Kemisk energilagring En översikt av dagens och framtidens batterier 

Eleonora Borén, Niclas Ledin, Robert Lindgren Institutionen för tillämpad fysik och elektronik 

Umeå universitet  

INLEDNING 

Detta arbete syftar till att skapa en bred översikt över ämnet kemisk energilagring som på ett enkelt, men informativt sätt redogör för ämnet ur energilagringssynpunkt. Detta skall presenteras i en separat resultatdel, där man enkelt skall kunna plocka denna bit ur denna rapport för att kunna, tillsammans med flertalet andra rapporter, kunna sammansätta ett kompendium som täcker hela ämnesområdet energilagringsteknik.

METOD 

Genomförandet av detta arbete har skett genom en bred litteraturstudie över både vetenskapliga artiklar och texter på internet samt i bokform. Resultatet sammansattes i en fristående del, ämnad för att vara en del av ett större kompendium.

RESULTAT 

Resultatet är form av ett kompendie över kemisk energilagring med en inledande bredd översikt samt en fördjupning av batterier (Bilaga A). 

DISKUSSION 

Kemisk energilagring är ett stort område och svårt att ge en översiktig bild av. Detta kompendie har syftat till att ge en ämnesbredd samtidigt som det finns en fördjupning av ett antal batterityper. Det finns mycket kvar att nedteckna inom detta område och det det röns ständigt nya framgångar inom forskningen inom batterisidan. . Att rekommendera inför framtiden är att avgränsa sig betydligt strikare inom ett. Därför kan detta kompendie ses som en grund inför fortsatta fördjupning inom området. 

  

Kemisk energilagring En översikt av dagens och framtidens batterier

Eleonora Borén, Niclas Ledin, Robert Lindgren Institutionen för tillämpad fysik och elektronik

Umeå universitet

3/23/2011

Nykelord|Elektrokemi, Bly-

syra-, Ni-Cd-, Ni-Zn-, Ni-Fe-,

Li-jon-, alkaliska batterier,

energilagring

Sammanfattning|Fältet för kemisk energilagring har fått ett kraftigt uppsving i och med lagringsbehovet av vind- och solkraft mellan produktion och konsument. Här ges en översiktlig över kemisk energilagrings med fokus på bly-syra, Ni-baserade, Li-jon samt alkaliska batterier. Forskningen inom batterier är intensiv och många miljövänliga och långsiktigt hållbara alternativ är under utveckling.

FÖRORD

Detta kompendie sammanställt som ett projekt inom kursen Energilagringsteknik, 7.5hp,

under våren 2011.

INLEDNING

HISTORIA

Den första kända elektrokemiska energilagringen gjordes av Otto Von Guirike år

1663 där han använde sig av en stor glassfär fylld med svavel. Glassfären laddades

upp genom friktion. När sfären var fullladdad användes den till elektriska experiment

(Winter, 2004). I mitten på 1700-talet upptäckte fransmannen Charles François de

Cisternay du Fay att det fanns två typer av laddningar som han kallade vitreous,

positiv, elektricitet och resinous, negativ, vilket kallades ”Two-fluid theory of

electricity” (Hellborg.R, 2005).

Luigi Galvani introducerade elektrokemin till världen där han länkade ihop kemiska

reaktioner med elektricitet. Galvani kom fram till att kroppen fungerar med elektriska

impulser. Under 1800-talet satte forskningen fart under det elektrokemiska området

(Weinberg, 2003).

BAKGRUND

Kemisk energilagring är ett brett fält med flera olika lagringssystem, gemensamt för

alla är att man lagrar energi genom att genomföra olika reversibla kemiska processer.

Den tillförda energin kan sedan tas ut genom att låta dessa reaktioner gå tillbaka och

avge energi. Med alla processer finns en viss mängd omvandlingsförluster och olika

fysiska krav på material etc. Det är bland annat dessa aspekter som påverkar den

ekonomiska kostnaden och därigenom dess genomförbarhet.

Kemisk energilagring har en fördel i att det är mycket lättare att förvara ämnen i viss

kemisk sammansättning över tid än till exempel ren värmelagring. Detta kombinerat

med den höga reversibiliteten gör att kemisk energilagring är ett lovande alternativ för

energilagring.

Forskningen ligger olika långt fram i de olika kemiska energilagringsteknikerna.

Generellt sätt handlar forskningen om att anpassa processerna efter ett bredare

temperaturintervall, skapa effektiva katalysatorer för att öka verkningsgraden, samt

anpassa dessa efter de kommersiella behoven (Dincer, 2011).

Kemisk energilagring är ett väldigt brett fält inom vilket batterier står för en

betydande del. Dock finns det andra mer eller mindre aktuella områden, däribland

kemisk värmepump och vätgasproduktion vilka introduceras i korthet. Ytterligare djup

riktas på området batterier och dess utveckling.

KEMISK VÄRMEPUMPSLAGRING

Denna lagringsmetod använder man sig av reversibla kemiska processer för att lagra

energi i två olika temperaturnivåer. Metoden har gjort framsteg på senare år

framförallt för den höga nivån av reversibilitet samt höga energitäthet. Fler fördelar är

att man kan skräddarsy de operativa temperaturintervallen med rätt val av reaktanter.

Att binda energi i kemisk form ger också bra möjligheter till att lagra energi över en

längre tid.

Grunden i denna form av energilagring, ges av en endoterm reaktion (Ekv 1).

A + B ↔ C + värme (1)

Ett exempel är hydrering samt dehydrering av magnesiumoxid, MgO(s)

, och vatten

(Ekv. 2):

MgO(s)

+ H2O(g)

↔ Mg(OH)2(s)

+ värme (2)

Vid energilagring tillför man värme till magnesiumdihydroxiden, Mg(OH)2(s)

, d.v.s.

man driver reaktionen åt vänster. Vid utvinning av värme låter man reaktionen då gå

åt höger (Yukikata.K, 2005).

