Batterier

Fra mn/kjemi/kjemiportal
Hopp til: navigasjon, søk

Av Ola Nilsen, Kjemisk institutt, Universitetet i Oslo. [Hjemmeside]

Vår hverdag krever batterier. En kan ikke drive en mobil eller mp3 spiller på stearinlys, enda mindre, podens nye fjernstyrte bil. Men hvordan fungerer egentlig et batteri og hvorfor er det bare noen som kan lades opp?

To grupper

Batterier deles gjerne i to grupper, engangsbatteriene (de primære) og de oppladbare (de sekundære). Det finnes en mengde forskjellige typer batterier i omløp, det enkleste av disse er sink-karbonbatteriet og de mer avanserte er Li-ionebatteriene.

Katode og anode

Batteri-prinsipp.jpg
Selv om batteriene baserer seg på svært forskjellig kjemi, så er alle batteriene bygget relativt likt. Et batteri består av to elektroder, en for katodematerialet og en for anodematerialet samt en elektrolytt som skiller disse fra hverandre. Anoden består av materialet som helst vil bli oksidert – lettest lar seg ruste, gjerne et av de litt mindre edlere metallene: Zn, Cd, eller Li. Katoden består på den andre siden av et materiale som gjerne tar opp elektroner – lar seg redusere. Her har oksider av mangan spilt en viktig rolle i mange av batteritypene. Elektrolytten er ofte en væske, eller gele, som kun leder ioner og ikke elektroner.

Dersom en blander materialene som brukes i katoden og anoden i et batteri sammen, vil en få en heftig reaksjon som gjerne utvikler en del varme. Dette har vært et problem i de tidligere versjonene av litiumbatteriene. Reaksjonen er av en type som kalles red-oks reaksjon. Det betyr at for at reaksjonen skal kunne gå må elektroner hoppe fra det ene materialet til det andre. Det er disse elektronene vi kan få tak i ved å lage et batteri. I et batteri er katoden og anoden skilt fra hverandre med en elektrolytt.

Ioner og elektroner

Elektrolytten har den egenskapen at den leder kun ioner men ikke elektroner. I et batteri har man lagt forholdene til rette for å lage en god reaksjon, men tatt bort en viktig bit – mulighetene for at elektronene også skal kunne delta. For at den kjemiske reaksjonen skal finne sted må kjemien splittes opp slik at elektronene går en vei og ionene en annen – samtidig. Dette er en genial konstruksjon da vi lett kan kontrollere veien til elektronene fra den ene polen av batteriet til den andre, mens veien til ionene, gjennom elektrolytten, hele tiden er tilkoblet. Reaksjonen skal i prinsippet kun finne sted når polene kobles til hverandre gjennom en ledning. Da får vi også mulighet til å bruke disse elektronene til å gjøre en jobb for oss.

Cellepotensialet, spenningen, til et batteri blir bestemt av kjemien som batteriet er basert på. Det er gunstig med så stor spenning som mulig da det vil gi muligheter for mer arbeid, men dette krever igjen materialer som har meget lyst til å reagere, og gjerne kan skape andre uønskede reaksjoner. Det er fullt mulig å lage batterier som gir over 4 V med cellespenning, men disse vil ikke være sikre å slippe i et større marked. Cellepotensialet kan sees på som et mål på anode- og katoddematerialenes ønske om å reagere med hverandre.

Det muligens enkleste batteriet som faktisk fremdeles er i salg er brunstensbatteriet, også kalt sink-karbon batteriet.

Brunstensbatteri / Sink-karbon

Brunsten-batteri.jpg

Dette er det desidert billigste batteriet, men uheldigvis ikke det beste. Batteriet er derimot billig og blitt populært i utviklingsland slik at selv om salget i vesten er blitt borte så har ikke produksjonen dabbet av. Batteriet består gjerne av en beholder av sink som fungerer som både anodemateriale og elektrode, en elektrolytt av sinkklorid, eller ammoniumklorid, samt en katode av et manganoksid koblet til elektrode av karbon. Kjemien i dette batteriet baserer seg på reaksjonen:

Zn + 2 MnO2 = ZnO*Mn2O3

Reaksjonen er veldig avhengig av hvor mye kraft en tar ut av batteriet og ved stor last vil en heller ende opp med mellomprodukter som MnOOH.

Cellepotensialet varier derfor mye med hvor mye kraft en tar ut av batteriet samt kvaliteten på materialene som brukes, men er typisk i området 1,3-1,6 V. Batteriene er klart best ved små strømstyrker, og således absolutt ikke å anbefale for bruk i blitser eller lignende strømkrevende utstyr da en bare vil få ut en brøkdel av energien som batteriet ellers kunne ha levert.

