Hur fungerar ett batteri?

Cellspänning

Den elektriska spänningen över en cell är en materialegenskap som bestäms av vilken typ av aktivt material som anoden och katoden består av. Många elektrodmaterial listas i tabeller med en standardpotential. Detta är grunden för cellspänningen. Så har t.ex. en NiCd-cell 1,2 volt och en litiumjoncell 3,6 volt.

När cellen belastas fås en lägre spänning och när cellen laddas fås en högre spänning. Olika begrepp används, vilospänning, nominell spänning, arbetsspänning, slutspänning, laddningsspänning. För ett blybatteri t.ex. är vilospänningen 2,1 volt, nominella spänningen 2,0 volt, arbetsspänningen 2,0 – 1,75 volt, slutspänningen 1,75 volt och laddningsspänningen 2,5 volt.

Kapacitet

Kapaciteten för en cell bestäms av mängden aktivt material och är den totala mängden elektricitet i den elektrokemiska reaktionen uttryckt i Coulumb (As) eller amperetimmar (Ah). Det vill säga antalet elektroner som flyter från anoden till katoden vid fullständig urladdning.

Energi

Elektrisk energi för en cell är spänningen multiplicerat med kapaciteten och enheten för energin är Wattimmar (Wh). Så har en litiumcell med spänningen 3,5 volt och kapaciteten 3 Ah energin 10,5 VAh eller Wh. Ofta jämförs cellegenskaper mellan olika batterier med den energi som cellerna har per viktsenhet eller per volymsenhet. Vanligt är värden på hur mycket energi ryms i ett kilo cell eller en liter cell. Enheten kallas energitäthet och har enheten Wh/kg eller Wh/liter.

Effekt

Effekten för en cell beräknas så som spänningen multiplicerat med strömmen och mäts i enheten Watt, (W). Effekten är tidsberoende. Om cellen urladdas med en hög ström, fås hög effekt, men kapaciteten förbrukas snabbt och urladdningen varar inte så länge. Om en litiumcell enligt ovan urladdas med 3 A fås effekten 10,5 W, och urladdning kan pågå en timme. Om samma cell urladdas med 10 A fås effekten 30 W, men urladdningen kan bara på pågå cirka 15 minuter.

Det finns en inre resistans i celler som i enlighet med Ohms lag ger upphov till ett strömberoende spänningsfall. Spänningsfallet över cellen under urladdning är också viktig för effekten. Även effekter kan jämföras per vikt- eller per volymenhet, effekttätheten har då enheten W/kg eller W/liter.

Cellanalogi

Det går att likna de elektriska egenskaperna för en cell med två vattentankar som är sammankopplade med ett rör. Då är spänningen tryckskillnaden mellan tankarna (skillnad i höjd) och kapaciteten mängden vatten som töms från den ena tanken till den andra. Strömmen är flödet av vatten genom röret som kopplar ihop tankarna. Energin är det totala arbetet som mängden vatten och tryckskillnaden kan utföra. Effekten är det momentana arbetet som vattnet utför. Hög ström (effekt), mycket vatten med ett rör med stor diameter.

Seriekoppling och parallellkoppling.

Celler kopplas ofta ihop till ett batteri när det skall användas t.ex. i en bil. Om cellerna seriekopplas ökar spänningen, då ansluter man pluspolen med nästa cells minuspol och så vidare.  Sex stycken seriekopplade 10 Ah blyceller med ger 12 volt, 10 Ah. Om cellerna parallellkopplas ökar kapaciteten, då ansluter man pluspol med pluspol och minuspol med minuspol. Sex parallellkopplade blyceller ger 60 Ah och 2 volt.

I analogin med vattentankarna seriekopplas 6 stycken genom att de varje tankpar ställs över varandra, trycket (spänningen) ökar med höjden. Om 6 stycken tankarpar står på samma plan med ett gemensamt rör har man parallellkoppling, mer vatten (kapacitet).

 

Allmänt om primärbatterier

Primärbatterier, eller icke laddningsbara celler, används till elektrisk utrustning så som ficklampor, musikspelare, hörselapparater, klockor, leksaker, kommunikationsutrustning, etcetera. Primärbatterier är enkla att använda, rimligt bra energi- och effekttäthet, pålitliga och till rimliga kostnader.

Primärbatterier finns i form av små knappceller upp till stora celler som används som reservkraft. Vanliga primärceller är engångsbatterier av typerna AA, AAA, C och D.

Den vanligaste typen av primärbatteri är det alkaliska batteriet, detta är den typ av batterier som vi kan köpa i alla affärer idag och som används i konsumentprodukter som kameror, blixtaggregat, musikspelare, radioapparater, ficklampor och liknande.

Tidigare användes nästan uteslutande brunstensbatterier, som är föregångaren till det alkaliska batteriet. En annan typ av primärbatterier som blir allt vanligare är knappceller. Som namnet antyder är batteriet utformat som en knapp eller sammansatt av flera celler till ett batteri, Knappcellerna används i klockor, kalkylatorer, elektroniska leksaker och i hörapparater.