Vid energilagring via en kemisk värmepump jobbar man med två stycken tankar, en

hög temperatur och med lägre, innehållande reaktanter respektive produkter. I

ovanstående exempel låter man vattenånga kondensera till flytande fas och tar ut

värme från denna reaktion (Fig. 1). På så sätt får man vattnet till en fas med högre

energitäthet och som tar mycket mindre volym.

Det pågår mycket forskning kring detta energilagringssystem, men det finns

fortfarande vissa hinder. Denna teknik ställer höga krav på tankarna och dess

reglerssystem. Dessutom söker man efter effektivare katalysatorer för att förbättra

FIGUR 1 – KEMISK VÄRMEPUMP. BILDEN ÄR MODIFIERAD EFTER (YUKIKATA.K, 2005)

verkningsgraden (Wongsuwan.W, 2001). Däremot finns det flera fördelar som gör det

troligt att man kommer att se en större användning i framtiden. Dessa är bland annat

teknikens höga energitäthet, effektiva långtidsförvaring och breda möjliga

temperaturintervall, vilket skulle kunna bana väg för en möjlighet att överföra termisk

energi via möjligheten att koppla loss ena tanken och transportera denna via tåg etc.

till eventuella konsumenter (Wongsuwan.W, 2001).

BIOKEMISK ENERGILAGRING

Väte är den lättaste kemiska formen att lagra energi i och produceras antingen elektro-

eller termokemiskt för att användas som bränsle. Att producera väte via solenergi

bedöms ekonomiskt oförenligt med dagens teknik, då istället väte produceras via

kemiska tekniker (Dincer, 2011). Väte produceras idag främst från fossila bränslen

eller ångreformering från metan eller naturgaser men även från elektrolys av vatten

(Bertrand, 2008) (Dincer, 2011).

En stor potentiell marknad för att producera miljömässigt såväl som ekonomiskt väte

är genom biologisk vätgasproduktion. Vätgasproduktion från mikrooganismer kan ske

med foto- eller mörkfermentering. Fotofermentering är en ljuskrävande process vilket

involverar fotosyntesen för energi, medan mörk fermentering inte kräver ljus men ett

organiskt substrat som energi. Forskning sker även för att kunna använda en

kombination av dem. De enzymer som finns i mikroorganismer som producerar väte

tillhör Fe-hydrogenase och NiFe-hydrogenaser vilket omvandlar protoner till vätgas

(Ekv. 3) (Hallenbeck.P.C, 2002).

2H+ + 2e

- H2 (3)

En intressant studie på exergiförluster vid biologisk vätgasproduktion visar på en

exergiförlust på 8-15% om återföring av ånga och värme finns (Bertrand, 2008). Att

lagra energi i form av väte är ett forskningsintensivt område, där många potentiella

slutanvändningsområden så som bränsleceller, förbränningsmotorer eller för

transport. Väte har ibland ansetts vara överlägset elektricitet sett till dess lagrings- och

transportegenskaper (Dincer, 2011).

ELEKTROKEMI

Elektrokemi beskriver hur elektroner förflyttar sig mellan olika material så som

metaller och elektrolyter. I ett galvaniskt element sker en spontan elektrokemisk

reaktion där en elektron överförs från ett högre energitillstånd (anod) till ett lägre

(katod). Ju större skillnad i energitillstånd hos de båda materialen desto högre

spänning kan man få ut av en cell. Denna spänning kallas för cellens elektromotoriska

kraft (EMK) och betecknas Ecell (Winter, 2004) . Olika grundämnen genererar olika

potential när de oxideras och reduceras, vilket utnyttjas i batterier (Fig. 2). Värt att

notera är att väte är valt som referensnivå vilket är en satt standard i kemivärlden.

FIGUR 2 - ELEKTRODPOTENTIALEN FÖR OLIKA REAKTIONER. (2 B. , 2006).

I en galvanisk cell med Zink, Zn, och koppar, Cu, som anod- respektive katodelektrod

måste en lösning med Zn2+

joner tillsättas och på katodsidan måste en lösning med

Cu2+

joner tillsättas (Fig. 2, 3). Mellan elektrod och lösning kommer en

potentialdifferens att uppstå, denna skillnad kallas för halvcellens elektrodpotential

och betecknas som Eanod eller Ekatod beroende på om det är en oxidation eller en

reduktion (Presentation av Malm).

FIGUR 3 - SCHEMATISK BILD AV EN GALVANISK CELL. (PRESENTATION AV LINDHOLM-SETHSSON)

Elektrodpotentialen mellan kopparelektroden och Cu2+

lösningen är +0,34V och

mellan zinkelektroden och Zn2+

lösningen -0,76V (Fig 2).

Reaktionen som sker i vardera halvcell i anod och katod är (Ekv 4,5):

Zn2+(aq)

+ 2e- Zn

(s) Eanod = -0,74V (4)

Cu2+(aq)

+ 2e- Cu

(s) Ekatod = 0,34V (5)

Den totala reaktionen som sker i hela cellen blir då (Ekv. 6):

Zn(s)

+ Cu2+(aq)

Cu(s)

+ Zn2+(aq)

(6)

Den elektromotoriska kraften , E, kan beräknas som differensen mellan

elektrodpotentialen hos anoden och katoden ger (Ekv. 7):

Ecell = Eanod-Ekatod = 0,34 - (-0,76) = 1,1V (7)

Detta beskriver hur man teoretiskt kan bestämma spänningen hos en galvanisk cell.

För att få högre spänning kan flera celler seriekopplas med varandra. I verkligheten

kommer den teoretiska polspänningen att minska när en ström börjar flöda mellan

polerna på grund av ett flertal olika begränsande faktorer. De tre största faktorerna

som påverkar strömmen är:

1. Elektrodernas kontaktyta | Desto större yta, desto mer lösning kan reagera med

elektroden.

2. Kinetik, reaktionshastighet | Om lösningen snabbt kan reagera med elektroden

kan fler elektroner transporteras per tidsenhet.

