Lyst til å vinne en kraftig solcellelader?

Svar på våre 7 enkle spørsmål her.

Batteri

1. februar, 2017
Galvanisk celle. Illustrasjon: UngEnergi
Figur 1: Dette er en galvanisk celle. Elektronene går fra anoden (grønn) til katoden (oransje) og gir lys i lyspæra. Illustrasjon: UngEnergi

Du hører på musikk og tekster med mobilen mens du sitter i familiens elektriske bil. Ingen av disse apparatene er koblet med ledning til strømnettet, men likevel går alle aktivitetene på elektrisk energi. Hvordan er dette mulig?

 

Dette er takket være batteriet. I batteriet lagres kjemisk energi som man kan hente ut når man trenger den. Den kjemiske energien blir frigitt i reaksjoner mellom stoffene inne i batteriet. Resultatet er elektrisk energi som kan drive de bærbare apparatene våre.

Sammendrag

Et batteri er bygd opp av en eller flere galvaniske celler. Den grønne staven i figur 1 er anoden (-), den oransje er katoden (+), og de er plassert i en blå væske (elektrolytten). Litt forenklet fungerer det slik: Anoden gir fra seg elektroner som vandrer gjennom ledningen, gir lys i lyspæra, og ender opp hos katoden. Anoden og katoden er separert av en gul separator, som kun slipper gjennom positive ioner. Ionene går gjennom elektrolytten (som kan lede ioner, men ikke elektroner), gjennom separatoren, og gjenforenes med elektroner på den andre siden. Resultatet er at den grønne anoden vil krympe, mens den oransje katoden vil vokse. Dette er en redoksreaksjon. Anoden oksideres, dvs. gir fra seg elektroner. Katoden reduseres, dvs. mottar elektroner.

 

Det finnes mange typer batterier, for eksempel knappecellebatterier og litium-ionbatterier (typisk mobilbatteri). Noen er ladbare, andre ikke. Alle batterier kan resirkuleres.

 

Hvordan er et batteri bygd opp?

Et batteri er bygd opp av en samling galvaniske celler. Hver galvaniske celle består av en anode (minuspol), en katode (plusspol), en elektrolytt og ofte en saltbro eller separator. Nå skal vi forklare nærmere hva disse er.

 

Anode og katode

Du har sikkert lagt merke til at batteriet har en negativ og en positiv pol. Det er dette som er anoden og katoden. Når du kobler et batteri i en krets, vil elektroner bevege seg fra minuspolen, gjennom ledningen, og ender opp i plusspolen (se figur 2). Dette er fordi anoden (minuspolen) er laget av et metall som gjerne vil gi fra seg elektroner, mens katoden (plusspolen) gjerne vil motta elektroner. I figur 1 er anoden den grønne staven og katoden den oransje.

De blå pilene viser retningen som elektronene beveger seg i - fra minus til pluss. (Strømretningen, I, er definert fra pluss til minus). Illustrasjon: UngEnergi
Figur 2: De blå pilene viser retningen som elektronene beveger seg i – fra minus til pluss. (Strømretningen, I, er definert fra pluss til minus). Illustrasjon: UngEnergi

Mer om anoden og katoden

Anoden og katoden er ulike metaller eller kjemiske forbindelser. Anoden er laget av et stoff som gjerne vil oksideres, mens katoden er laget av et annet stoff som gjerne vil reduseres. Et stoff som oksiderer, gir fra seg et elektron. Reduksjon vil si å motta elektroner. Dette skjer samtidig, slik at elektronene fra anoden overføres til katoden. Dette er en type kjemisk reaksjon som kalles redoksreaksjon.

 

Hvorfor kalles det “reduksjon” når et atom mottar elektroner? Se for deg at atomet blir mer negativt ladet, altså redusert, når det tar til seg negativt ladde elektroner.