Historiskt sett har zink varit mycket vanligt som anodmaterial i primärbatterier, och återfinns i t.ex. brunstensbatterier, silveroxid-zinkbatterier och zink-luftbatterier. På senare tid har även metalliskt litium som har den högsta energitäthen och högsta spänningen av alla metaller blivit vanligt som anodmaterial. Som katodmaterial användes olika metalloxider som t.ex. mangan- och silveroxid medan elektrolyten oftast är vattenbaserad.

Spänningen med ett zinksystem ligger runt 1,5 volt och för litiumsystemen över 3 volt. För primärbatterier har energitätheten utvecklats från omkring 50 Wh/kg till över 500 Wh/kg.

Viktiga egenskaper förutom spänning och energitäthet är hållbarhet, kostnad, temperatur- och effektegenskaper.

Hållbarhet eller självurladdning är också viktigt eftersom primärceller ofta kan bli kvarlämnade i utrustningen eller lagras under lång tid. Hållbarheten mellan olika batterityper kan variera från något år upp till tjugo år. Även temperaturegenskaperna varierar mellan olika typer, ofta försämras egenskaperna vid låg temperatur och vid hög temperatur kan cellen skadas. Effektegenskaperna varierar kraftigt mellan olika typer, zink luft cellen som använder luftens syre som katod är gjorda för väldigt små effekter med låg ström under lång tid.

Allmänt om sekundärbatterier

Bly-syra (PbA) , nickel-metallhydrid (NiMH), nickel-kadmium (NiCd) och Litiumjon (Li-jon) är de vanligaste laddningsbara batterityperna. Användningsområden varierar mycket, från små batterier i konsumentelektronik, mobiltelefoner och så vidare till stora stationära installationer av industribatterier i t.ex. reservkraft i kärnkraftanläggningar. Ubåtar använder batterier för drift i undervattenläge, dessa batterier har upp till 10 MWh energi. I en installation i Fairbanks i Canada talas om världens största batteri som reservkraft till staden om strömförsörjning från Anchorage skulle slås ut. Batteriet har över 60 MWh energi och kan leverera effekten 46 MW i 5 minuter. Batteriet har levererats från svenska fabriken SAFT i Oskarshamn.

För laddningsbara batterier är cyklingsegenskaperna en viktig egenskap, med cykling avses en urladdnings och en laddningscykel. Ofta anges livslängden i antal cykler som ett batteri kan utsättas för. 

Samtidigt kräver laddningsbara batterier ofta ett visst underhåll, vissa blybatterier kräver att man fyller på vatten efter en tids användning. I en laddningsbar cell med en vattenbaserad elektrolyt kan sönderdelande av vatten vara en sidoreaktion. Då delas vatten upp i syrgas och vätgas som ventileras ut ur cellen. Detta vatten måste då ersättas. Här utvecklas underhållsfria celler där vattenförbrukning minimeras eller rekombineras inne i cellen. 

Blybatterier är fortfarande det dominerande systemet och bilbatteriet är det vanligaste batteriet. Andra vanliga användningar är motorcykelbatterier, lastvagnsbatterier, truckbatterier för gaffeltruckar i lager, stationära batterier som reservkraft i tele- och elanläggningar och UPS-batterier för avbrottsfri kraft.

Det är numera förbjudet att sälja NiCd-batterier som hushållsbatterier till konsumentelektronik, dvs. små NiCd batterier. NiCd batterier för industriändamål tillverkas och säljs fortfarande. Tillverkare av stora industribatterier har kontroll på insamling och återvinning av batterierna medan hushållsbatterier ofta hamnar i soporna och sprids i miljön.

Som ett miljövänligt alternativ utvecklades NiMH batterierna. Dessa används idag i stor utsträckning i konsumentelektronik som handverktyg, rakapparater osv. En annan stor användning av NiMH batterier är i hybridfordon.

Litiumjonbatterier är det batterisystem där tillverkning och användning ökar snabbast. För tio år sedan var det vanligt med NiMH i mobiltelefoner och bärbara datorer idag är det så gott som 100% litiumjon. Tack vare det höga energiinnehållet används litiumjonbatteriet i nästan all konsumentelektronik, smartphones, surfplattor, fotoutrustning osv. Dagens surfplattor hade knappast varit möjligt utan dessa batterier. Samtidigt väntar och förbereder sig de stora batteriproducenterna på genombrottet inom elektrifiering av fordon med hybridfordon, laddhybrider och batterifordon. Fordonselektrifieringen innebär mycket stora produktionsvolymer. Även denna utveckling bygger på litiumjonbatteriet. Den årliga ökningen av produktionsvolymen ligger på 15 – 20 % och kostnaden sjunker med 5 – 10% per år.

Olika batterityper

Brunstensbatteriet

Torrbatteri, zink-grafit eller Leclanche är alla namn på samma elektrokemiska system, brunstensbatteriet.