Lekkaksje

Batteriet har en stor ulempe ved at boksen til batteriet også fungerer som anodemateriale. Ved utlading av batteriet vil veggene til boksen bli tynnere og tynnere og ved batteriets slutt vil veggene i batteriet kunne være så tynne at de lekker ut innholdet. Dette var et kjent fenomen for batterier en hadde glemt igjen i radioer og lignende, og har skapte mye søl. Disse batteriene har gjerne en kort holdbarhet selv når de ikke er i bruk. Batterier som er mer enn 1,5 år gamle er i prinsippet ubrukelige.

Sink-karbonbatteriet er i prinsippet et utdatert batteri og produseres ikke lenger i USA eller Europa. Det interessante er at selv om bruken av disse batteriene faller drastisk i disse landene så øker produksjonen på verdensbasis da batteriene er billige og lettere å selge i utviklingsland. Det betyr også at det er godt mulig en kan få slike batterier sammen med utstyr som leveres fra utenfor Europa og USA.

Alkaliske

De alkaliske batteriene ble først introdusert på 1960-tallet og er sett på som arvtageren til brunstensbatteriene, men utfasingen har tatt tid selv om teknologien ikke er så forskjellig. Den store forskjellen er at mens zink-karbonbatteriene bruker en noe sur elektrolytt, så bruker de alkaliske batteriene en svært basisk elektrolytt (kaliumhydroksid). Fordelen er at anoden, sink metallet, ikke lenger er like utsatt for korrosjon.

Alkalisk-batteri.jpg
De alkaliske batteriene består av en katode laget av manganoksid (MnO2) fra en elektrolytisk prosess i stedet for naturlig forekommende for å sikre rent og stabilt materiale. Dette er blitt spesielt viktig etter at kvikksølv er tatt ut av batteriene. Kvikksølvet hjalp til å gjøre sinken mer tilgjengelig for elektrisk oksidasjon, mens den også bremset birekasjoner som dannelse av hydrogengass. En kompenserer dette i dag ved å bruke svært rene materialer, men det øker også kostnaden. Anoden er også i dette batteriet sinkmetall, men i stedet for å utgjøre en del av beholderen til batteriet, blir sinket brukt i form av finkornet pulver. Dette gir en stor overflate og gjør det mulig å bruke batteriet til strømkrevende utstyr. I dette området har det skjedd en liten revolusjon i utholdenhet for disse batteriene, og en kan i dag få batterier som er tilpasset forskjellige strømkrav. Derfor kan det være lurt å velge forskjellige batterier i kamera og mp3-spilleren.

Også for dette batteriet er kjemien avhengig av hvor stor effekt en krever av batteriet. Ved hurtig utlading kan kjemien grovt sett beskrives som:

Zn + 2MnO2 + 2H2O = 2MnOOH + Zn(OH)2

Ved moderate strømbehov blir kjemien:

2Zn + 3MnO2 = Mn3O4 + 2ZnO

De forskjellige reaksjonene ved hurtig og moderat utlading viser igjen at det er viktig å bruke rett batteri til rett formål, spesielt siden kjemien ved hurtig utlading kun gir 75 % av den mulige energien i forhold til ved moderat effekt.

Cellepotensialet i et ferskt batteri er mellom 1.5 og 1.65 V og spenningen faller nesten jevnt med bruken slik at det er lett å følge med på hvor mye effekt som er igjen i batteriet.

Oppladbare batterier

Primærbatterier gir et bruk og kast behov som ofte ikke er like praktisk. Det beste er batterier som kan brukes om igjen. Heldigvis finnes slike gjenbrukbare batterier – de oppladbare. Det mest kjente av disse er blybatteriet som fremdeles er det mest effektive med tanke på pris, men ikke like praktisk å drasse med seg rundt. Fokuset er nå på Li-ione batteriene som gjør dem mye mer bærbare.

Hva er så den store forskjellen mellom de oppladbare og de som ikke er like ladbare? I prinsippet er det lite forskjell annet enn at de oppladbare bruker en kjemi og har en konstruksjon som er mye mer reversible. I prinsippet kan vanlige engangsbatterier lades opp igjen dersom en er meget forsiktig og har full kontroll. Dessverre krever det en grad av kontroll som ikke kan automatiseres så risikoen blir veldig stor for at materiale blir avsatt på andre steder i batteriet enn der de kan gjøre nytte og kortslutninger eller lekkasje kan lett oppstå. Derfor bør en ikke forsøke å lade ”vanlige” batterier.

