batteri – fysikk

To eller flere galvaniske elementer eller celler som er sammenkoblet til en felles enhet og som omformer kjemisk energi direkte til elektrisk energi. I praksis brukes betegnelsen batteri også om enkeltceller.

Hver celle består av en positiv elektrode, en negativ elektrode, 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. 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 ionetransport 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.

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 sterkere 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, dvs. 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.

Primærbatterier – engangsbatterier

Primærbatteriene kjennetegnes ved at omformingen av kjemisk energi til elektrisk energi foregår ved en ikke-reversibel prosess.

Brunsteinbatteriet

Brunsteinbatteriet (også kalt tørrbatteri, sink-karbonbatteriet eller sink-mangandioksidbatteriet) ble utviklet av franskmannen Leclanché og videreutviklet av dansken W. Hellesen. 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 en mangandioksid (MnO₂) og kull.

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 det har lav energitetthet. Typisk verdi er 120–150 Wh/liter. Dette tilsvarer en kapasitet på ca. 5 Ah for et 1,5 volt stort rundcellebatteri, type R20 (D). Bruksområde er radioer, brannvarslere, lommelykter.

Batteri typen er i dag i praksis erstattet av Alkaliske Sink-Manganoksidbatterier.

Sink-kloridbatteriet

Sink-kloridbatteriet er en variant av brunsteinbatteriet. Det atskiller seg fra det opprinnelige brunsteinbatteriet ved at det har store tilsetninger av sinkklorid i elektrolytten. Dette gir 30–40 % høyere kapasitet.

Batteri typen er i dag i praksis erstattet av Alkaliske Sink-Mangandioksidbatterier

Alkalisk sink-manganoksidbatteriet

Alkalisk sink-manganoksidbatteriet 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 temperatur. Batteriet er imidlertid mer kostbart.

Ved kobling av flere batterier i serie, bør ikke alkaliske batterier og brunsteinbatteier 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

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 med svoveldioksid som det mest utbredte. 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 (sekundærbatterier) av denne typen. Det har vært visse sikkerhetsmessige problemer tilknyttet batteriet. Pga. den høye energitettheten har det skjedd eksplosjonsaktige reaksjoner ved feilaktig bruk eller feil i utstyret som kortslutninger eller oppvarming.

Typiske anvendelser for litiumbatterier er i bærbart tele- og radioutstyr, medisinsk utstyr, kalkulatorer, back-up strømkilde i PC, armbåndsur, lommelykter. Pga. den lave selvutladningen, under 2 % per år, brukes batteriene også i alarm- og sikkerhetsutstyr som sjelden er i operativ bruk.

Sølvoksidbatteriet

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). Pga. den høye sølvprisen finnes batteri hovedsakelig som knappeceller for bruk i kamera, klokker, kalkulatorer.

Kvikksølvbatteriet

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 sølvoksidbatteiet), stort temperaturområde og meget konstant spenning på 1,34 V gjennom hele levetiden. Svakhetene er relativt kort lagringstid og innholdet av miljøgiften kvikksølv. Anvendelser er bl.a. i klokker, fotoapparater, instrumenter, røykdetektorer.

Denne batteri typen er siden 1995 (med noen unntak), forbudt å omsette eller importere til Norge.

Luftaktiverte batterier

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, f.eks. 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 knappeceller (til f.eks. høreapparater) til batterier på flere tusen Ah. Typisk bruk kan være varsellys ved veiarbeid, nødtelefoner på motorvei, havbøyer.

Vannaktiverte batterier

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 f.eks.i redningsflåter.

Brenselceller

Brenselceller er i prinsippet primærbatterier der elektrodematerialet tilføres kontinuerlig i gassfase. I den mest brukte brenselcelle tilføres hydrogen til anoden og oksygen til katoden. Se brenselcelle.

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

Blyakkumulatoren er det eldste og fremdeles mest brukte sekundærbatteri. Den ble oppfunnet av den franske fysiker G. Planté allerede i 1859 og senere forbedret av hans elev C. 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 syre-innholdet 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, f.eks. til mobiltelefon, verktøy, el.bil, blir levetiden bestemt av antall ut- og oppladninger, sykluser. Blyakkumulatoren vil normalt klare 500–1500 sykluser.

Nikkel-kadmiumakkumulatoren

Nikkel-kadmiumakkumulatoren, Nicad (NiCd), som ble patentert av svensken E. W. Jugner 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 densitet vil derfor forandres lite ved opp- og utladning. Det samme vil være tilfelle med cellespenning og indre motstand. Batteriets ladetilstand blir derfor ikke så enkel å måle, og oppladningen blir heller ikke så enkel som for blybatteriet.