3. Masstransport | När lösningen har reagerat med elektroden kommer den

”isolera” elektroden därför är det viktigt att den förflyttas så att ny lösning kan

komma i kontakt med elektroden, och på så sätt avge elektroner.

Det finns inget teoretiskt sätt att bestämma hur mycket ström som kan erhållas från en

galvanisk cell. Däremot kan man ta fram experimentell data över hur spänningen

påverkas beroende på strömmen och på så sätt erhålla den maximala strömmen som

kan utvinnas från den galvaniska cellen utan att tappa all spänning (Fig 4).

(Presentation av Lindholm-Sethsson).

FIGUR 4 - CELLSPÄNNING HOS EN GALVANISK CELL SOM FUNKTION AV STRÖM. (PRESENTATION AV

LINDHOLM-SETHSSON)

Vid låg ström sker ett spänningsfall på grund av långsam kinetik mellan lösning och

elektrod. Vid högre ström sjunker spänningen successivt, vilket beror på

masstransporten av lösningen till och från elektroden samt långsam kinetik. Vid

mycket hög ström sjunker spänningen drastiskt, på grund av att reaktionsytan hos

elektroderna inte räcker till för att lösningen ska kunna avge och ta upp elektroner

tillräckligt snabbt (Presentation av Lindholm-Sethsson).

Ett batteris prestanda ges som funktion av tiden (Fig. 5). Beroende på last, kommer

spänningsfallets kurva att variera. Vid urladdning är det fördelaktigt att ha en jämn

spänningskurva för att kunna leverera en jämn prestanda.

FIGUR 5 – SPÄNNING SOM FUNKTION AV TIDEN FÖR OLIKA LASTER. (DATABLAD)

Alla batterier bygger på redox-reaktioner där två eller flera halvceller är

sammankopplade, en reducerande och en oxiderande del. När man arbetar med

kemisk energilagring är det viktigt att förstå den grundläggande elektrokemin för

galvaniska celler.

NICKELBASERADE BATTERIER

Nickelbaserade batterier är återuppladdningsbara som utvecklades i början 1900-talet

och återfinns i allt från industrin till hushållet (Shukla. A.K, 2001). Nickelbaserade

batterier finns i flera olika utföranden.

Ni–Fe är ett tåligt batteri med hög livslängd och hållbarhet. Nackdelen är dess låga

energitäthet, självurladdningsförmåga och funktionalitet vid låga temperaturer

(Linden. D, 2001).

Ni–Cd är ett batteri med högt livscykelantal, underhållsfritt och håller en konstant

spänning under hela urladdningsfasen, vilket är åtråvärt (Linden. D, 2001). Ni-Cd

fungerar även vid låga temperaturer (Morrow, 1999)

Ni–Zn är ett batteri med hög energitäthet, ungefär dubbelt mot för Ni-Cd (Linden. D,

2001).

TEORI OCH FUNKTIONSSÄTT

Alla nickel-metall batterier är återuppladdningsbara och alkaliska batterier, där de har

en nickeloxid som anod och en alkalisk lösning som elektrolyt (Shukla. A.K, 2001)

(Linden. D, 2001). Genom att det endast är syre och hydroxidjoner som rör sig mellan

elektroden, vilket i motsats till ett bly-syra batteri inte leder till att elektrolyten

förbrukas under urladdningen och därmed spänningsfall förrän batteriet är urladdat

(Linden. D, 2001).

NI-FE

Vid katoden kommer nickeloxidhydroxid, NiO(OH) att reagera med vatten och bilda

nickeldihydroxid , Ni(OH)2, (Ekv. 8) medan vid anoden kommer järn, Fe, reagera

med hydroxidjonerna som bildas vid katodreaktionen och bilda järndihydroxid,

Fe(OH)2, (Ekv. 9). Elektrolyten består av kaliumhydroxidlösning (KOH) (Shukla.

A.K, 2001).

Katod 2 NiO(OH)(s)

+ 2 H2O↔ 2 Ni(OH)2(s)

+ OH-

(8)

Anod Fe + 2 OH− ↔ Fe(OH)2 + 2 e

− (9)

NI-ZN

Ni-Zn batterier nyttjar en kaliumhydroxidlösning som elektrolyt (Dincer, 2011) För

att öka laddningsmottagningen vid anoden tillsätts litiumhydroxid, LiOH, till

elektrolyten, vilket ökar kapaciteten. Vid katoden sker reaktion (Ekv. 10) med

nickelhydroxid, Ni(OH)2, och vid anoden med zink, Zn, (Ekv 11) (Shukla. A.K,

2001).

Katod 2 NiO(OH)(s)

+ 2 H2O↔ 2 Ni(OH)2(s)

+ OH-

(10)

Anod Zn(s)

+ 4OH-↔ Zn(OH)4

2- + 2e

- (11)

På grund av att zinken omformar sig vid elektroden har dess livscykelantal varit lågt.

Genom att tillsätta olika joner till elektroderna samt reducerat

elektrolytkoncentrationen har zinkmängden som löses ut minskat med följden att

livslängden ökat (Linden. D, 2001). Tillsatser som Ca(OH)2, Co(OH)2, and Zn(OH)2

har alla olika effekter vilket förbättrar batteriet, där Ca+ ökar temperaturintervallet,

Co+ ökar elektrodmaterialanvändningen och Zn

+ leder till förlängd livslängd (Chen.J,

1999).

NI-CD

Vid anoden finns kadmium, Cd, (Ekv. 12), och vid katoden nickeloxidelektrod,

NiO(OH) (Ekv. 13), elektrolyten är en kaliumhydroxidlösning (Morrow, 1999)

(Shukla. A.K, 2001).

Katod 2NiO(OH)(s)

+ 2H2O ↔ 2 Ni(OH)2(s)

+ OH-

(12)

Anod Cd + 2OH-- ↔ Cd(OH)2 + 2e

- (13)

(13)

Genom att använda nickelskum eller – fiber, kan högre energi- och effekttäthet

erhållas (Linden. D, 2001).