Brunstenscellen utvecklades under 1800-talet men hade då ett helt annat utseende med glaskärl och flytande elektrolyt. Cellen utvecklades med tiden och zinkhöljet blev kärlet och elektrolyten sögs upp i en massa och man fick det som kallas torrceller. Torrcellen är spillsäker och kan hanteras och transporteras på ett enkelt sätt. Cellen består idag av en zinkbehållare som också utgör anoden. Inne i cellen finns katoden i form av en massa bestående av mangandioxid blandad med kol och elektrolyt. Den positiva polen är en kolstav som doppats i katodmassan.

De vanligaste cellformerna är de så kallade AA-cellerna som används i musikspelare, ficklampor osv. Andra vanliga celltyper är AAA, C, D. Spänningen är 1,5 volt och kapaciteten för en AA cell är mellan 0,4 till 1,7 Ah. Hållbarheten är upp till 3 år. Cellen fungerar bäst i temperaturer mellan 20 till 30 ºC, om temperaturen når över 50 ºC skadas cellen och tappar snabbt kapacitet, vid temperaturer under -20 ºC ger cellen ingen ström.

 

Alkaliska batterier

Det alkaliska batterier är en vidareutveckling av brunstensbatteriet, där materialen i anod och katod är de samma som i brunstensbatteriet .  Höljet är en stålbehållare och inne i behållaren finns först katoden i form av mangandioxid och elektrolyt, anoden är här ett zinkpulver dränkt i elektrolyt. Strömmen leds ut av en mässingsspik till botten av cellen och stålhöljet och locket är den positiva polen.

Jämfört med brunstensbatteriet är den alkaliska cellen nästa dubbelt så dyr med den ger väsentligt längre driftstid. De vanligaste cellerna är AA-celler som används i musikspelare, ficklampor osv. Andra vanliga celltyper är AAA, C och D. Spänningen är 1,5 volt och kapaciteten för en AA cell är upp till 3 Ah. Hållbarheten är upp till 6 år. Cellen fungerar bäst i temperaturer mellan 20 till 30 ºC, över 50 ºC skadas cellen och cellen tappar kapaciteten vid låga temperaturer men har väsentligt bättre egenskaper än brunstenscellen.

Silveroxid

Knappceller finns i flera olika elektrokemiska system, t.ex. alkaliska, kvicksilveroxid och silveroxid som katodmaterial, samtliga har zink som anodmaterial .  Knappcellen ser ut som en liten knapp och består av en behållare med ett lock. Locket utgör minuspolen och står i kontakt med anodmassan. Behållaren står i kontakt med katodmaterialet och är därmed pluspol.

Cellen är vanlig i mikroelektronik, t.ex. i leksaker, dataspel, klockor, minneskretsar och gratulationskort. 

Silveroxidcellen har en urladdningsspänning på 1,6 volt. Genom att stapla flera celler på varandra och försluta med ett plasthölje bygger man seriekopplade batterier med högre spänning, t.ex. 6 volt, 12 volt eller 15 volt. Cellen tillverkas i olika storlekar från 10 mAh till 200 mAh. Silveroxidceller kan användas inom ett relativ brett temperaturintervall, -30ºC till +70 ºC. Hållbarheten är ca 2 år.

  

Litiumbatterier

Litiumbatterier (inte att förväxla med litiumjonbatterier) står för en grupp av primärbatterier med litiummetall som anodmaterial. Litium kan kombineras med flera olika katodmaterial och elektrolyter. På detta sätt tillverkas celler med olika anpassade egenskaper som hög energi, hög effekt eller brett temperaturintervall.

Litiumceller tillverkas i en mängd olika storlekar, från små knappceller till AA celler. Finns även som 9 voltsbatteri till brandvarnare

Den vanligaste cellen har mangandioxid som katodmaterial, samma som brunstensbatterier och alkaliska batterier men anoden är litiummetall istället för zink. Denna cell har spänningen 3 volt och ett relativt brett temperaturintervall, -30ºC till +60 ºC. Hållbarheten är upp till 5 år men självurladdningen är hög vid hög temperatur.

En annan vanlig litiumcell har järndisulfid som katodmaterial, denna cell har spänningen 1,5 volt och är därför ett utmärkt alternativ till alkaliska celler i energikrävande applikationer, eftersom denna cell håller väsentligt mer energi upp till 300 Wh/kg. Denna cell har också mycket lång hållbarhet, upp till 20 år.

  

Zink-luft

Knappceller till hörapparater tillverkas idag med det elektrokemiska systemet zink–luft. Här är minuspolen i kontakt med anodmassan som består av en zinkpasta. Som katod används luftens syrgas som genom små hål in i cellen kommer i kontakt och reagerar med katoden. Härmed tar katodmaterialet ingen plats i cellen då det finns obegränsat i luften och istället kan hela cellen fyllas med anodmaterial. Härmed fås en cell med hög energitäthet till en relativt låg kostnad.