 

En kjekk huskeregel er “oksen Anton er redd for katta”: anoden oksideres, mens katoden reduseres. Eller, vokal for vokal (anode = oksidasjon) og konstant for konstant (katode = reduksjon).

 

Husk også at “strømretning” i ledningen er definert fra positiv pol til negativ pol. Elektronene derimot, beveger seg motsatt vei av dette. De går fra minus til pluss. Tenk deg at når batteriet er helt fullt oppladet, er det fullt av elektroner ved minuspolen. Når batteriet er i bruk, så går det elektroner over til plusspolen, helt til det er tomt. Da er batteriet flatt (utladet, oppbrukt).

 

 

Elektrolytt, saltbro og separator

Elektrolytten består av væske eller gelé som kun leder ioner. Elektrolytten kan for eksempel være en saltløsning. Den er plassert mellom anoden og katoden, og det er viktig at den ikke leder elektroner.

 

En saltbro er ofte et U-formet gløssrør. Inne i dette glassrøret finner vi elektrolytten. Siden elektrolytten gjerne består av en saltløsning, kaller vi det en saltbro. En separator kan være en porøs plastplate dyppet i elektrolytt. Saltbroen eller separatoren brukes til å sørge for at anoden og katoden ikke rører hverandre. Kontakt mellom anode og katode vil føre til kortslutning.

Saltbroen i en daniellcelle

Denne videoen forklarer hvordan saltbroen i en daniellcelle fungerer. Lurer du på hvor kobberionene som binder seg til katoden kommer fra? De blir tatt fra den blå væska, som er en løsning av kobber(II)sulfat.

 

Med ord: Saltbroen fungerer også som en “nøytraliserer”. Saltbroen inneholder positive og negative ioner (i form av salt). Når man bruker batteriet, vil elektronene forlate den negative polen (anoden). Da står man igjen med atomer som har mistet elektroner – altså positive ioner. Disse positive ionene blir det flere og flere av etter hvert som batteriet brukes og elektronene vandrer fra minuspolen til plusspolen. Saltbroen nøytraliserer disse positive ionene ved at negative ioner fra saltet i saltbroen gis til de positive ionene fra anoden. Det motsatte skjer ved plusspolen (katoden). Her brukes alle de positive ionene til å binde seg med elektronene de mottar. Derfor trengs det positive ioner fra saltbroen for å  “kompensere” dette (nøytralisere ladningsforskjellen).

 

Hvordan virker batteriet?

Interaktiv animasjon: http://www.viten.no/?galvanisk_element

Spenningsrekka. Illustrasjon: UngEnergi
Figur 3: Spenningsrekka. Illustrasjon: UngEnergi

 

I den galvaniske cellen finner vi altså en anode som vil gi fra seg elektroner, og en katode som gjerne tar i mot elektroner. Forholdene ligger til rette for en utveksling av elektroner. På grunn av at saltbroen eller separatoren ikke leder elektroner, vil ikke elektronutvekslingen kunne ta sted uten at elektronene kan ta en omvei. Dette utnytter vi med å koble en ledning fra katoden til anoden. Slik kan elektronene som er til overs i anoden vandre fritt over til metallet i katoden som er i desperat nød etter elektroner for å fylle opp de ytre elektronskallene sine. Denne elektronvandringen er det vi i dagligtalen kaller strøm, og kan utnyttes i et elektrisk apparat.

 

Spenningsrekka

Spenningsrekka er en ordning av kjemiske stoffer som gir en oversikt over hvor lett stoffene reagerer med hverandre. Stoffene øverst i spenningsrekka har lett for å gi fra seg elektroner til de som er lenger nede. Med andre ord bør anoden bestå av et stoff langt oppe i spenningsrekka, mens katoden bør bestå av et stoff lengre nede.  

Kapasitet, spenning, energi og effekt

La oss si at du kjøper en powerbank (“nødlader”) med 2600 mAh og 5 V. Hva betyr dette hvis du ønsker å lade opp mobilen din med den?