SYSTEMBETRAKELSER

Ni-Zn batteriers nackdel är livslängden på 200-300 livscykler medan den är tre gånger

så stor för Ni-Fe (900) och Zn-Cd kan laddas över 1000 gånger (Dincer, 2011) .

Överlag har nickelbatterier hög effekttäthet och livscykelantal (Fig 6).

FIGUR 6 - JÄMFÖRELSE AV OLIKA NI-BATTERIER MOT ANDRA BATTERITYPER. (LINDEN. D, 2001).

APPLIKATIONER OCH INSTALLATIONER

Ni-Cd batterier återfinns i flygplan, som batteri i reservsystem och dieselmotorstart.

Som energilagringsform förekommer de inom solkraft där de är dyra, men har en lång

livslängd (Dincer, 2011).

Enligt Raghunathan finns det fyra huvudsakliga batterityper för energilagring av

solenergi; Ni-Cd, Ni-metallhybrid, Ni-MH, Li-jon samt bly-syra batterier. Ni-MH är

vanlig i el- och hybridbilar. På grund av sin låga energitäthet samt minneseffekt

håller Ni-Cd på att utkonkurreras av främst Ni-MH och Li-jonbatterier (Raghunathan,

2005).

Som lagringsmedium för vindkraft lyfts Ni-Cd fram tillsammans med bly-syra men

även här är de på väg att utkonkurreras av Ni-MH och Li-jon batterier (McDowall,

2006).

MILJÖ OCH HÅLLBARHET

Nickelbatterier är inte särskilt miljövänlig och främst det toxiska kadmiumbatteriet är

på väg att fasas ut. Nackdelen med Ni-Fe är att den kan utveckla vätgas från sin

elektrolyt (Dincer, 2011) (Morrow, 1999). Ni-Cd kan i sin tur lätt överhettas. Både Ni

och Cd är dyra och snart ändliga resurser. (Dincer, 2011), (Morrow, 1999).

Återvinning av batterier är viktigt för att kunna användas som energilagringsmedium

framgent och för att skapa en sluten cirkel av materialkonsumtion bland förnyelsebara

energikällor. Europas batterimarknad består av 8% av sekundärcell-batterier.

Möjligheterna att kunna återvinna har gjort att intresset för Ni-MH har växt stadigt

som en ersättare för den toxiska Ni-Cd (Bernardes. A.M, 2004).

FRAMTIDA TRENDER OCH POTENTIAL

Ni-MH batterier är under konstant utveckling, då det har flera fördelar gentemot Ni-

Cd kapacitetsmässigt såväl som miljömässigt (Shukla. A.K, 2001). Batteriet håller

snabbt på att vinna mark inom energilagringsområden för förnyelsebar energi inom

solenergi och vindkraft (McDowall, 2006) (Raghunathan, 2005).

BLY-SYRA BATTERIER

Bly-syra är det vanligaste batteritypen idag och används huvudsakligen som bilbatteri.

Det anses vara det mest ekonomiskt fördelaktiga batteriet som finns på marknaden

sett till dess livscykellängd (Dincer, 2011).

TEORI OCH FUNKTIONSSÄTT

I bly-syra batterier är elektroderna uppbyggda av en katod av blydioxid, PbO2,

respektive en anod av bly (Fig. 7). Elektrolyten av svavelsyra, H2SO4, reagerar med

blyelektroden vilket bildar blysulfat på elektroderna (Ekv. 14) (Dincer, 2011).

PbO2 + Pb + 2H2SO4 → 2PbSO2 + 2H2O (14)

FIGUR 7 - SCHEMATISK BILD AV CELL I BLY-SYRA BATTERI. (OXFORD CHEMISTRY).

SYSTEMBETRAKTELSER

Batteriet består av flera sammankopplade celler om vardera 2V och återfinns i 6, 8

och 12V (Fogiel.M, 2002, Dincer, 2011). Den specifika energin (Wh/kg) i ett batteri

är ett mått på energilagringskapaciteten per vikt, vilket är högst för 6V, men på

bekostnad av dess prestanda (Dincer, 2011).

APPLIKATIONER OCH INSTALLATIONER

Ett användningsområde för bly-syra batterier med vätskefyllda celler är för lagring av

solenergi. Traditionella bly-syra batterier i t.ex. bilar är inte konstruerade att genomgå

djupa urladdningscyklar, något som krävs för laddning av energi från sol- eller

vindkraft (Dincer, 2011).

Vid lagring av energi från solceller används bly-syra eller Ni-Cd batterier. Då dessa

system behöver ha djupa laddningscykler, utgör det en begränsande faktor för

batteriernas hållbarhet vilket utgör en stor kostnad för hela systemet. Beroende på hur

batteriet urladdas kommer olika faktorer att begränsa livslängden, där upprepande

djup urladdning begränsas av antalet möjliga livscykler, lågfrekvent djup urladdning

begränsas av korrosionsproblem samt om ingen djup urladdning förekommer är

begränsningen deras livslängd vid fulladdat tillstånd (Celik, 2008).

I Kina pågår två stora regeringsinitierade solcell- och vindkraftprojekt, där

huvudsakliga energilagringen ska ske i form av bly-syrabatterier. I Kina producerades

under 2005 706,5 miljoner bly-syra batterier, där 5 % var avsedda för energilagrings

från sol och vindkraft. År 2006 utgjorde Kina 10 % av världens samlade

solcellsproduktionen och med högsta effekt. Även på vindkraftområdet står Kina

högt, 2007 rankades de som den femte största vindkraftproducenten i världen

(Changa.Y, 2009).

FIGUR 8 - KINAS ANDEL AV BLY-SYRA BATTERIER FÖR ENERGILAGRINGSTEKNIK VAR 5% 2007.

(CHANGA.Y, 2009).

FRAMTIDA TRENDER OCH POTENTIAL

Ett annat bly-syrabatteri under utveckling använder en teknik där elektroderna vävs in

i blyklätt fiberglas. Denna patenterade teknik av Electrosource, ger bättre specifik

energi, densitet och kraft och förlänger antalet livscykler samtidigt som

laddningstiden minskar (Dincer, 2011).

