Det gode gamle batteriet vil få en viktig rolle i fremtidens samfunn.
Nylig innrømmet ledelsen i både Ford og Toyota at batteribilen ser ut til å bli fremtiden i stedet for brenselceller basert på hydrogen.
Årsaken er at batteriteknologien er i ferd med å gjøre bilene i stand til å kjøre både 40 og 50 mil på en ladning og i fremtiden mye lenger. Men hva er nå egentlig et batteri og hvordan kan det utvikle seg for å skubbe fossilt brennstoff ut av bilen?
For det første er ordet batteri et begrep for en samling av flere enheter. Et elektrisk batteri er en samling av elektrokjemiske enkeltceller akkurat som et kanonbatteri er en samling av flere kanoner. I dagligtale har batteri blitt et begrepet som benyttes om alle enheter som omdanner kjemisk energi til elektrisitet, enten den har en eller flere celler.
Kjemi
Et batteri omdanner kjemisk energi til elektrisk energi. Oppladbare batterier kan reverseres, og omdanne elektrisk energi til kjemisk energi og således fungere som et strømlager. Og for ordens skyld: det finnes andre måter å lagre elektrisitet på. Som i en kondensator hvor den lagres som statisk elektrisitet.
Slike kondensatorer kan komme til å spille en viktig rolle i fremtidens biler som et slags hurtiglager for store strømstyrker som skal inn og ut under akselerasjon og regenerativ bremsing, men det er en annen sak.
Enkelt forklart består et batteri av to elektroder, med ulikt spenningspotensial. De to, anoden og katoden, er ikke i kontakt med hverandre, men er elektrisk forbundet med en elektrolytt. Elektrolytten er et ioneledende materiale i form av en væske eller et fast stoff og omtales også som en ionebro. Men det blir ingen elektrisk strøm uten at de to elektrodene forbindes med en elektrisk krets.
Når den elektriske kretsen sluttes driver spenningspotensialet elektroner fra anoden til katoden Når det kobles inn en lampe, en motor, eller noe annet som bruker strøm i den kretsen, kan ioner flytte ladning mellom de to elektrodene og kretsen fungerer.
To halvdeler
Et batteri, eller en galvanisk celle, som kanskje er en mer korrekt beskrivelse, er ofte sett på som to halvceller. I den ene halvcellen skjer det en oksidasjon ved at det avgis elektroner, og i den andre en reduksjon ved at det opptas elektroner. Alle vet jo hva en oksidasjon er siden stålet i bilene våre har en lei tendens til å avgi elektroner slik at de forbinder seg med oksygen og danner jernoksyd, eller rust som vi kaller det. Dessverre er det en irreversibel prosess, ellers kunne vi ”lade” bilen med strøm og redusere jernoksydet til jern igjen, men den gang ei.
Batterier som skal brukes i kjøretøyer, er derimot ladbare. Det finnes en rekke typer av dem, og den viktigste forskjellen mellom dem er kjemien. For her er det stoffenes elektropotensial som spiller hovedrollen. Spenningen i batteriet avhenger av de stoffene som brukes i anoden og katoden. For at den skal bli størst mulig, er det best om de to stoffene er lengst mulig unna hverandre i spenningsrekken.
Flere typer
Energitetthet, pris og holdbarhet er de viktigste parameterne når det gjelder valg av batteri til bil. Med energitetthet så menes energiinnhold per kg. Det gode gamle blybatteriet har gjort tjeneste i over hundre år og utvikler seg hele tiden. Fordelen er at det er enkelt og billig, men energitettheten og levetiden er for lav til å spille hovedrollen fremover. Nikkel-kadmium batteriet er bedre, med betydlig lengre levetid. Men kadmium er ingen miljøvinner. Dessuten er ikke energitettheten tilstrekkelig.
Batterier basert på nikkelmetallhydrid har enda høyere energitetthet og god levetid, men lite tyder på at denne teknologien lar seg produsere til lave nok priser.
Litiumionebatterier av ulike varianter er den teknologien de fleste satser på idag. Dette er en teknologi som har en høy energitetthet. Det ser ut til at man kan få til bra levetid, og et akseptabelt kostnadsnivå.
Vitale mål
Blybatterier har en energitetthet på mellom 30 og 60 Wh/kg. Nikkel-kadmium er litt bedre og kan nærme seg 80, mens nikkelmetallhydrid kan komme opp i litt over 100. Alle må se seg slått av litium-ionebatteriet som ligger på rundt 200 i dag og som mange tror kommer opp i det dobbelte i løpet an noen år.
Forskere ved Stanford University har utviklet teknologi basert på bruk av nanorør av silisium i anoden. De påstår de kan tidoble energitettheten. Lykkes de bare med halvparten vil det si at det vil bli mulig å lagre en kWh per kilo. Hvis vi sammenlikner med hydrokarboner som har en energitetthet på rundt 10 kWh per kilo, så kan elbilen fort komme på samme banehalvdel.
Hvis vi i tillegg ser hvor mye bedre virkningsgrad en elbil har så har bensintanken fått en alvorlig utfordrer.
Virkningsgrad
Hvis batteriet skal spille en viktig rolle i fremtidens kjøretøyer, er virkningsgraden svært viktig. Det er avgjørende at mest mulig av den elektriske energien som lagres blir til mekanisk energi. Virkningsgraden i den elektriske motoren og transmisjonen kan være mellom 80 og 90 prosent, tre til fire ganger høyere enn med forbrenningsmotor. Men i et batterikjøretøy spiller også batteriets virkningsgrad inn. Her spiller elementer som hvor raskt strømmen tappes, indre motstand og selvutladning av batterier over tid inn.
I tillegg vil selve ladekretsen også ha en virkningsgrad hvor en del energi unnslipper som varme. I verste fall kan den være ganske dårlig og bringe lade/lagre-delen med til under 50 prosent virkningsgrad.
Et blybatteri har en virkningsgrad på mellom 75 og 85 prosent, mens et litium-ionebatteri kan ha godt over 90 prosent.