Blybatteri - det eldste

Bly-batteri.jpg

Det eldste oppladbare batteriet ble tatt i bruk i 1860 av Raymond Gaston Plante som laget dem ved å putte en rull av to blyplater sammen med grovt tøy i løsning av svovelsyre. Batteriet hadde lite effekt da det meste av katodematerialet kom av tilfeldig oksidasjon av blyplatene før dannelse. Kapasiteten til batteriet økte faktisk med gjentatt bruk.

I dag lages blybatteriet ved å ta utgangspunkt i en hullet plate av bly som fylles med en pasta av rødt blyoksid (Pb3O4, mønje) og svovelsyre eller blysulfat. Slike plater blir montert både som katode og anode i blybatteriene før bruk. Platene stables og kobles sammen slik at det blir flere av de positive platene. Dette for å minimere risikoen ved dannelse av hydrogengass ved overlading. Det hele senkes så i svovelsyre og lades. Ved opplading av et blybatteri vil de positive platene danne PbO2 og de negative vil danne metallisk bly med stor overflate. Stor overflate er viktig for å kunne ta ut mye effekt av batteriet på kort tid.

Kjemien til et blybatteri under utlading er:

Pb + PbO2 + 2H+ + 2HSO4- = 2PbSO4 + 2H2O

Ved utlading vil blyoksidet bli redusert til blysulfat samtidig som blyet i de negative platene vil bli oksidert til blysulfat. Den samme forbindelsen (PbSO4) dannes på begge polene samtidig som det forbrukes sulfat i elektrolytten. Svovelsyra blir fortynnet og tettheten avtar. Derfor kan en måle tilstanden til et blybatteri ved å måle tettheten til elektrolytten.

NiCd- lettere

Nikkel kadmium batteriet var antagelig det første oppladbare batteriet som var lett nok til å bæres. Batteriet baserer seg på nikkeloksid som katode og kadmium metall som anode. Batteriet kan gi høy effekt over korte tidsrom og har vært et godt batteri for formål som blits og fjernstyrt elektrisk leketøy som har varierende behov for effekt.

Kjemien til dette batteriet ved utlading er:

2NiOOH + Cd + 2H2O = 2Ni(OH)2 + Cd(OH)2

Batteriet er mer robust enn Li-ionebatterier da de tåler å bli dypt utladet og lagret i utladet tilstand lenge. Faktum er at dette batteriet bør heller lagres i utladet enn oppladet tilstand. Det har en kapasitet som tilsvarer vanlige alkaliske batterier, men har fordelen i at dette batteriet kan lades.

Den største ulempen til disse batteriene er at de inneholder større mengder av kadmium som er giftig dersom det blir sluppet ut av batteriet. Derfor er denne typen batterier mer eller mindre faset ut. Det kreves også en mer sofistikert lader for denne typen batterier for å forhindre at det overopphetes og sprekker under opplading. Man skal derfor være forsiktig med å blande ladere og typen batterier da det ellers kan gå galt.

Nikkel kadmium batterier er også kjent for å ha minneeffekter fra tidligere utladninger. Dersom batteriet lades ut til nesten de samme tilstander flere ganger kan det virke som om det er helt utladet ved neste utlading til samme tilstand, selv om det er mye effekt igjen. Det strides om dette faktisk er en reell effekt da den er vanskelig å reprodusere eller at det er et markedsstunt fra produsentene av NiMH batteriene som kom på markedet i det samme tidsrommet.

En annen effekt som ofte tolkes som en minneeffekt er tilstanden som oppstår ved gjentatt overlading av batteriet. En vil da få full effekt i kort tid før batteriet virker flatt. Dette kan kompenseres ved å lade ut batteriet helt noen gjentatte ganger. Lignende tilstander kan også oppstå ved lengre lagring av batteriet hvor det kan vokse tynne tråder av kadmium fra anoden til katoden. Disse trådene vil kortslutte batteriet og gjøre dem ubrukelige. Derfor er det lurt å lagre denne typen batterier i utladet tilstand.

NiMH - økende kapasitet

Arvtageren til nikkel-kadmiumbatteriet var nikkel-metall-hydrid batteriet hvor kadmiumet er byttet ut med en legering av et metall som kan holde store mengder hydrogen absorbert. Kapasiteten til batteriene ble da økt med en faktor på nesten 3.

