Litium-Ion-batteri for kamera
.
Lisens: CC BY SA 3.0
Batteri symbol
Kretssymbol for batteri. Symbolet brukes for eksempel i diagrammer for elektriske kretser.
Batteri symbol
Av /Store norske leksikon.
Lisens: CC BY SA 3.0
Ulike typer batterier
Ulike typer batterier
Av /Shutterstock.
Sortering av batterier

Batterier inneholder en mengde ulike kjemikalier og er et stort avfallsproblem. Bildet er fra en gjenvinningsstasjon for batterier.

Sortering av batterier
Av /Getty Images.
Volta-søyle
Kopi av batteriet Alessandro Volta sendte til Michael Faraday ved Royal Institution i London i 1800. Hver celle består av en kobberplate og en sinkplate samt et tøystykke fuktet i saltvann.
Volta-søyle
Av /Getty Images.

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.

Faktaboks

Uttale
batterˈi
Etymologi
av latin ‘slå’; i fysisk betydning, fra italiensk ‘stabel’. Via engelsk battery

Den italienske fysikeren Alessandro 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 er vanlig å skille mellom to hovedtyper batterier: Primærbatterier, som er engangsbatterier og sekundærbatterier, som er oppladbare batterier. 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.

Virkemåte

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. Dette kalles 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 strømtransporten 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.

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.

Prinsipp for battericelle

Når battericellen avgir strøm, skjer det ved en oksidasjon ved anoden og reduksjon ved katoden. Ved oksidasjon frigjøres elektroner, slik at anoden blir negativt ladet, mens katoden forbruker elektroner og får en positiv spenning. Denne spenningsforskjellen skaper en flyt av elektroner i den ytre krets. Samtidig får elektrolytten (løsningen) en motsatt polaritet, området rundt anoden får overskudd av positive ioner, mens løsningen rundt katoden blir negativ. Dette gir en strøm av ioner som sikrer en sluttet krets. Den porøse skilleveggen gjør at ioner kan transportere ladning, men hindrer en direkte reaksjon.

Av /Store norske leksikon ※.

Kapasitet og spenning

batteri

Litium-batteri med en ladekapasitet på 600 mAh (milliamperetimer).

Av .
Lisens: CC BY SA 3.0

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 omtales som batteriets kapasitet. Dette angis med bokstaven C for coulomb (samme enhet som amperesekund).

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.

Serie- og parallellkobling

Batterier kan være serie- eller parallellkoblet. Ved seriekobling kobles den positive polen 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.

Primærbatterier (engangsbatterier)

Ulike typer av vanlige engangsbatterier.

/Store norske leksikon.

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

Brunsteinbatteri

Brunsteinbatteri er det vanligste rundcellebatteriet. Cellereaksjonen er (forenklet) slik: 2MnO2 + 2NH4+ + Zn → 2MnO(OH) + 2NH3 + Zn2+.

/Store norske leksikon.

Brunsteinbatteriet (også kalt tørrbatteri, tørrelement, sink-karbon-batteri eller sink-mangandioksid-batteri) ble utviklet av den franske ingeniøren Georges Leclanché og videreutviklet av den danske oppfinneren Wilhelm Hellesen. Hellesen 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 og katoden består av mangandioksid og kull (karbon).

Batteriets fordel er den lave prisen. 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).

Bruksområdet er radioer, brannvarslere, lommelykter med mer. Batteriet har, i stadig forbedrede utgaver, vært i bruk i over 100 år, men er i dag i praksis erstattet av alkaliske sink-manganoksid-batterier.

Sink-klorid-batterier

Sink–klorid-batteriet er en variant av brunsteinbatteriet. Det skiller seg fra det opprinnelige brunsteinbatteriet ved at det har store tilsetninger av sinkklorid i elektrolytten, noe som gir 30–40 prosent høyere kapasitet.

Batteritypen er i dag i praksis erstattet av alkaliske batterier.

Alkaliske batterier

Alkaliske batterier, egentlig alkalisk sink–manganoksid-batterier, er oppbygd som brunsteinbatterier, men har en elektrolytt av kaliumhydroksid.

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.

Litiumbatterier

Litiumbatterier er en gruppe batterier som har fått økt utbredelse de senere årene. De har alle har litium som anodemateriale. Katodematerialet er forskjellig, men manganoksid eller svoveldioksid er 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 mobiltelefoner, medisinsk utstyr, bærbare datamaskiner, armbåndsur, lommelykter, med mer.

På grunn av den lave selvutladningen (under to prosent per år) brukes batteriene også i alarm- og sikkerhetsutstyr som sjelden er i operativ bruk. (For litium-ion-batterier se under sekundærbatterier under.)

Sølvoksidbatterier

Knappcelle-sølvoksidbatteri
.
Lisens: CC BY SA 3.0

Sølvoksidbatterier 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–luft-batteriet (luftaktivert batteri). På grunn av den høye sølvprisen finnes sølvoksidbatterier hovedsakelig som knappceller for bruk i mindre elektronisk utstyr.