Spänningen ligger på 1,45 volt och energitätheten är hög, upp till 500 Wh/kg. Beroende på att cellen är beroende av att syrgas från luften kommer in i batteriet blir effekttätheten låg, normalt är strömmen endast några mA.

Blybatterier

Blybatterier har tillverkats i snart 150 år och är det äldsta laddningsbara batterisystemet. Anoden består av metalliskt bly och katoden av blydioxid. Cellspänningen är 2 volt och energitätheten är begränsad ca 30 – 40 Wh/kg.

Blybatterier finns i en rad olika varianter och delas ofta in i startbatterier, traktionsbatterier och stationära batterier.

Startbatterier finns som små motorcykelbatterier på10 Ah upp till stora lastvagnsbatterier på 250 Ah. Startbatterierna optimeras för fordonets startförmåga, dvs. skall ge en hög ström under kort tid, även vid många minusgrader samt så att livslängd (mer än 5 år) och kostnad blir rimlig.

Traktionsbatterier används för drift av framförallt inomhustruckar inom lagerhantering. Dessa batterier byggs av sammankopplade enkelceller i ståltråg allt från 12 volt upp till 120 volt och från 50 Ah upp till 1500 Ah. Dessa batterier är konstruerade för cyklisk drift och kan klara upp till 1500 urladdnings och laddningscykler.

Stationära batterier används för reservkraft inom bland annat teleanläggningar och elkraftproduktion. Sådana batterier byggs dels med 12 volt gruppkärl, dels med enkelceller till batterier från 12 volt upp till över 400 volt med kapaciteter från 100 Ah upp till 3500 Ah. Dessa batterier är konstruerade för att stå på kontinuerlig laddning (underhållsladdning) och användas endast vid yttre spänningsbortfall då en urladdning sker.  Här är cyklingsbarheten inte viktig utan istället har egenskapen att laddas under lång tid, upp till 20 år, optimerats.

Självurladdningen innebär att batterier bör laddas regelbundet för att inte förstöras och systemet kräver ett visst underhåll så som vattenpåfyllnad.

Blybatterier finns som underhållsfri variant kallad AGM eller gel typ. I dessa batterier har elektrolyten immobiliserats och i en inre process återvinns syrgas och vätgas så att vattenpåfyllnad inte blir nödvändig.

Nickelmetallhydridbatterier / Nickelkadmiumbatterier

Batterier med nickelmetallhydrid (NiMH) är en mer miljövänlig utveckling av nickelkadmiumbatterier (NiCd) genom att ersätta kadmium i katoden med en metallhydrid. En metallhydrid är en legering av sällsynta jordartsmetaller som har förmåga att absorbera vätejoner.

NiMH batterier har idag ersatt så gott som all användning av NiCd batterier i konsumentprodukter. Idag är det förbjudet att sälja NiCd batterier för användning i konsumentprodukter. Som industribatterier finns NiCd batterier kvar, tack vare att det finns en kontroll över insamling och återvinning av förbrukade batterier. Med NiMH batterier har samtidigt prestanda fördubblats jämfört med NiCd.

NiMH används i dag i larmsystem i sladdlösa handverktyg och i många militära applikationer. NiMH batterier används tidigt i hybridfordonssytem vilket därför fortfarande är ett stort användningsområde.

På lång sikt tappar NiMH batteriet marknadsandelar till litiumjonbatteriet.

Anoden består av nickel och katoden av en metallhydrid. Elektrolyten är vattenbaserad.

Spänningen ligger på 1,2 volt och energitätheten är 80 – 100 Wh/kg. Cyklingsbarheten är över 1000 cykler. Självurladdningen är relativt hög. Batteriet har också en minneseffekt som innebär att batteriet bör djupurladdas med jämna mellanrum för att återställa full kapacitet.

Litiumjonbatterier

Litiumjonbatterier är en grupp av laddningsbara batterier i vilken litiumjonen rör sig mellan anoden och katoden vid laddning och urladdning. Anoden består här av en litiuminnehållande metalloxid och anoden av ett kolmaterial, t.ex. grafit. På grund av den höga cellspänningen kan inte vatten användas i elektrolyten som istället är baserad på organiska lösningsmedel. Den elektrokemiska aktiviteten bygger på ett kemiskt fenomen som kallas interkalation. Här tränger litiumjonen in i hålrum i metalloxidens eller kolmaterialets kristallgitter och lösgör eller binder elektroner.

Litiumjonsystemet är relativt nytt och utvecklingen pågår med stor intensitet på alla kontinenter. Målet med utvecklingen är att öka prestanda ytterligare, sänka kostnaderna och att öka säkerheten.

Tack vare litiumjoncellens höga prestanda har det varit möjligt att utveckla en rad nya produkter som tunna mobiltelefoner och surfplattor. Alla stora fordonstillverkare utvecklar idag fordon med elbaserade drivlinor. Även denna utveckling har varit beroende av den höga prestanda som litiumjoncellen ger. Produktionskapaciteten av litiumjonceller byggs ut i snabb takt för att möta behovet från fordonsindustrin.