 

“mAh”, milliamperetimer, er kapasiteten til batteriet. Kapasiteten sier noe om hvor mye strøm batteriet kan levere. Enheten Ah, amperetimer, er ampere A (strøm) ganger timer (h). m står for “milli”, slik at powerbanken vår har en kapasitet på 2,6 Ah. Med 2,6 Ah kan powerbanken levere en strøm på 2,6 A i 1 time eller 0,26 A i 100 timer. Jo mer strøm et apparat krever, jo fortere blir powerbanken tømt.

kapasitet = strøm * tid

V står for volt, som er enheten til spenning. Spenningen til batteriet har sammenheng med hvilke stoffer det er laget av og hva spenningen mellom dem er. Dette kan man finne i spenningsrekka (se over). Jo større avstand det er mellom to stoffer i spenningsrekka, jo høyere spenning er det mellom dem. Noen ganger kan det vært litt uklart hva vi mener med spenningen til et batteri, men når det står 5 V på nødladeren betyr det at den kan levere en spenning på 5 V når vi skal lade mobilen med den. Spenning fungerer som en motor som driver elektronene i en kretsen, og på den måten driver den elektronene som skal lade opp mobilbatteriet.

 

På et mobilbatteri er det gjerne oppgitt et tall med enhet Wh. Dette er energien i batteriet. W står for watt og h for timer, slik at dette er wattimer. Wh er i likhet med Joule en enhet for energi.

energi = spenning * kapasitet

 

Watt (W) er en enhet for effekt. Effekt sier noe om hvor mye energi batteriet kan levere per sekund. De som har lært litt om elektrisitet fra før vet kanskje at W = strøm (A) * spenning (V).

 

Tilbake til powerbanken kan vi nå si at 2600 mAh og 5 V betyr at den inneholder en energi på 13 Wh (= 2600 mAh * 5 V = 13 000 mWh).

 

 

Litium-ionbatteriet

Knappecellebatteri. Foto: UngEnergi
Figur 4: Knappecellebatteri.
Foto: UngEnergi

Det finnes mange forskjellige typer batterier. De fleste får navn etter hvilke stoffer de inneholder, for eksempel nikkel-kadmiumbatterier som inneholder blant annet nikkel og kadmium. I tillegg kan de få navn etter hvordan de ser ut, for eksempel knappecellebatteriene (se figur 4).

 

I denne delen av teksten skal vi vie oppmerksomheten til litium-ionbatteriet. Dette er et oppladbart batteri som man finner i små elektroniske apparater som mobiler og bærbare PCer, men også i større produkter som elbiler. Litium-ionbatteriet er lite og lett i forhold til energien det kan levere. Dette kalles høy energitetthet, og det er en stor fordel siden apparatene de brukes i som regel krever mye energi i forhold til størrelsen.

 

Et litium-ionbatteri fra et kamera. Foto: UngEnergi
Figur 5: Et litium-ionbatteri fra et kamera.
Foto: UngEnergi
Det er vanlig å finne litium-ionbatterier i mobiler. Foto: UngEnergi
Figur 6: Det er vanlig å finne litium-ionbatterier i mobiler. Foto: UngEnergi
Les også: Tenk om mobilbatteriet varte evig! (UngEnergi.no)
Litium-atomet. Illustrasjon: UngEnergi
Figur 7: Litium-atomet.
Illustrasjon: UngEnergi

Grunnstoffet litium

Litium har atomnummer 3. Det vil si at atomkjernen inneholder 3 protoner og 3 elektroner. Hvis atomet kvitter seg med et elektron, vil det ha to elektroner i sitt eneste skall. Da er dette skallet helt fullt, og atomet er fornøyd (duettregelen er oppfylt). Et slikt atom kalles et litium-ion, Li+. Det er positivt ladet, siden det har ett elektron mindre enn antall protoner. Li er det kjemiske symbolet for litium.