Många batterier består av en legering med antimon i elektrolyterna för att erhålla

tillräcklig formbarhet (Fogiel.M, 2002). Men antimonegenskaper leder även till

spontanurladdning av batteriet och minskad kapacitet från katoden, medan om man

minskar dess förekomst leder det till minskad kapacitet vid anoden. Försök att ersätta

metallen med andra grundämnen har gjorts med nya problemställningar som resultat.

Genom att tillsätta reagens till elektrolyten har framgång rönts med minskad

korrosion som resultat. Genom att tillsätta en saltlösning i elektrolyten leder detta till

en ökad väte och syre utveckling. Dessutom leder det till mindre kristallstrukturer av

PbSO4 på elektroderna samt en ökad reversibilitet av PbSO4 till PbO2 (Rezaei.B,

2011).

Livslängden av ett bly-syrabatteri är alltför kort för att kunna användas inom tekniken

framgent, på grund av korrosion på elektroderna. För att undkomma detta fenomen

har ett Na-S batteri med flytande elektroder utvecklats, vilket visserligen förlänger

antalet livscykler men på bekostnad av andra positiva egenskaper. Batteriet är dyrt

och kräver höga temperaturer (300-350°C) (Dincer, 2011).

Bly-syra batterier är använda inom energilagringsteknik inom solenergi och vindkraft

men håller snabbt på att konkurreras ut av andra modeller.

ALKALISKA BATTERIER

Det alkaliska batteriet är det absolut vanligaste batteriet på den kommersiella

marknaden för mindre krävande elektriska apparater (Fig. 9). Batteriets elektroder

består av mangan och zink, och dess namngivande alkaliska elektrolyt består vanligen

av kaliumhydroxid.

Det alkaliska mangandioxidbatteriet introducerades till marknaden under tidigt 1960-

tal och håller även nu en stark position på marknaden. Teoretiskt sett har batteriet

högre kapacitet än både Leclanché och zink-kolceller av liknande storlek.

Anledningen till detta är främst på grund av den högre renheten och aktiviteten hos

mangandioxiden, samt den täta katoden tillsammans med elektrolyten. Ett alkaliskt

batteri håller initialt 1.5 V och fungerar upp till 55 °C. Det alkaliska batteriet har gått

igenom mycket utveckling under åren och har effektiviserats så pass att dagens

batterier är 60 % mer kraftfulla idag än på 60-talet (Batteriföreningen). Det har utöver

detta framtagits flera olika former och modeller som de vanligaste cylindriska till

knappbatterier. Dessutom har man lyckats kringgå behovet av det tidigare använda

kvicksilvret. Detta har lett till att de alkaliska batterierna innehåller relativt säkra och

ofarliga ämnen (House of Batteries).

FIGUR 9 – TYPISKA ALKALISKA BATTERIER, (9. B)

TEORI

Det alkaliska batteriet innehåller elektrolytiskt tillverkad mangandioxid och en

alkalisklösning som elektrolyt, typiskt kaliumhydroxid, likväl som zinkpulver (Fig

10). Elektrolytisk mangandioxid är både mer ren och mer reaktiv än typisk

mangandioxid. Elektrolyten är kaustisk och minskar bildningen av vätgas

(Batteriföreningen).

Katoden består av mangandioxid och kol, med eller utan tillsatt vatten eller en

elektrolytisk lösning, vilket skapar oxidationen. Kol tillsätts i katoden för att öka den

elektriska ledningsförmågan. Anoden innehåller zinkpulver, vilket man lätt kan få

väldigt ren, samt ämnen tillsatta för att få en gel-liknandekonsistens, vilket ökar

ledningsförmågan. Genom att oxidera zink i pulverformen, vilket har en stor yta per

massa förhållande erhålls nära 100 % oxidation vid total urladdning.

(Batteriföreningen).

FÖRDELAR MED ALKALISKA BATTERIER

+ Batteriet har ungefär fyra gånger större kapacitet än uppladdningsbara Ni-Cd-

eller Ni-MHbatterier av motsvarande storlek.

+ Det har fyra till nio gånger så lång livslängd än motsvarande Leclanché-cell.

+ Kapaciteten är nära konstant över en vid bredd av urladdningsströmmar.

+ Passar även för applikationer med hög urladdningsström.

+ Låg självurladdning.

+ Relativt bra prestanda i låga temperaturer.

+ Har den största bredden av format av alla batterier, inklusive AAA, AA, C, D.

+ Passar till ett stort utbud av kommersiella applikationer.

+ Innehåller inga giftiga ämnen (MPowerUk).

NACKDELAR MED ALKALISKA BATTERIER

- Högre kostnad än motsvarande zink-kol- eller Leclanché-celler.

- Vanligtvis inte laddningsbara.

- 25% tyngre än Leclanché-celler.

- Uppladdningsbara alkaliska batterier klarar relativt få uppladdningscykler och

finns bara i AA- och AAA-format (MPowerUk).

FIGUR 10 – SCHEMATISK BILD ÖVER ETT ALKALISKT BATTERI, (BATTERIFÖRENINGEN)

LITIUM-JON BATTERIER

Ni-Cdbatterier har länge varit den enda lämpliga batteritypen för bärbar krävande

utrustning såsom mobiltelefoner och bärbara datorer. På senare tid har däremot

litium-jonbatterier, Li-jon, vuxit sig allt bättre och är numera det snabbast växande

batteriet på den kommersiella marknaden.

Energitätheten i ett Li-jon är ungefär dubbelt så stor som ett standardbatteri av typen ,

Ni-Cd, och det finns potential för högre nivåer. Urladdningsegenskaperna hos ett Li-

jonbatteri är väldigt likt det i ett Ni-Cd. Li-jonbatterier har också en hög

spänningsnivå per cell och kan med en 3.6 volts cell driva en mobiltelefon, där ett

nickelbatteri skulle kräva tre seriekopplade 1.2 volts celler. Detta innebär alltså att

man kan göra batterierna mindre, något som är väldigt viktigt på den kommersiella

marknaden där storleken är av stor vikt, t.ex. i mobiltelefoner (HowStuffWorks).

