Det hender vi blir spurt om hva et batteri er. Elektrisitet er en gåte for de fleste, så spørsmålet er ikke merkelig. Vi ser nærmere på saken.
Bildet øverst: I økende grad får elektriske biler den nye typen batteri, der koboltpolene er erstattet av snillere jernfosfat. Mange kinesisk produserte biler – som denne – har nå slike. (Foto: BYD)
Av Stein Bekkevold
Et elektrisk batteri kan kjemisk lagre energi, og så avgi den som elektrisitet. Ordet batteribetyr en samling – som kanoner – men angir her flere galvaniske celler. Når elektrisitet sendes inn i polen ved den ene enden og passerer gjennom en leder, en elektrolytt, lagres den ved den andre polen.
Ordet galvanisk stammer fra den italienske lege Luigi Galvani. Han så i 1780 at froskelår trakk seg sammen når han førte gnister av en «elektrisermaskin» inn i dem.
Elektroner i bevegelse
Elektrisitet har alltid fascinert mennesker. Tjue år etter Galvani så fysikeren, professor A. Volta at han kunne lade to metallplater elektrisk ved å gi dem kontakt med en ledende væske, og bygde det første batteriet – Voltas søyle. Senere innså kloke hoder at elektrisitet er elektroner i bevegelse.
Et typisk Lexusbatteri; det sies at neste generasjon vil være med faststoff. (Foto: Lexus)
Reduksjonspotensial
Et batteri slipper ut lagret energi med en redoksreaksjon – en kjemisk reaksjon der elektroneroverføres mellom stoffer. Begrepet er sammensatt av reduksjon og oksidasjon.
Batterispenningen kommer fra energien som frigjøres. For å lagre mest mulig energi, brukes to stoffer som står langt fra hverandre i *spenningsrekka. Spenning i volt V blir summen av oksidasjonspotensialet til stoffene og reduksjonspotensialet til stoffet som reduseres. Tallene i rekka viser målt reduksjonspotensial.
Kilowattimer
Vi har stort sett to typer battericeller, primære og sekundære. Primærcellene kan ikke lades opp igjen, og har ofte høyere energikapasitet og spenning enn sekundærbatterier. Væskefylte celler kalles våtceller – de vanligste er tørrbatterier der elektrolytten ligger som en pasta.
Et batteri eller en celle karakteriseres av spenningen mellom polene (tilkoblingene) – og hvor mye energi som lagres når det er fullt (sekundærcelle) eller nytt (primærcelle). Spenning måles i volt, V, og ladning angis ofte i ampere-timer, Ah. Ganget med spenningen blir kapasiteten watt-timer, Wh, som er en reell energienhet, og som derfor er det korrekte målet på batteriets lagrede energimengde. Som angis i kWh, kilowattimer.
En grunn til at elektriske biler tar fyr, er at batteriet har flytende, oksygenrik elektrolytt – oksygen vil brenne ved gnist eller overoppheting. Altså ønsker vi faststoff elektrolytt …(Foto: Car News China)
Elbiler
I nyere elektriske biler har litium-ion batterier til nå vært mest brukt. Men her skjer det en utvikling, med en forløper til faststoffbatteriene: Det som nå øker i bruk er Litium-jernfosfatbatteriet (LiFePO4-batteri) – LFP-batteriet (litium-ferro-fosfat). Dette er et litium-ion-batteri med litium-jernfosfat i katoden, og en grafitt-karbonelektrode med metallisk baksidesom anode.
Med lavere kostnad, høy sikkerhet, lav giftighet, og lang sykluslevetid kommer LFP i kjøretøy, stasjonære installasjoner og som reservekraft. De er koboltfrie, flott fordi kobolt ofte kommer fra gruver i Afrika, med barnearbeid. Alt i september 2022 var de nye batterienes markedsandel oppe i 31 %.
Kinesiske produsenter har lenge hatt monopol på LFP. Med patenter som utløp fra 2022, og økt etterspørsel etter billigere elbilbatterier, kan produksjonen øke enda mer og vil nok overgå litium-nikkel-mangan-koboltoksid (NMC) i 2028.
Den spesifikke energien er lavere enn for nikkel-mangan-kobolt (NMC) og nikkel-kobolt -luminium (NCA). Den er på 125 wattimer per kg, og kan nå 160 Wh/kg med tettere cellepakking. De beste av de andre typene kan ligge helt opp i 300 Wh/kg. LFP-batterier har gjerne lavere driftsspenning enn andre elbilbatterityper.
Prinsippet i et batteri er til høyre opplading da strømmen går inn fra minuspol til pluss og lagres der – til venstre omvendt, utlading. Og strømmen går via en ledende elektrolytt mellom polene. Denne er flytende, men vil senere bli fast. (Fra egen lærebok)
Gjenbruk
USAs miljødepartement EPA sier om gjenbruk av LiIon-batterier fra skrotede elbiler, at de fleste slike nok er farlig avfall, fordi de kan ta fyr eller eksplodere hvis de håndteres feil. De fleste vil bli ansett som lettantennelig og reaktivt avfall med kode D001 og D003.
LiIon i forbrukerelektronikk og elbil er generelt trygge når de kommer fra en seriøs produsent og brukes riktig. Men brann på slutten av levetiden er vanlig, og feil bruk og skader gjør dette mer sannsynlig da. Korrekt resirkulering vil bidra til å løse nye problemer ved overgang til renere energi.
Brukte LiIon-batterier inneholder kritiske mineraler (REE) som trengs i produksjonen av nye.Ren-energi teknologier vil kreve store mengder slike, og resirkulering kan bidra stort til dette. På kort sikt vil batterier fra mobiltelefoner og bærbare datamaskiner være en viktig del av slik resirkulering.
Farlig avfall
De forskjellige batteritypene har navn etter kjemikaliene i dem, spesielt i katodene. Det finnes mange varianter, men noen vanlige er litiumkoboltoksid, litium-nikkel-kobolt- aluminiumoksid, og litiumjernfosfat.
Forskjellige kjemier vil påvirke hvor mye total energi (kWh) de kan ta inn ved en oppladning, hvor raskt energien frigjøres, hvor stabilt batteriet er, hvor raskt det kan lades opp, og hvor mange ganger det kan lades og utlades.
Visse kjemier gir egne bruksområder; litiumkoboltoksid-kjemi i forbrukerelektronikk, og litium-nikkel-kobolt-aluminiumoksid-kjemi i elbiler. Og det er all denne kjemien som gjør at brukte elbilbatterier behandles som farlig avfall.
*I den galvaniske spenningsrekken ligger de uedle metallene (som lettest gir og tar imot elektroner) på den ene siden som anoder, edelmetallene på den andre siden som katoder. Når flere er elektrisk koblet og er i en elektrolytt, vil det minst edle metallet løses opp først. Forskjellen måles som spenning mellom metallene. Dette er grunnlaget for batteriets funksjon. De edleste stoffene er grafitt, palladium, platina og gull, og de minst edle er aluminium, sink og magnesium. På stålskip kobles skroget til en umalt sinkkloss – sjøvann er elektrolytt. Sinken går i oppløsning og skiftes ut. Skroget er da beskyttet mot rust. Sinken er altså offeranode.