Hva består litium-ionbatteriet av?

Litium-ionbatterier er en samlebetegnelse på en gruppe oppladbare batterier med forskjellige kjemiske sammensetninger, som inneholder litium. For eksempel finnes det litiumkoboltoksid-batterier, litiummagnanoksid-batterier og mange flere. Felles for dem alle er at litium-ioner er de indre ladningsbærerne i batteriet.

 

Generelt består litium-ionbatteriene av følgende:

  • En katode. I mange litium-ionbatterier er katoden ofte er et metalloksid, som f.eks. litiumkoboltoksid (LiCoO2). Katoden er i fast form.
  • En anode. Dette er ofte grafitt, som er karbon (C) i en spesiell sekskantet (heksagonal) lagdelt struktur. Grafitt er det samme som “blyet” i blyanter. Anoden er også i fast form.
  • En elektrolytt. Litium-ionbatterier bruker en flytende elektrolytt, altså en væske. Denne væsken inneholder et litiumsalt oppløst i et organisk stoff, for eksempel litiumheksaflourfosfat (LiPF6).
  • En separator. Dette er et skillelag mellom anoden og katoden som kun slipper gjennom Li+-ioner. Den er laget av en porøs polymer. Den forhindrer at anoden og katoden berører hverandre, for da kan batteriet kortslutte.
  • To “current-collectors” av materialer som leder strøm (kobber, aluminium). Disse er koblet til anoden (kobberet) og til katoden (aluminiumet). Hensikten med disse komponentene er å få kontakt mellom anode- og katodematerialet og de ytre polene på batteriet som du kobler til et elektrisk apparat. Man trenger nemlig noe som leder elektroner bedre enn katode- og anodematerialet.

Hvordan virker litium-ionbatteriet?

Modell av et litium-ionbatteri som er i bruk, dvs. lades ut. Illustrasjon: UngEnergi
Figur 8: Modell av et litium-ionbatteri som er i bruk, dvs. lades ut. Illustrasjon: UngEnergi

Stoffene som anoden og katoden er laget av har en lagdelt struktur. Litium-atomer befinner seg mellom disse lagene. Når batteriet er fulladet, er så å si alle litium-atomene ved anoden (minuspolen).

 

Når batteriet brukes (utlades), vil litiumet flytte seg fra anoden (grafitten) til katoden (metalloksidet). Det skjer ved at Li+-ionene tar veien gjennom elektrolytten og separatoren, mens elektronene (som ikke kan passere gjennom separatoren) tar en omvei gjennom en ledning. I ledningen får vi derfor elektroner i bevegelse – dette er det vi kaller strøm. Her kan vi koble til et elektrisk apparat som trenger strøm, f.eks. en lyspære eller en mobil.

 

Når batteriet lades opp, beveger Li+-ionene seg den andre veien: fra katoden (metalloksidet) til anoden (grafitten) gjennom separatoren og elektrolytten.

 

Modell av et litium-ionbatteri som lades opp. Illustrasjon: UngEnergi
Figur 9: Modell av et litium-ionbatteri som lades opp. Illustrasjon: UngEnergi

Litium-ionene beveger seg frem og tilbake mellom anoden og katoden. Derfor blir de kalt de indre ladningsbærerne i batteriet.

 

I praksis er separatoren fuktet med elektrolytten, slik at alle komponentene (anoden, separatoren og katoden) ligger helt tett sammen i batteriet. Animasjonen gir derimot inntrykk av at det er mye plass mellom komponentene, men dette er en forenkling for å lettere kunne se hva som skjer.

Hva er et litium polymerbatteri?