Det finns idag ett samband mellan kvalitet och pris på litiumjonceller. Celler med bra prestanda är fortfarande dyra.

Cellen har en spänning på 3,2 till 3,8 volt och en energitäthet på upp till 200 Wh/kg.

Cyklingsbarheten varierar mellan 500 – 5000 cykler beroende på användningsområde och kvalitet.

Det finns litiumjonceller som kallas litiumpolymer, detta är dock samma system fast elektrolyten har ersatts av en jonledande polymer eller en gel.

Användning av batterier

Det är viktigt att batterier används på rätt sätt och att följa den anvisning som tillverkaren ger. Felaktig användning kan orsaka brand och läckage, skada på utrustning och personskada.

Här följer några allmänna råd för att hantera batterier rätt.

• Var noga med att anslut rätt polaritet till utrustningen, alla celler och batterier skall vara polmärkta. Speciellt viktigt med större batterier. Felkoppling kan innebära personskada och skada på utrustningen.
• Batterier kan innehålla stora mängder energi. Skydda batteriets poler med polskydd för att minska risken för kortslutning. Speciellt viktigt när man arbetar med metallverktyg i närheten av batterierna. För små batterier, se upp med nycklar, gem osv.
• Batterierna kan innehålla frätande syra. Använd handskar, skyddskläder, skyddsglasögon samt ansiktsskydd.
• En del batterier kan i vissa situationer avge knallgas. Se till så att ventilationen är tillräcklig. Ingen öppen eld eller gnistor får förekomma.
• Underhållsladda laddningsbara batterier om de inte används, Speciellt blybatterier mår bra av att vara uppladdade.
• Ladda aldrig en primärcell. Cellen kan explodera.
• Förvara batterier vid låg temperatur och låg fuktighet, helst i originalförpackning.
• Byt samtliga batterier i utrustningen samtidigt, blanda inte gamla och nya celler eller celler från olika tillverkare. Det är den svagaste länken som bestämmer kapaciteten.
• Plocka ur batterierna ur utrustningen om den inte används under lång tid. Det kan förekomma små krypströmmar som långsamt urladdar batteriet.
• Öppna eller demontera aldrig en cell eller ett batteri. Detta kan orsaka personskador som frätskador eller brännskador.
• Kasta aldrig celler eller batterier i öppen eld, här finns risk för explosion.
• Se till att barn inte får tag i celler eller batterier. Om barn svalt en knappcell kontakta giftinformationscentralen.

Urladdning

Avsikten med batteriet är att lagra elektrisk energi som kan avges under kontrollerade former genom en urladdning. Vid urladdning flyter en ström av elektroner från anoden genom en last till katoden. Storleken på strömmen bestämmer hur länge urladdningen kan fortgå. Vid hög ström blir urladdningstiden kortare och vid låg ström blir urladdningstiden längre. För en 10 Ah cell kan man ladda ur cellen med 10 A under 1 timma. Med strömmen 20 A skulle man i idealfallet ladda ur under 0,5 timmar och med strömmen 5 A under 2 timmar.

Ofta anges C-faktor för att skala laddnings och urladdningsströmmen. Ett 10 Ah batteri som urladdas med 1C, urladdas med 10 A under en timma. Ett 10 Ah batteri som urladdas med 2C urladdas med 20 A under 0,5 timmar. Samma batteri som urladdas med 0,5 C laddas ur med 5 A under 2 timmar.

På grund av inre motstånd och inre processer i cellen minskar kapaciteten och energin som cellen kan ge med ökad ström. När cellen belastas med en urladdningsström sjunker spänningen över cellen, ju högre ström ju större spänningsfall. En cell som håller 10 Ah vid 1C håller kanske bara 9,5 Ah vid 2C. I figuren visas urladdningar för olika C-faktorer för en NiMH cell. Detta fenomen blir ännu tydligare om energin beaktas.

 

Temperaturen har också inverkan på kapaciteten. Vid låg temperatur går alla kemiska reaktioner långsammare och detta innebär att spänningen och kapaciteten minskar. I figuren nedan visas spänning och kapacitet mellan -20 ºC och +60 ºC för en litiumjon cell.

 

Ofta tillverkas en cell för ett speciellt ändamål. Urladdning i ett fotoblixtaggregat drar hög ström (hög effekt) under kort tid. Denna cell skall då klara hög ström utan kraftigt spänningsfall och kallas ofta effektcell. En radio drar låg ström och kan användas länge (hög energi). Cellen skall innehålla hög energi, kallas ofta energicell. Andra exempel på olika optimering av batterier är å ena sidan en hybridbil som skall klara höga strömmar vid kortvarig acceleration, här används en effektcell. En elbil å andra sidan skall klara så lång körsträcka som möjligt och här används en energicell.