Li-jonbatterier kräver lite underhåll och batteritypen har ingen minneseffekt,

laddningskapaciteten inte minskar efter upprepad urladdning. Andra fördelar är att

självurladdningen är ungefär hälften den i nickelbatterier, samt att de inte innehåller

särskilt farliga ämnen (Battery University).

TEORI

Katoden består av en litium-metalloxid och anoden består av kol. Separatorn består av

en mikroperforerad plastfilm som tillåter Li-joner att passera. Vid urladdning sker en

oxidation vid anoden, varvid en reduktion sker vid katoden (Fig 11). Detta medför att

en elektrisk ström uppstår emellan (Battery University).

FIGUR 31 – SCHEMATISK BILD ÖVER LI-JONBATTERÍET, (BATTERY UNIVERSITY)

Egenskaperna för att uppnå en hög kapacitet och kraftutbyte i batterier ligger främst

valet av katodmaterial. De senaste tio åren har Li-jonbatterierna karaktäriserats och

kategoriserats efter just sin katod (HowStuffWorks), vilket gett ett mått på de

specifika egenskaperna. En del vanliga material i katoderna är:

Litiumkoboltoxid - LiCoO2

Litiummanganoxid – LiMn2O4

Litiumjärnfosfat – LiFePO4

Blandning av Litium nickel mangan koboltoxid (NMC)

Blandning av Litium nickel kobolt aluminiumoxid (NCA)

Av dessa är LiCoO2 och NMC av intresse att studera närmare då de är vanligt

förekommande.

LITIUMKOBOLTOXID - LICOO2

LiCoO2 är det vanligaste kommersiella batteriet. Batteriets höga specifika energi

tillhandahåller tillräcklig driftstid för mobiltelefoner, bärbara datorer och kameror.

Battericellen består av en katod av koboltoxid och en anod av grafitkol. Katodens

struktur består av lager av koboltoxid (Fig 12).

FIGUR 12 – STRUKTUR LICOO2, (BATTERY UNIVERSITY)

Nackdelar med LiCoO2 är dess relativt korta livslängd och begränsade

laddningsegenskaper (Fig. 13). Det krävs också strikt kontrollerad

laddning/urladdning då högre laddnings/urladdningsström kan överhetta battericellen

eller på andra sätt degenerera katoden. Detta medför vissa begränsningar på batteriet

och ställer vissa krav på systemet kring batteriet (Battery University).

LITIUM NICKEL MANGAN KOBOLT OXID (NMC)

I denna batterityp består katoden av en blandning av nickel, mangan och kobolt,

förkortat, NMC. I likhet med en mangankatod kan NMC skräddarsys för att antingen

erhålla en hög specifik energi eller en hög specifik effekt, men inte båda samtidigt

(Fig. 14). Detta erhålls genom blandningen av nickel och mangan då man får ut de det

bästa egenskaperna av de båda ämnena vad gäller specifik energi och låg inre

resistans betraktat.

Katoden består av cirka en tredjedel nickel, mangan resp. kobolt, balansen däremellan

är viktigt men exakta komposition är välskyddad av tillverkarna. Resultatet är dock

detsamma, med NMC får man prestanda, livslängd och kostnad väl lämpad för

motordrivna verktyg och fordons drivlinor. NMC konkurrenskraft kommer just från

att den kan anpassas efter systemet och har högre säkerhet och prestanda än t.ex.

LiCoO2 batterier (Battery University).

FIGUR 14 – PRESTANDA NMC. BATTERIET HAR HÖG SPECIFIK ENERGI OCH BRA ÖVRIGA

EGENSKAPER (BATTERY UNIVERSITY)

FIGUR 13 – PRESTANDA LICOO2. BATTERIET HAR EN HÖG SPECIFIK ENERGI PÅ

BEKOSTNAD AV DESS LIVSLÄNGD OCH SÄKERHET. (BATTERY UNIVERSITY)

FORSKNING OCH UTVECKLING

I takt med att fossila bränslen minskar ökar kraftansträngningen för att utveckla

förnyelsebara energikällor så som sol- och vindkraft. Energiproduktionen är dock

fluktuerande och står inte i direkt proportion till konsumtion, således behövs ett

energilagringsmedium (McDowall, 2006). Solkraft från solceller, är på frammarsch

och skulle kunna stå för upp till 1500 TW årligen (Lewis), vilket kan jämföras med ett

predikterat energibehov behov på 20 TW år 2030 (International Energy Outlook

2009, 2009).

Det forskas intensivt för att förbättra egenskaper på redan existerande batterityper och

vidareutveckla dess till miljövänliga och högpresterande energilagringsmedium. Dock

pågår även forskning på helt nya batterityper, som är organiskt baserade.

METALLBASERADE BATTERIER

Flera alternativ till lagringsmedium finns, bly/syra, Ni-cd och Ni-MH och Li-jon där

Li-jon och Ni-MH lyfts fram som framtidskandidat inom solenergi och vindenergi.

Li-batterier har en hög energitäthet men en låg effekttäthet, något som kommer

behöva utvecklas mer främst dess förmåga att klara djupurladdning (Divya.C.K,

2009). Det är svårt att hitta en elektrolyt som fungerar stabilt med en Li-anod.

(Moganty.S.S, 2010)) (Orilall.C.M, 2011).

En del nya batterityper som flödande vanadium redoxbatterier kommer utgöra en

konkurrent till främst bly-syra batterierna. Flödande batterier har lång lagringstid och

självurladdande men är dyra i drift (Divya.C.K, 2009). Batterier som är under

utveckling är främst hög temperatursbatteriet Li-Fe sulfid, men livslängden är ännu

låg. Även det billiga hög effekttäta Li-polymer batterier har rönt intresse (Morrow,

1999).