Kvikksølvbatterier

Batteri

Kvikksølvbatteri. Cellereaksjonen er Zn(amalgam) + HgO → ZnO + Hg.

Av /Store norske leksikon ※.

Kvikksølvbatteriet har en negativ elektrode av sinkamalgam og en positiv elektrode av kvikksølvoksid. Det har en sterk alkalisk elektrolytt av kaliumhydroksid mettet med Zn(OH)42+.

Batteriets fordeler er høy energitetthet (omtrent som for sølvoksidbatterier), stort temperaturområde og en konstant spenning på 1,34 V gjennom hele levetiden. Svakhetene er relativt kort lagringstid og innholdet av miljøgiften kvikksølv.

Batteritypen 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. Siden 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 amperetimer.

Typisk bruk kan være varsellys ved veiarbeid, nødtelefoner på motorvei, havbøyer, med mer.

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 for eksempel 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.

Sekundærbatterier (oppladbare batterier)

Elbil-batterier
Produksjon av oppladbare batterier for elektriske biler, Nanjing, Kina, 2021.
Elbil-batterier
Av /Getty Images.

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.

Bly (blybatteri)

Bilbatteri
Blyakkumulator, bedre kjent som «bilbatteri». Den kjemiske prosessen i blybatterer kan skrives: Pb + 2H2SO4 + PbO2 → PbSO4 + 2H2O + PbSO4.
Bilbatteri
Av /Shutterstock.
Lisens: CC BY SA 3.0

Blyakkumulatoren er det eldste og fremdeles mest brukte typen 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 og den negative består av porøst bly (blysvamp). Elektrolytten er svovelsyre.

Ved utlading reduseres blydioksidet på den positiv polen 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.

Blyakkumulatoren har den store fordelen 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 mobiltelefoner, verktøy eller elbiler, blir levetiden bestemt av antall ut- og oppladninger (sykluser). Blyakkumulatorer vil normalt klare 500–1500 sykluser.

Nikkel-kadmium (NiCd)

Nikkel-kadmium-akkumulatoren (NiCd, se hydridbatteri) ble patentert av den svenske ingeniøren Waldemar Jungner i 1899. Det 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 bruksområder er i elektronikkapparater, batteridrevet elektroverktøy og utstyr som skal operere ved lave temperaturer.

Typen har i senere tid ofte blitt erstattet av batterier av typen nikkel-metallhydrid (NiMh) og litium-ion (Li-Ion).

Nikkel–jern (NiFe)

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 har i mange tilfeller blitt erstattet av NiCd-batteriet, som igjen blir erstattet av batterier av typen nikkel-metallhydrid (NiMh) og litium-ion (Li-Ion).

Nikkel-metallhydrid (NiMH)

To NiMH-batterier

Nikkel-metallhydrid-batteriet (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, 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.

Litiumion (Li-Ion)

Litiumionbatterier brukes i dag mye innen moderne elektronikk, som bærbare datamaskiner, 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 litiumioncelle består typisk av en positiv elektrode (katode) av litiumkoboltoksid, en separator og en negativ elektrode (anode) av karbon. Det brukes en organisk elektrolytt som iontransportør.

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 litiumionbatteriene 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 litiumionbatteriet svært stabilt sammenlignet med for eksempel nikkelmetallhydridbatteriet. En svakhet med litiumionbatteriet 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 litiumionbatteriet av flere hundre enkeltceller koplet sammen til ett batteri på rundt 400 volt.

Litiumionbatterier og brannfare

Oksidasjonsreaksjonen til litium gir ut store mengder energi. Det er grunnen til at batteritypen har høyere cellespenning enn alle andre batterityper. Samtidig bidrar det til at litiumionbatterier har større sjanse til å ta fyr enn andre batterityper. Litiumionbatterier inneholder også brennbare komponenter som karbon, oksygen og brennbare væsker. Et tynt lag av litiumkoboltoksid fungerer som negativ pol, mens en remse av grafitt fungerer som positiv pol. Disse er isolert fra hverandre av en brennbar litiumsaltelektrolytt. 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.

Lititium-ion-fosfat

De siste årene har det 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 litium-ion med en fast polymer-elektrolytt. Litium-ion-celler selges normalt ikke til forbrukere annet enn som del av batteripakker.

Natrium-svovel (NaS)

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. 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

Kommentarer (3)

skrev Steinar Mathiesen

Dette hører vel inn under sekundærbatterier. Ser ut til at denne trenger oppdatering, skal se om jeg ikke får tid til å tilføye en del.

skrev Malin Pedersen

Hvordan fungerer et bilbatteri?

svarte Knut A. Rosvold

Som svar anbefaler jeg denne, for bilbatteriet virker i prinsippet på samme måten: http://www.mn.uio.no/kjemi/forskning/tema/batterier/artikler/batteriprinsipp.html

Kommentarer til artikkelen blir synlig for alle. Ikke skriv inn sensitive opplysninger, for eksempel helseopplysninger. Fagansvarlig eller redaktør svarer når de kan. Det kan ta tid før du får svar.

Du må være logget inn for å kommentere.

eller registrer deg