Kjemien til batteriet går ut på at hydrogen blir oksidert til vann ved utlading. Ved opplading blir hydrogenet redusert og samtidig løst i et metall, gjerne en legering av nikkel og titan, ved opplading.

Kjemien til denne typen batterier under utlading kan skrives som:

NiOOH + MH = Ni(OH)2 + M

Elementært hydrogen er energirik, meget lett og kan bidra til høy kapasitet ved bruk i batterier, men det er en gass. Dette gjør den uegnet for bruk i batterier med mindre en finner på noe lurt. Det lure her er å løse gassen i et metall. Det er faktisk mulig å løse mer hydrogen i metall enn på hva en vil få dersom en kondenserer gassen.

NiMH batteriene er gode til bruk hvor det kreves høy effekt, men de lider av en relativ høy selvutlading. Selv uten bruk vil batteriet tape ca. 1% av sin effekt hver dag. Batteriene lar seg også påvirke av temperaturen i stor grad og er lette å ødelegge ved overutlading. De beholder spenningen på samme nivå gjennom nesten hele bruken, så det kan være vanskelig å måle tilstanden til batteriet.

Li-ion - for framtiden

Den mest interessante batteriteknologien for oppladbare batterier i dag er litiumholdige batterier. Disse har gått gjennom en stor utvikling allerede, men det er fremdeles store rom for forbedringer. Litium er et interessant metall i batteriformål da det er meget lett og kan gi batterier med stor kapasitet.

Opprinnelig ble denne klassen batterier brukt med metallisk Li som anode, men det førte dessverre til problemer med sikkerhet slik at anoden i dag består av litiummetall løst i grafitt. Dette gir et noe lavere cellepotensial, men et mye sikrere batteri.

De oppladbare Li-ionebatteriene fungerer litt forskjellig fra de andre batteriene ved at elektrolytten forblir uforandret gjennom hele prosessen. Ved utlading vil Li gå ut av grafitten, la seg oksidere ved grenseflaten til elektrolytten, hvor den passerer og går inn i katodematerialet. Katoden må derfor bestå av et materiale som kan ta opp Li i sin struktur. En rekke forskjellige materialer har vært utprøvd og dagens katodematerialer er basert på koboltforbindelser, LiCoO2. Ulempen med dette materialet er at bare halvparten av Li-atomene kan brukes. Dersom mer Li tas ut av strukturen så kollapser den og batteriet blir ubrukelig. Det er derfor viktig også her å beskytte batteriet mot overbruk. Det hjelper heller ikke at kobolt er et dyrt og et noe giftig metall.

Kjemien til et slikt batteri ved utlading er gjerne:

2LiCoO2 + 6C = 2Li0.5CoO2 + LiC6

Det er faktisk ikke mulig å bruke all Li-materialet i det gjeldende katodematerialet I dag, LiCoO2. Det koboltholdige katodematerialet ser nå ut til å kunne bli erstattet av LiFePO4 som er billigere og mer miljøvennlig, samtidig som det kan vise høyere kapasitet ved at all Li kan brukes. En ulempe er derimot at materialet leder dårlig slik at materialet må modifiseres på nanometerskala for å bli brukbart. En rekke oppladbare driller bruker denne teknologien allerede i dag.

Li-ionebatteriene gir de letteste batteriene og også den høyeste spenningen på enkeltbatterier. De viser ingen minneeffekt og har en relativt lav selvutladning. Batteriet bør helst lagres i oppladet tilstand da uopprettelig skade fort kan oppstå ved overutlading.

Da denne typen batterier er minst standardisert er det stor forskjell mellom batterier som er optimalisert for høy og lav effekt. Cellepotensialet for ett slikt batteri blir gjerne på ca. 3.6 V. Siden potensialet er så forskjellig fra andre typer batterier blir de ikke solgt i de vanlige formene som AA og AAA type batterier. Dette for å forhindre ødeleggelse av elektronisk utstyr, men også får å forhindre at en bruker feil lader til feil batteri.

Motsatt lading

Omvendt lading er et problem for nesten alle typer batterier. Ved bruk av seriekoblede batterier bør en bytte batteri før de blir helt brukt opp, bortsett fra for NiCd teknologien hvor fullstendig utlading er en fordel. Dersom ett av batteriene har mindre kapasitet til å begynne med enn de andre i en dings, vil det effektivt sett bli forsøkt ladet ut under sitt nullpunkt. Resultatet er at det utvikles hydrogengass i dette batteriet som igjen kan få batteriet til å sprekke. Derfor bør en også ikke bruke forskjellige typer batterier når de brukes i seriekobling.