Hvis du undersøker hvilket batteri som er i din mobil, vil du sannsynligvis finne et litium-ionbatteri (Li-ion) eller litium polymerbatteri (Li-Po, Li-ion polymer). Disse er de vanligste mobilbatteriene nå til dags. Litium polymerbatterier er en undergruppe av litium-ionbatterier. Begge typene baserer seg på Li+-ioner som ladningsbærere. Hovedforskjellen ligger i elektrolytten som finnes i batteriene. Litium-ionbatterier har en flytende elektrolytt. Litium polymerbatterier har elektrolytter laget av polymer. Polymerer er en gruppe kjemiske stoffer med molekyler i en bestemt struktur. Litium polymerbatterier bruker kjemien inne i små kanaler i polymeren til å lede litium-ioner gjennom seg. Disse kanalene er så små at en ikke kan se dem og heller regner dem for en del av polymeren. Litium polymer batterier har på den måten en elektrolytt i fast form.

Mer om elektrolytten i litium polymerbatteriet

I litium polymerbatteriet er separatoren erstattet med polymer-elektrolytten. Det faste stoffet forhindrer kontakt mellom anoden og katoden, samtidig som det lar Li+-ioner passere. Fordelen med en elektrolytt i fast form dette er at batteriet blir mer robust, mindre brannfarlig og man kan lage det i mange former og størrelser. Ulempen er at polymer-elektrolytten har dårlig ledningsevne (i å lede Li+-ioner), slik at den ikke er like god for høye strømstyrker. Dette vil si at batteriet fungerer dårlig hvis man skal bruke det til blitz, droner, lekebiler og andre ting som trenger mye strøm over kort tid. Løsningen er å gjøre polymer-elektrolytten enda tynnere enn separatoren brukt i de væskebaserte litium-ionbatteriene. Da behøver ikke Li+-ionene å gå så langt fra anode til katode og en kan tåle en lavere ledningsevne av ionene.

 

I fremtiden kommer det til å komme batterier som bruker et fast keramisk materiale som elektrolytt. Disse kan ikke brenne. Da kan en også lage enda mindre batterier til sensorer man knapt kan se, og en kan også lage batterier som tåler ekstremt hurtig oppladning, og som kan lades utrolig mange flere ganger. (Kilde: Ola Nilsen ved UiO)

Fordeler med litium-ionbatteriet:

Ulemper med litium-ionbatteriet:

  • Dyrt å produsere
  • Bør ikke utsettes for ekstreme temperaturer
  • Kan være brannfarlig

Lad til 80 %

Litium-ionbatterier bør ikke lades helt opp (100 %) eller helt ut (0 %). Faktisk er det best om litium-ionbatteriene så ofte som mulig er mellom 40 % og 80 % oppladet. For høy og for lav prosent er mindre gunstig for batterilevetiden. Det er vanskelig for en lader å se når et batteri er helt fulladet og uønskede kjemiske reaksjoner kan lett skje på anoden og katoden som gjør at kapasiteten synker. Under oppbevaring over lengre tid bør litium-ionbatteriet være ca. 40 % oppladet. Les mer: Ikke lad mobilen til 100 prosent! (tek.no).

Resirkulering

Alle batterier skal resirkuleres, inkludert litium-ionbatteriet. (Figur: Public Domain)
Alle batterier skal resirkuleres, inkludert litium-ionbatteriet. (Figur: Public Domain)

Ingen batterier skal kastes i restavfall, alle batterier skal leveres til gjenvinning. Dette er for å forhindre at miljøskadelige stoffer havner på søppelfyllinger og for å gjenbruke materialene i nye produkter. Mange av materialene i batteriene vi bruker er både energikrevende og dyre å utvinne, i tillegg til at stoffene er miljøskadelige. Derfor skal vi levere batteriene til en forhandler, en kommunal miljøstasjon eller i spesialavfall (farlig avfall).

