batteri

Et batteri består av flere celler som er koblet sammen i serie. Hver celle består av en positiv elektrode, en negativ elektrode, og en elektrolytt og eventuelt elektrolyttseparator plassert i en egnet beholder. Når cellen produserer elektrisk strøm, skjer det spontane elektrokjemiske reaksjoner ved elektrodene; oksidasjon ved den negative elektroden og reduksjon ved den positive elektroden. Strømtransporten gjennom batteriet fra katode til anode foregår i form av transport av ioner i elektrolytten, mens elektroner leder strømmen i ytre krets som går bare en vei fra anoden til katoden og brukes for å drive våre elektriske apparater og innretninger.

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. Den spenningen som en battericelle med to elektroder kan levere er knyttet til forskjellen i standard elektrodepotensial for de to elektrodereaksjonene dersom elektrolytten er basert på vann. Dette kan finnes fra spenningsrekken. Ved å koble sammen flere battericeller i serie bir total batterispenning summen av spenningen for alle celleenhetene. Dersom battericellene parallellkobles, vi totalspenningen være uendret mens strømmen vil bli høyere.

Produktet av utladingsstrøm og utladingstid, tiden som strøm kan tas ut, angir batteriets ladningskapasitet. Denne uttrykkes ved enheten coulomb (C) og er det samme som ampere-sekund (As) og er også et uttrykk for elektrisk ladning. Ofte brukes enheten ampere-timer (Ah). Energitettheten (energy density) til et batteri er et mål på hvor mye energi batteriet inneholder med hensyn til volum eller vekt. Høy batterispenning gir høy energitetthet. Energitetthet måles i Wh/liter eller Wh/kg. Et batteris krafttetthet (power density) er et mål på hvor hurtig et batteri kan lades eller utlades og er lik produktet av strøm og spenning slik at krafttetthet måles i W/liter eller W/kg.

Bruk av en separator som kan være en membran eller et diafragma kan være hensiktsmessig for å unngå sammenblanding av elektrolyttene ved de to elektrodene da dette ellers kan føre til uønskede kjemiske reaksjoner og tap av reaktanter (elektrodematerialer).

Årsaker til redusert spenning og strøm i forhold til teoretisk ytelse skyldes hovedsakelig elektrolyttmotstand, forbruk av reaktanter (elektroder) og kinetikk for elektrodereaksjonene.

Opplading ved å bruke konstant strøm eller høy spenning kan gi bireaksjoner når batteriet nærmer seg 100% opplading, og da kan batteriets levetid reduseres. Gassutvikling kan være en bireaksjon under opplading, og dette er svært uheldig. En god regel kan være å lade opp til ca 80 % og aldri tømme batteriet helt.

Batteriets vekt er også viktig, spesielt etter at batterier har fått et nytt og voksende marked i transportsektoren; sykler, biler og båter. Det har vært en trend i de seneste årene at batterier med lettere elementer som hydrogen, litium og natrium har blitt utviklet. Dette bidrar til lavere energibruk og redusert CO₂-utslipp. Men det er også viktig å unngå bruk av kritiske elementer hvor råmaterialene finnes i begrenset megde. Av samme grunn er det viktig å resirkulere batterikomponentene så mye som mulig. Oppladbare batterier har også begrenset levetid.

Det er også noen potensielle faremomenter ved bruk av batterier. Det er viktig at batteriet er helt tett for å unngå inntrenging av oksygen og fuktighet fra luft som kan forårsake uønskede reaksjoner og i verste fall brann. Alkalimetaller (litium, natrium og kalium) som brukes i noen batterier kan antenne og føre til brann. Et helt tett batteri vil heller ikke medføre lekkasje av elektrolytt som kan være ødeleggende og føre til etseskader i tilfeller hvor elektrolytten er svært sur aller svært basisk (alkalisk). Avhending av batterier må gjøres med forsiktighet; brukte batterier kan være brannfarlige og regnes som spesialavfall.

Det er vanlig å skille mellom to hovedtyper batterier: Primærbatterier, som er engangsbatterier som ikke kan lades opp, og sekundærbatterier, som er oppladbare batterier.

De vanligste primærbatteriene er alkaliske batterier også kjent som knappebatterier som har mange anvendelser knyttet til lav energi og små enheter. Aluminium/luft-batteriet er en ganske ny type primærbatteri som har en svært høy energitetthet. Batteriet er ikke tilfredsstillende utviklet, men videre forskning vil kanskje føre til at dette batteriet kan bli viktig i framtida. Aluminium er et bedre alternativ enn feks litium fordi det finnes enorme ressurser av aluminium i form av mineralet bauxitt.

De viktigste typene primærbatterier er:

• Alkaliske batterier
• Sink-karbon batterier
• Primære litiumbatterier
• Aluminium-luft batterier

Det finnes mange flere typer oppladbare batterier. Det viktigste er litium-ionebatteriet som har fått stor anvendelse på grunn av høy energitetthet og lav tetthet og lang levetid. I dag brukes slike batterier i store markeder som mobiltelefoner og elektriske biler. Ulemper er at litium finnes i begrenset mengde i jordskorpa og at litium metall er svært reaktivt og kan antenne. Nikkel-metallhydrid og redoks-flowbatterier er også kjente sekundærbatterier, hvor sistnevnte er gunstig til bruk i systemer som krever høy energi. Ellers er den gamle blyakkumulatoren fortsatt i bruk først og fremst i transportsektoren; alle biler, også elektriske, har et slikt blybatteri for å levere strøm til start og lys og radio. Blybatteriet er robust og relativt billig med lang levetid, og i tillegg er det utviklet et godt og sikkert system for håndtering av brukte blybatterier siden bly er et giftig metall.

En ny type batteri primært for energilagring er under utvikling; såkalt batteri med flytende metaller (liquid metal batteries) med høy kapasitet som kan levere høy strøm spesielt til husholdninger slik at elektrisitetforsyningen kan utjevnes over døgnet. Slike batterier kan lagre energi eller lades opp når det brukes lite elektrisitet og levere strøm når forbruket er høyt. Dette kan da være gunstig når elektrisiteten kommer fra vindmøller eller solceller.

• elektrisitet
• elektrisk energi
• kjemisk energi