ORGANISKT BASERADE BATTERIER

Bio-elektrokemiska batterier utgör ett intensivt forskningsområde med mycket

potential. Däribland utgör mikrobiella bränsleceller ett stort område, mikroorganismer

omvandlar kemisk- till elektriskenergi.

Algbaserade batterier, är under utveckling vid Uppsala universitet. Där används

istället cellulosamaterial tillverkat av grönalgen Cladphora som dopats i kloridjoner

(Mihranyan, 2011). Genom att täcka cellulosan med ett tunt polypyrrolelager, 50 nm,

erhålls ett material vilket kan användas för elektrokemiskt jonbyte, ett slags

lågviktsbatteri (Mihranyan.A, 2008).

Mikrobiella bränsleceller

(Microbial Fuel Cells, MFC,) är ett annat forskningsområde under utveckling, där

elektrisk energi skapas av mikroorganismer från kemisk energi. Det finns mycket

potentiell energi att utvinna ur växter, så som biobränslen men detta väcker en känslig

fråga om utnyttjande av markareal för bränsle kontra grödor. Ett område som inte

berörs av konkurrensfrågan är växt mikrobiella bränsleceller. Växter släpper

rhizodeposits, organiska ämnen via rötterna så som kolhydrater, socker, etylen och

koldioxid. Bakteria kan interagera med växternas rötter vilket generar en positiv

effekt för båda två. Bakterian kan då tillgodogöra sig rhizodepositerna som substrat

och utsöndrar elektroner vilket i bränslecellen kan vandra till anoden (Fig. 15). På

grund av en potentialskillnaden vandrar elektronerna till katoden genom lasten och

fungerar då som ett batteri. Systemet är väldigt lågeffektivt, med en beräknad effekt

på 5800 kWh/ ha∙år. Systemet skulle kunna användas i stora våtmarksanläggningar i

framtiden (Strik. D. P. B. T. B, 2008).

FIGUR 45 – VÄXT-MIKROBIELL BRÄNSLECELL, (STRIK. D. P. B. T. B, 2008).

MIKROBIELLA ELEKTROLYSCELLER

Mikrobiell elektrolysceller fungerar som en omvänd mikrobiell bränslecell där

elektricitet tillförs bakterian och väte bildas. I anoddelen förbrukar

mikroorganismerna det organiska substratet och utsöndrar protoner och koldioxid till

lösningen och elektroner till anoden. Protonerna vandrar genom ett katjonmembran

och genom att tillsätta en spänning kommer protoner att reduceras till vätgas (Fig. 16)

(Logan, o.a., 2006). Processutbytet av väte är nästan helt utan förluster och mycket

mer effektivt än väteproduktion av vattenelektrolys (Logan, o.a., 2008).

FIGUR 16 – SCHEMATISK BILD ÖVER MIKROBIELL CELL, (DAILYTECH)

Sammanfattningsvis finns det stora upptäckter kvar att göra inom det kemiska

energilagringsområdet där trenden går mot miljövänligare, hållbara

energilagingsmedium.

SAMMANFATTNING

Som energilagring betraktat så passar batterier av olika typer bäst för småskalig

lagring av energi samt för kompakt portabel lagring till konsumentmarknaden.

Batterier tjänar inte nämnvärt på en uppskalning av cellen som en ackumulatortank

gör, där materialkostnaden per lagrad energienhet blir mindre (Battery University).

Detta kombinerat med höga materialkostnader och kort livslängd och till viss del

begränsad uppladdningsbarhet gör att batterier inte betalar av sig som större system

(Dincer, 2011).

Där kemisk/elektrisk energilagring kommer till fördel är främst vid lagring där man

vill förflytta lagret eller vill ha ett kompakt lager av elektrisk energi som snabbt kan

startas och stoppas för att möta relativt låga plötsliga behov.

Utveckling sker konstant för att utveckla batterier med mer återvinningsbara, säkra

och miljövänliga material. Dessutom är ökat antal uppladdningscykler åtråvärt då det

minskar materialbehovet nämnvärt samt ger flera andra fördelar inom

energilagringssystem. I nuläget finns det inga optimala sätt att återutvinna materialen

i batterierna (Bernardes. A.M, 2004).

Det finns mycket utvecklingsmöjligheter inom batteriområdet och utveckling har gått

framåt. Däremot får batterierna i stor mån betraktas som ett förbrukningsbart system

tills vidare.

REFERENSER

2, B. (2006).

http://www.google.se/imgres?imgurl=http://www.chem.fsu.edu/chemlab/chm1050lmanual

/redox/Srptable.jpg&imgrefurl=http://www.chem.fsu.edu/chemlab/chm1050lmanual/redox/

index.html&usg=__Gvl1-

QWgzGuOm10jCVR0OJsR7Xs=&h=1200&w=1467&sz=227&hl=sv&start=0&sig2=BfcTc.

Hämtat den 23 03 2011

9. B. (u.d.). Hämtat från http://en.wikipedia.org/wiki/Alkaline_battery

Batteriföreningen. (u.d.). Hämtat från http://www.batteriforeningen.a.se/Alkalinebatterier.htm

Battery University. (u.d.). Hämtat från

http://batteryuniversity.com/learn/article/will_the_reusable_alkaline_battery_have_a_futur

e

Battery University. (u.d.). Hämtat från

http://batteryuniversity.com/learn/article/explaining_lithium_ion_chemistries

Bernardes. A.M, E. D. (2004). Recycling of batteries: a review of current processes and technologies.

Journal of Power Sources , 130:291–298.

Bertrand, B. (2008). 18th European Symposium on Computer Aided Process Engineering. Elservier B.V.

Celik, A. N. (2008). Optimal Sizing and Life Cycle Assessment of Residential Photovoltaic Energy

Systems With Battery Storage. PROGRESS IN PHOTOVOLTAICS: RESEARCH AND

APPLICATIONS, 16:69–85.