För primärceller avbryts urladdningen när utrustningen slutar att fungera tillfredställande, när ficklampan lyser dåligt då är det dags att byta batterier. För sekundärbatterier är det fördelaktigt att avbryta urladdningen innan spänningen sjunker för lågt. En slutspänning anges för urladdning av batteriet. För blybatteriet, NiMH och för litiumjoncellen anges 1,75 volt, 1,0 volt och 3, 0 volt, respektive.

Laddning

Olika laddningsförfaranden används för olika batterityper. Varje batterityp kräver sin speciella laddningskarakteristik och de som marknadsför batterierna tillhandahåller ofta instruktioner hur batterier skall laddas. Följ alltid tillverkarens instruktioner.

Ladda aldrig primärbatterier, typ alkaliska eller brunstensbatterier, dessa kan explodera vid laddning.

Olika begrepp används för att beskriva laddning av batterier.

• Standardladdning, Den laddningsmetod som tillverkaren föreskriver
• Underhållsladdning, laddning för att motverka självurladdning och hålla batteriet fulladdat.
• Slutladdning. En laddningscykel avslutas med en lägre laddström för att nå fulladdning utan temperaturhöjning och kraftig gasning.
• Snabbladdning, Laddning med hög ström under kort tid.
• Konstant ström-, effekt- eller spännings-laddning. Laddningskarakteristik som beskriver detaljer i laddförloppet, kan vara en kombination av flera olika t.ex.  konstant ström följt av konstant spänning.
• Induktiv laddning, Elektromagnetisk överföring av energi mellan laddare och batteri.
• Laddfaktor, förhållandet mellan återladdad kapacitet och urladdad kapacitet.

Temperaturen är viktig för rätt laddning, vid låg temperatur är laddningsmottagligheten låg och det är svårt att ladda, vid hög temperatur är laddningsmottagligheten god men hög temperatur kan skada cellen.

Batterityp	Laddningstemperatur	Rekommendationer
Blybatterier	-20 ºC till +50 ºC	Ladda med 0,3C eller lägre vid temp under 0 ºC. Minska laddspänning med 3 mV/ºC över 30 ºC
NiCd, NiMH	-20 ºC till +65 ºC	Ladda med 0,1C mellan -20 och 0 ºC. Ladda med 0,3C mellan 0 ºC och 5 ºC Ladda med 1C mellan 5 ºC och 65 ºC Laddningsmottaglighet vid 45 ºC är 70%
Litiumjon	0 ºC till +45 ºC	Skall ej laddas vid minusgrader. Bra laddningsegenskaper vi hög temperatur men förkortad livslängd vid temperatur över 35 ºC

Blybatterier laddas ofta enligt konstantspänningskarakteristik. Laddförloppet startar då med den ström som laddaren kan ge och när spänningen ökat till spänningsgräns sjunker strömmen. En del laddare kan avsluta laddningen med en konstantström för utjämningsladdning. Blybatteriet återladdas med en laddfaktor på omkring 1,2 - 1,25 för öppna celler och 1,05 - 1,1 för AGM- och gelbatterier

NiMH och NiCd celler laddas ofta enligt konstantströmskarakteristik och avslutas när antingen spänningen eller temperaturen nått ett visst värde. Laddningen startar och pågår då med konstant ström tills spänningen nått och passerat ett max värde eller att temperaturen nått ett max värde. Laddfaktorn är ofta 1,3 – 1,4.

Litiumjon batterier laddas på samma sätt som blybatterier, med konstat spänning, Här är slutspänningen viktig för att inte överladdning skall ske. Vid överladdning kan litiumceller skadas allvarligt med risk för brand eller explosion. Slutspänningen är olika beroende på vilken litiumsystem som laddas. Laddningsfaktorn för litium är låg 1,01 - 1,03.

Cykling

En viktig egenskap för laddningsbara batterier är hur många gånger batteriet kan urladdas och laddas innan det är förbrukat. En urladdning med påföljande laddning kallas ofta för en urladdningscykel, eller kort en cykel.

Ett mobiltelefonbatteri urladdas och laddas, det vill säga cyklas, ofta en gång per dygn. Ett batteri till en rakapparat eller en kamera kanske bara en gång per månad.

Ett mobiltelefonbatteri kan kanske användas i två år innan det måste bytas, detta betyder ju att batteriet klara 500 – 700 cykler innan det är förbrukat. Ett elbilsbatteri måste hålla fler cykler för att det skall bli praktiskt och ekonomiskt rimligt, kanske 5 000 cykler.

Det faktorer som påverkar antalet cykler är urladdningsdjup, laddnings- och urladdningsprofil samt temperatur. Ofta begränsas urladdningsdjupet till 80% för att inte slita för hårt på systemet. Urladdning och laddning med höga strömmar påverkar livslängden. Cykling vid hög temperatur innebär extra påfrestning och minskar antalet cykler.

