare væsker. Et tynt lag av litium-kobolt-oksid fungerer som negativ pol, mens en remse av grafitt fungerer som positiv pol. Disse er isolert fra hverandre av en brennbar litium-salt-elektrolytt. Det ser altså ut til at det en vinner i høyere spenning, samtidig gjør batteritypen noe mer utsatt for å brenne. Et godt råd kan derfor være å lade slike batterier under oppsyn. Det er i det siste kommet en ny variant av litium-ion-celler som bruker et fosfat i stedet for et oksid som katodemateriale. Fordelene skal være en vesentlig økt sikkerhet ved at katoden ikke utvikler fritt oksygen ved oppvarming. Samt at cellen kan fullades ved spenninger så lave som 3,6 V. Flere sykler (oppladninger) skal også være en av fordelene. Det er i salg celler som har svært gode belastnings- og syklingsegenskaper. Med høy belastbarhet følger også mulighet til rask lading; ladetider ned mot 15 minutter er realistisk. Celletypen brukes en del i profesjonelt elektro-verktøy, der belastbarheten gir muligheter til å levere krefter som hittil har vært forbeholdt nettdrevet verktøy. Såkalte LPB-batterier (litium-polymer-batterier) er en variant av Li-Ion med en fast (polymer) elektrolytt. Li-Ion celler selges normalt ikke til forbrukere annet enn som del av batteripakker. Natrium-svovelbatteriet (NaS), er et nytt høytemperatur-batteri som i dag blir mest brukt til elektriske biler. I dette batteriet er elektrolytten i fast form og består av et natriumioneledende keramisk materiale (Na+β-alumina). Elektrodene består av flytende natrium og svovel. Ved utladning går positivt ladede natriumioner gjennom det keramiske materialet og reagerer med svovel til natriumpolysulfid (se svovel). For å muliggjøre denne prosessen kreves en driftstemperatur på over 285 °C. Batteriet krever dermed god isolasjon. Det har god energitetthet (100 Wh/liter) og det inneholder mye energi per vektenhet (100–120 Wh/kg). Man forventer en levetid på 2000–3000 opp- og utladninger. En del elektriske biler bruker dette batteriet nå. Som typisk eksempel kan en elektrisk personbil med et 250 NaS-batteri kjøre cirka 15 mil før det må lades på ny. Les mer i Store norske leksikon elektrisitet elektrisk energi kjemisk energi