 

Det er flere grunner til at litium-ionbatteriene skal resirkuleres. For det første kan vårt forbruk av litium-ionbatterier skape et avfallsproblem. Selv om hvert mobilbatteri ikke er så stort, er det svært mange av dem. Men også elbiler bruker litium-ionbatterier, og disse er gjerne på 700 kg. For det andre finnes det stoffer i batteriene, f.eks. nikkel og kobolt, som både er dyre å utvinne og som vi helst ikke ønsker å slippe ut i naturen. Også litium ønsker vi å bruke på nytt, siden det ikke er så mange litiumgruver i verden. Dessuten inneholder elektrolytten mye fluor, som heller ikke bør slippes ut i naturen.

 

Se hva som skjer med elektronisk avfall som fraktes til Afrika:

 

 

 

Kilder Nyttige lenker
Bruk som kilde
Denne artikkelen skrevet av UngEnergi er lisensiert under en Creative Commons Navngivelse-Ikkekommersiell-DelPåSammeVilkår 3.0 Norge Lisens.
UngEnergi.no benytter informasjonskapsler for å gjøre brukeropplevelsen bedre Lukk Les mer
Et batteri består av en eller flere galvaniske celler (også kalt galvanisk element). I hver celle blir energi frigitt ved kjemiske reaksjoner. Denne energien kan vi benytte oss av i et batteri. Et galvanisk element består av de fundamentale byggesteinene i et batteri: en anode (et metall eller en kjemisk forbindelse), en katode (et annet metall eller kjemisk forbindelse), en elektrolytt (en væske som leder ioner) og en separator/saltbro (som sørger for at anoden og katoden ikke rører hverandre).
Energi som finnes i bindingene mellom atomene i et stoff, og som blir frigitt ved fullstendig forbrenning. Eksempler er bensin og mat. Dessuten kan batterier omforme kjemisk energi til elektrisk energi.
I et batteri som er i bruk er anoden den negative polen. Her skjer det en oksidasjon (det avgis elektroner). Når batteriet lades opp er anoden den positive polen.
I et batteri som er i bruk er katoden den positive polen. Her skjer det en reduksjon (det mottas elektroner). Når batteriet lades opp er katoden den negative polen.
En elektrolytt er et stoff med frie ioner. Kan f.eks. være vann som består av H+ og OH-. I et batteri er elektrolytten mellom anoden og katoden, og leder ioner (men ikke elektroner) mellom dem.
En blanding av et salt og en væske (vanligvis vann). Saltet har løst seg opp i væsken, slik at ionene flyter fritt.
Innhold av energi pr masseenhet eller volumenhet, for eksempel kg eller liter. J/kg og J/l er eksempler, men typiske enheter for batterier er kWh/kg eller kWh/l. Du har kanskje sett oppgitt tall som 2400 mAh på noen batterier? Dette angir bare antall elektroner batteriet kan levere. For å få energien batteriet kan gi, så må du gange med spenningen til batteriet. For eksempel, 1,2 V * 2400 mAh = 2,88 Wh, som er typisk energi i et AA NiMH batteri. Et slikt batteri kan holde liv i et lys som bruker 2,88 W i en time.
Du har kanskje hørt om oktettregelen, som sier at atomene "ønsker seg" åtte elektroner i ytterste skall. Små atomer, med et eller to elektronskall, ønsker at det innerste skallet skal være fullt. Det innerste skallet trenger kun to elektroner, derav "duettregelen".
Polymerer er en gruppe kjemiske stoffer hvor små molekyler er satt sammen i en kjede/rekke med et gjentakende mønster. Plast og gummi er blant de mest kjente polymerene.
Gjelder nikkelkadmiumbatterier. Hvis batteriet gjentatte ganger blir ladet opp før det er helt utladet, vil det “huske” den kortere ladetiden. Neste gang du skal bruke batteriet, vil du ikke kunne bruke like mye energi som batteriet var ment å holde. Dette kaller man “minneeffekt”, og resultatet blir at man reduserer batterikapasiteten. Batterier som “husker” bør lades helt ut og helt opp for at det skal være brukbart så lenge som mulig.