Laddningsbara batterier kan beroende på vad som är viktigast, tillverkas för att klara olika många cykler, ett stationärt batteri för nödbelysning har därför en annan konstruktion än ett batteri för en eltruck

För litiumbatterier är cyklingsbarheten ofta förknippad med kvaliteten och priset på cellen. Ett mobiltelefonbatteri kan cyklas 500 gånger men det finns litiumbatterier av hög kvalitet som kan cyklas 5 000 gånger.

Självurladdning

Alla batterisystem har en viss självurladdning. Detta beror på att det pågår långsamma sidoreaktioner i cellen. Ofta är dessa sidoreaktioner förknippade med föroreningar i elektrolyt och elektrodmaterial och därmed delvis en kvalitetsfråga. Effekten av självurladdningen är att kapaciteten långsamt sjunker vid lagring av cellen. Detta innebär att alla batterier är färskvaror och det är därför som batterier datummärks. För primärceller talar man i stället om hållbarhetstid. Efter hållbarhetstidens utgång är cellen förbrukad. En sekundärcell kan och bör återladdas för att kompensera för självurladdningen. Stationära batterier som står som reservkraft i t.ex. teleanläggningar underhålladdas hela tiden för att kompensera för självurladdning.

Ett blybatteri som står i lager bör laddas var tredje månad för att vara fulladdat. Ett batteri av typen NiMH eller NiCd har hög självurladdning och bör laddas varje månad för att vara fulladdad. Litiumjonbatterier kan ha låg självurladdning.

Det är alltid lämpligt att ladda laddningsbara batterier innan de tas i bruk.

Temperatur

Prestanda vid urladdning, laddning och lagring av cellen påverkas av temperaturen. Alla kemiska reaktionerna i cellen styrs av temperaturen och detta gäller även de elektrokemiska reaktionerna i cellen. Vid höga temperaturer sker reaktionerna snabbare och kapaciteten ökar i cellen. Det finns dock en max temperatur, över denna skadas cellen.

Alla känner nog till att det är svårare att starta bilen när det är -20 grader en vintermorgon än det är en varm sommardag. Detta beror för det första på att batteriet ger lägre kapacitet vid låg temperatur. För det andra går även laddningsreaktionerna trögare i minusgrader vilket ofta leder till att laddningstillståndet för ett startbatteri till bilen generellt är lågt under vintertiden.

Många litiumjonbatterier skall inte laddas vid minusgrader, då skadas cellen. För att försäkra sig om att batteriet skall bli fulladdat bör det laddas vid 20 grader.

Även självurladdningen styrs av temperaturen, så att cellen självurladdar snabbare vid höga temperaturer. Det är därför fördelaktigt att lagra ett batteri vid låga temperaturer.

Historia

Batterier och elektrokemiska celler har använts redan vid vår tidräkningsbörjan. Vid utgrävningar utanför Bagdad i Irak hittade man en lerkruka som visade sig vara en elektrokemisk cell. Man tror att denna cell användes för att plätera ädelmetall på smycken. Cellen var uppbyggd av koppar och järn och hade vin eller ättika som elektrolyt.

På 1800-talet början startade utvecklingen och förståelsen av det som vi idag använder som celler och batterier. Voltas stapel bestod av flera koppar och zink skivor (elektroderna) staplade på varandra med läder eller papper som poröst material (separator) mellan metallerna. Det porösa materialet dränktes med saltlösning, lut eller någon alkalisk lösning (elektrolyt). Under mitten av 1800-talet utvecklades brunstensbatteriet av fransmannen Leclanché. Denna cell visades sig var mycket användbar och används fortfarande idag och är ursprunget till dagens alkaliska batterier.

Sverige har en stolt tradition av batteriutveckling och batteritillverkning. Waldermar Jungner utvecklade flera olika elektrokemiska system, nickel-järn, silver-kadmium och framför allt nickel-kadmium. Nickel-kadmiumcellen är fortfarande ett av de mest pålitliga batterisystemen. Jungner utbildades på KTH i Stockholm och bildade företaget Svenska Ackumulator Aktiebolaget Jungner som fortfarande tillverkar nickel-kadmuimbatterier i Oskarshamn. På västkusten i Nol, utanför Göteborg, tillverkades blybatterier och i Ängelholm tillverkades brunstensbatterier under namnet Tudor, med katten med nio liv som varumärke.

På 1900-talet fortsatte utvecklingen av nya batterisystem. Behovet av bärbar kommunikationsutrustning under andra världskriget resulterade i kvicksilveroxidbatteriet som liknar brunstensbatteriet men som har högre prestanda. Brunstensbatteriet utvecklades till det alkaliska batteriet med högre prestanda och till låg kostnad. Nu lanserades också knappceller med silveroxid som strömförsörjning till mikroelektronik. Litium som elektrodmaterial introducerades först i primärceller och sedan som litiumjonceller laddningsbara celler. Litium är den metall som ger den högsta elektrokemiska spänningen samtidigt som det är den lättaste metallen. Detta medför att litiumceller kan ge mycket bra prestanda.