I forhold til blyakkumulatoren har NiCd-akkumulatoren likevel flere fordeler: den er mindre og lettere (80–120 Wh/liter eller 35–55 Wh/kg), den holder mer konstant spenning ved utladning og den beholder kapasiteten og belastningsegenskapene vesentlig bedre ved lave temperaturer. Levetiden er omtrent som for blyakkumulatoren, og ved syklisk drift er NiCd-akkumulatoren bedre. Men NiCd-akkumulatoren er dyrere. Typiske anvendelser er i elektronikkapparater, batteridrevet elektroverktøy, utstyr som skal operere ved lave temperaturer slik som i jernbanevogner, sporveisvogner, fyrlykter.

Nikkel-jernbatteriet

Nikkel-jernbatteriet (NiFe), er en eldre type robust sekundærbatteri som i hovedsak er oppbygd som NiCd-akkumulatoren, men til forskjell fra denne består den negative elektrodenen av en blanding av jernpulver, jernoksid og kvikksølv. Batteriet erstattes nå i mange tilfeller av NiCd-batteriet. Som igjen blir erstattet av NiMh og LiIon.

Nikkel-metallhydridbatteriet

Nikkel-metallhydridbatteriet (NiMH), er kommet som et resultat av stor innsats for å komme bort fra de miljøfarlige tungmetallene bly, kvikksølv og kadmium. NiMH-batteriet er i hovedsak oppbygd som et NiCd-batteri, men den negative elektroden er erstattet av høyporøs hydrogenabsorberende legering av metallhydrider (f.eks. LaNi₅H_x). Batteriet har mange av de samme, og til dels bedre, egenskaper som NiCd-batteriet. Men foreløpig har batteriet begrensinger som bl.a. kort lagringstid (høy selvutlading ved romtemperatur – mindre ved lave temperaturer) og små størrelser. I tillegg er batteriet kostbart.

LITIUM ION BATTERIET
Brukes i stor utstrekning i bærbare PCer og mobiltelefoner. Batteri  typen har tilnærmet fulstendig erstatttet nikkel baserte batteri typer. Fordelene er større kapasitet og lavere vekt.
Batteri typen har vært involvert i flere spektakulære branner, noe som har bidratt til at det har vært flere store tilbakekallinger av spesielt battterier til PC. En brann i ett LiIon batteri er vansklig om ikke umulig å slokke da cellene selv inneholder brennbart materiale og katoden ved oppvarming utvikler oksygen. Store mengder vann har dog vist seg effektivt ved at det avkjøler og hindrer brannen i å spre seg.
En Litium Ion celle består typisk av en positiv elektrode (katode) av litium kobolt oksid (LiMnO2, og LiNiCo2 brukes noe.) , en separator og en negativ elektrode av karbon. Det brukes en organisk elektrolytt som ion transportør. Ved ladning tas elektroner fra den positive elektroden, elektronet tas fra et litium atom som mister det ene elektronet i sitt ytterste skall, og blir et positivt ion, dette Li+ ionet trekkes mot den negative elektroden der det gjenforenes med et elektron som kommer fra den ytere kretsen. Ved utladning leveres et elektron fra den negative elektroden, samtidig som et elektron leveres til den positive elektroden. Et litium atom i den negative elektroden avgir et elektron og blir et Li+ ion, som trekkes mot den positive elektroden der det tar til seg et elektron og vi er tilbake ved utgangspunktet.
Batteriet kjennetegnes ved en høy nominell spenning (3,6 V). Batteriet lades med konstant spenning 4,1 V til 4,2 V pr celle spenningen varierer fra fabrikant til fabrikant og også for batterier fra samme fabrikant, fabrikantens anvisning bør følges, lade strømmen kan være opp mot 1 C (følg fabrikantens anvisning) ladningen termineres når lade strømmen er sunket til ca 1-10 % av C. Batteri typen er svært kritisk til ladespenningen det er derfor nødvendig å bruke toleranser ned mot 1 % (4,2 V ±50 mV) på ladespenningen. En over spennings beskyttelse som avbryter ladning dersom spenningen over en enkelt celle kommer over 4,3 ±50 mV er nødvendig. Sluttspenning for batteriet ligger mellom 2,5 - 3 V med en under spennings beskyttelse som stanser utladning dersom spenningen over en enkelt celle kommer under 2,3 ± 100 mV det har også vist seg nødvendig med en form for balansering i seriekoblede batterier, slik at alle cellene i batteriet blir like mye ladet. For detaljer angående ladning og utladning bør fabrikant konsulteres.
LiIon Fosfatseller 
Det er i det siste kommet en ny variant av LiIon celler som bruker et fosfat i stedet for et oksid som katode materiale. 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 skal også være en av fordelene. 
Det er i salg celler som har svært gode belastnings og syklings egenskaper. Med høy belastbarhet følger også mulig hett til rask lading, lade tider ned mot 15 minutter er realistisk. Celle typen brukes en del i profersjonelt 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 LiIon med en fast (polymer) elektrolytt.
LiIon celler selges normalt ikke til forbrukere annet enn som del av battteripakker.

Natrium-svovelbatteriet

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. 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 sykler. En del elektriske biler bruker dette batteriet nå. Som typisk eksempel kan en elektrisk personbil med et 250 NaS-batteri kjøre ca. 15 mil før det må lades påny.