Changa.Y, M. Z. (2009). Lead-acid battery use in the development of renewable energy systems in

China. Journal of Power Sources, 191:176–183.

Chen.J, B. D. (1999). Nickel Hydroxide as an Active Material for the Positive Electrode in Rechargeable

Alkaline Batteries. http://ro.uow.edu.au/engpapers/119.

Corke.P, V. S. (2007). Long-Duration Solar-powered Wireless Sensor Networks. Proceeding EmNets '07

Proceedings of the 4th workshop on Embedded networked sensors ACM .

Dailytech. (u.d.). Hämtat från http://images.dailytech.com/nimage/6590_large_biohydrogen_h.jpg

Datablad. (u.d.). Hämtat från http://www.kjell.com/filarkiv/SUPPORTPDF/41-50/42/42143/42143.pdf

. den 22 03 2011

Dincer, I. R. (2011). Thermal energy Storage Systems and applications. Canada: Wiley.

Divya.C.K, Ø. (2009). Battery energy storage technology for power systems—An overview. Electric

Power Systems Research , 79:511–520.

Fogiel.M. (2002). Basic electricity. Research & Education Association,Staff of Research Education

Association,U S Naval Personnel.

Hallenbeck.P.C, B. (2002). Biological hydrogen production; fundamentals and limiting processes.

International Journal of Hydrogen Energy, 27:11-12.

Hellborg.R. (2005). Electrostatic accelerators: fundamentals and applications. Springer-verlag.

House of Batteries. (u.d.). Hämtat från http://www.houseofbatteries.com/battery-solutions-alkaline-

battery-packs-assemblies-c-1_12-l-en.html

HowStuffWorks. (u.d.). Hämtat från http://electronics.howstuffworks.com/lithium-ion-battery1.htm

International Energy Outlook 2009. (2009). Energy Information Administration. Washingston, DC,

USA: Department of Energy.

Lewis, N. (u.d.). California Institute of Technology. (D. o. Engineering, Producent) Hämtat från

http://nsl.caltech.edu/ files/energy6.pdf

Linden. D, R. T. (2001). Handbook of batteries 3:d ed. McGraw-HIll.

Logan, B. E., Aelterman, P., Hamelers, B., Rozendal, R., Schro¨der, U., Keller, J., o.a. (2006). Microbial

fuel cells: methodology and technology. Environ. Sci. Technol., 40, 5181–5192.

Logan, B. E., Call, D., Cheng, S., Hamelers, H. V., Sleutels, T. H., Jeremiasse, A. W., o.a. (2008).

Microbial Electrolysis Cells for High Yield Hydrogen Gas Production from Organic Matter.

Environ. Sci. Technol., 42: 8630-8640.

McDowall, J. (2006). Integrating energy storage with wind power in weak electricity grids. Journal of

Power Sources , 162:959–964.

Mihranyan, A. (2011). Cellulose from Cladophorales Green Algae: From Environmental Problem to

High-Tech Composite Materials. Journal ofAppliedPolymer Science, 119:2449–2460 .

Mihranyan.A, N. L. (2008). A Novel High Specific Surface Area Conducting Paper Material Composed

of Polypyrrole and Cladophora Cellulose. J. Phys. Chem. B 2008, , 112:12249–12255.

Miyake.J, I. R. (u.d.). Biohydrogen III: renewable energy system by biological solar energy conversion

(Vol. 2004). London: Elsevier Ltd.

Moganty.S.S, J. N. (2010). Ionic-Liquid-Tethered Nanoparticles: Hybrid Electrolytes. Angew. Chem. Int.

Ed, 49:9158 –9161.

Morrow, R. (1999). Wireless network exixtence (Vol. 2). McGrw-Hill.

MPowerUk. (u.d.). Hämtat från http://www.mpoweruk.com/alkaline.htm

Orilall.C.M, W. (2011). Block copolymer based composition and morphology control in nanostructured

hybrid materials for energy conversion and storage: solar cells, batteries, and fuel cellsw.

Chem. Soc. Rev, 40: 520–535.

Oxford Chemistry. (u.d.). Hämtat från

http://content.answcdn.com/main/content/img/oxford/Oxford_Chemistry/0192801015.lea

d-acid-accumulator.1.jpg

Presentation av Lindholm-Sethsson, B. (u.d.). (7. Presenation från kursen Batterier och bränsleceller,

Producent) Hämtat från https://www.cambro.umu.se/access/content/group/7635c4f0-

b76b-42af-8573-e9249c3ac4a5/Lecture%20Notes/Batterier-07.pdf.

Presentation av Malm, J. (u.d.). Hämtat från

www.organic.lu.se/education/Ekosystemteknik/inledandekemi/ekoelektro1.ppt. den 22 03

2011

Raghunathan, V. e. (2005). Design Considerations for Solar Energy Harvesting Wireless Embedded

Systems. Proceeding IPSN '05 Proceedings of the 4th international symposium on Information

processing in sensor networks IEEE.

Rezaei.B, H. H. (2011). Influence of acidic ionic liquids as an electrolyte additive on the

electrochemical and corrosion behaviors of lead-acid battery. J Solid State Electrochem,

15:421–430.

Shukla. A.K, V. H. (2001). Nickel-based rechargeable batteries. Journal of Power Sources, 100 :125–

148.

Strik. D. P. B. T. B, H. (. (2008). Green electricity production with living plants and bacteria in a fuel

cell. INTERNATIONAL JOURNAL OF ENERGY RESEARCH, 32:870–876.

Weinberg, S. (2003). The discovery of subatomic particles. The press syndicate of the University of

Cambridge.

Winter, M. B. (2004). What Are Batteries, Fuel Cells, and Supercapacitors? Chem. Rev. , 104:4245-

4269.

Wongsuwan.W, K. N. (2001). A review of chemical heat pump technology and applications. Applied

Thermal Engineering, 21: 1489-1519.

Yukikata.K. (2005). Hämtat från http://www.iea-eces.org/files/kato_chem_heat_pump.pdf