Arbetet med att reducera koldioxidutsläppen från fordonsflottan har resulterat i utvecklingen av hybridfordon där batterier är en väsentlig komponent. Toyota lanserade sin första hybridbil under slutet av 1990 talet. Denna utveckling genererade stora utvecklingsinsatser på batterisidan. Som ett resultat utvecklades nickel-metallhydridbatterier och litiumjonbatterier.

Problemet med batteriers innehåll av tungmetaller, som kvicksilver, kadmium och bly har också påverkat utvecklingen. Sedan miljöegenskaper blivit allt viktigare har kvicksilver och kadmium i princip tagits bort från konsumentbatterier.

Framtiden

Utveckling av olika batterier fortsätter. Idag pågår forskning inom batteriområdet främst inom litiumjonkemierna, detta område är fortfarande ett relativt nytt batterisystem. Nya katod-, anod-, och elektrolytmaterial utvecklas och testas. Målet med utvecklingen är att öka prestanda och minska kostnaderna.

Mobiltelefoner, surfplattor och bärbara datorer använder idag uteslutande litiumjonbatterier. Dagens smartphones hade inte sett ut som de gör om inte litiumjonbatteriet funnits.

En stark drivkraft i utvecklingen idag är fordonsindustrins behov av att minska koldioxidutsläppen från fordonsflottan. Alla stora fordonstillverkare utvecklar fordon med elbaserade drivlinor, typ hybrider, plug-in hybrider och batterifordon. När fordonsindustrins behov av batterier ökar så ökar produktionsvolymerna samtidigt som pressen på lägre kostnader ökar. Batteriindustrin förbereder sig nu genom att bygga ut produktionskapaciteten för att möta detta behov. Denna utveckling har kommit tillstånd tack vare utvecklingen av litiumjon batterier.

Dagens litiumjonceller har ett energiinnehåll mellan 150 – 200 Wh/kg. Med nya elektrodmaterial och nya elektrolyter förväntas energiinnehållet öka till 300 Wh/kg.

Forskning pågår också på andra system där litium-luft har potential till ännu högre prestanda än dagens litiumjonbatterier, särskilt energitätheten som skulle kunna nå upp mot 500 Wh/kg. Sverige är delaktig i denna utveckling genom forskning på flera svenska universitet och högskolor. Uppsala universitets tillhör toppskiktet i världen.

Miljö och återvinning av batterier

Miljöarbetet med batterier har pågått sedan tidigt 1980-tal. Då började man upprätta insamlingssystem för att ta hand om förbrukade batterier samtidigt som tillverkare arbetade med att miljöanpassa batterierna genom att ersätta miljöfarliga ämnen med andra mindre miljöfarliga alternativ.

Hantering av batterier regleras i batteriförordningen SFS 2008:834.

Producentansvar för batterier innebär att de som importerar och säljer batterier på den svenska marknaden ska se till att batterierna samlas in, tas om hand och återvinns. Återvinningen kan till och med vara lönsam då många batterier innehåller åtråvärda metaller som koppar, nickel och zink. Förordningen innebär också strängare krav på märkning, lägre gränsvärden för tungmetallerna bly och kadmium, samt ett förbud mot bärbara kadmiumbatterier.

Arbetet med att utveckla miljövänliga batterier har resulterat t.ex. i att kvicksilveroxid batterier till hörapparater ersatts av kvicksilverfria zink-luftbatterier och nickel metallhydrid har i stor utsträckning ersatt nickel-kadmium. 

Beträffande blybatterier där den stora produkten är startbatterier till fordonsflottan finns det idag inget rimligt alternativ. Istället har ett effektivt insamlings- och återvinningssystem utvecklats.

Kommuner ansvarar för att batterier inte hamnar i hushållssopor. Med information och återvinningscentraler med bl.a. batteriholkar möjliggör kommunerna insamling av alla typer av batterier. Kommunerna har ofta avtal med producentansvarsbolag och kommunerna ansvarar då för att batterierna samlas in och producentansvarsbolaget ansvarar för bortforsling och återvinning.

Så här sorterar du batterier idag:

• Småbatterier ska samlas in och lämnas i närmaste batteriholk som finns på återvinningsstationerna. Det går också bra att lämna dem i vissa butiker, på miljöstationer och återvinningscentraler.
• Bilbatterier och liknande lämnar du på kommunens återvinningscentral.
• Inbyggda batterier i leksaker, verktyg, dataspel, spelande gratulationskort och så vidare kan ibland vara svåra att se.  Alla produkter eller apparater som blinkar eller låter har dock oftast ett batteri inuti och ska därför lämnas som elektronikavfall på återvinningscentralen.
• Det finns vissa knappceller som fortfarande innehåller små mängder kvicksilver, som tekniskt är svåra att ersätta. Var därför noga med att lämna dessa batterier i batteriholken.