Elbilen logo Meny

Så funkar litium-jon- batteriet

Batterier

Att vi fått elbilar med räckvidd som snart är i kapp bensinbilarna beror på batteriutvecklingen som började med att ett oljebolag uppfann litium-jon- batteriet. Men hur funkar de? Och vad skiljer de olika batterierna mellan varandra? Häng med på batteriskola.

Batteripacket i en modern elbil består av några hundra till några tusen litiumjonbatterier. Även om den aktiva ingrediensen som gett batterierna dess namn är litium innehåller de faktiskt mest aluminium och koppar. Endast cirka två procent av batteriet utgörs av litium. 

 Principen för litiumjonbatteriet uppfanns 1979 av några forskare som jobbade för oljebolaget Exxon av alla bolag, så det blev inte så mycket mer av det då. Det dröjde till 1991 innan det första kommersiella litiumjonbatteriet lanserades av Sony. Dagens batterier är mångdubbelt så kraftfulla till en bråkdel av priset. 

Battericellen har en positiv och en negativ pol, även kallat katod och anod. Den negativa polen, anoden, består av en tunn kopparfolie bestruken med grafit. Den positiva katoden består av en tunn aluminiumfolie bestruken med komplexa litiumföreningar. Mellan dem finns en isolator, oftast papper, som håller isär dem – polerna får aldrig komma i kontakt med varandra. Isolatorn är indränkt i en så kallad elektrolyt bestående av en litiumsaltlösning. 

När batteriet laddas förflyttas de positiva litiumjonerna från pluspolen, migrerar genom elektrolyten över till minuspolen där de förenar sig med grafitens kolatomer. När batteriet sedan urladdas åker den positiva litiumjonen tillbaka till pluspolen. Samtidigt frigörs det en elektron som lämnar batteriet via de anslutna ledningarna och skapar den elström som elbilens motor behöver. Genom att litiumjonerna vandrar fram och tillbaka mellan battericellens poler får man ett laddbart batteri som kan laddas och urladdas om och om igen. 

Beroende på vilka litiumföreningar som positiva polen bestrukits med brukar man skilja på tre olika batterikemier: 

• NMC, som står för (litium)-nickel-mangan-kobolt-oxid är den mest använda cellkemin i elbilar. 

• LiFePo, som står för litium-järnfosfat är populär i framför allt kinesiska elbilar. I dessa finns ingen kobolt.  

• NCA, som står för (litium)-nickel-kobolt-aluminium-oxid används i Teslas elbilar. 

 Alla dessa kemier har olika för- och nackdelar. LiFePo-batterier anses till exempel vara allmänt säkrare men ger inte samma energidensitet; batterierna kan inte lagra lika mycket laddning. NCA-batterier har högst energidensitet och innehåller mindre kobolt men anses vara mindre stabila än NMC-batterier. 

 Den negativa elektroden består av grafit med inblandning av kisel. Grafiten som används är oftast konstgjord för att få tillräcklig renhet i materialet. Ju mer kisel man blandar in i grafiten, desto mer energi kan batteriet lagra – men desto mer sväller den också vid laddning. 

Så gott som alla elbilar i dag använder flytande elektrolyt: isolatorn mellan elektroderna är ett tunt pappersblad indränkt i litiumsalt upplöst i organiska kolföreningar. Problemet med den konstruktionen är att om battericellen blir upphettad avdunstar elektrolyten och pappret kan fatta eld. Det experimenteras därför med fasta elektrolyter, så kallade solid state-batterier där elektrolyten till exempel är en keram. Fördelen med sådana batterier är högre energitäthet, de tål starkare laddström och är mycket stabilare och säkrare – men de är extremt svåra att tillverka. De flesta tror att de kommer ut på marknaden kring 2025.   

Drönare använder en variant av litiumjonbatterier med en geléaktig polymer-elektrolyt som delar många av solid state-batteriernas fördelar men är enklare att tillverka. De är dock dyrare än konventionella batterier med flytande elektrolyt så de är fortfarande ganska sällsynta. Hyundai Ioniq var bland de första elbilar som använt sig av polymerbatterier.  

Folierna som utgör batteripolerna och isolatorn emellan dem brukar antingen vakuumförseglas till en påscell eller rullas ihop till en cylindrisk battericell. Batteriet i din mobiltelefon består av en platt påscell – laddbara AA-batterier består av samma folier tajt ihoprullade och instoppade i en rund aluminiumcylinder istället.  

Batteripacket i de flesta elbilar innehåller några hundra så kallade prismatiska batterimoduler, en fyrkantig låda ungefär lika stor som en pocketbok innehållande tre eller fler påsceller. Tesla har valt en annan väg, de använder sig i stället av tusentals mindre cylindriska battericeller. Fördelen med det är att aluminiumcylindern kramar om battericellen och ger den mekanisk stadga. Cellerna kan inte utvidga sig lika mycket vid laddning (trots högre kiselhalt i anoderna) och kylvätskan som cirkulerar mellan dem kan bättre leda bort värmen som uppstår vid laddning och urladdning. 

 Tidiga elbilar hade ingen kylning av batterierna, vilket begränsade hur snabbt de kunde laddas. Battericellerna blir varma vid snabbladdning men värmen gör att cellerna åldras snabbare. Därför har de flesta moderna elbilar vattenkylning av batterierna.  

Varje gång battericellerna laddas eller urladdas slits de lite. Det handlar om oerhört små förändringar, men som ändå blir märkbara efter några tusen laddningar. Efter några års användning har batteriet degraderat, det kan inte hålla lika mycket laddning som när det var nytt. Elbilens räckvidd minskar då med några procent. Degraderingen går dock så långsamt att moderna elbilars batterier förväntas hålla bilens hela livslängd ut. 

Det som mest sliter på ett batteri är när det är helt fulladdat eller helt urladdat. Därför brukar elbilar ”fuska”: de använder inte all tillgänglig batterikapacitet. När bilens dator påstår att batteriet är 100 procent laddat är det i verkliga livet kanske runt 95 procent laddat, bilen skyddar batterierna från att skadas. På samma sätt är batteriet inte alls totalt urladdat när bilens dator visar noll procent. En liten skvätt laddning, cirka fem procent av den totala, behålls i batterierna för att skydda dem från att skadas. Det är dessa säkerh

Tibor Blomhäll

Tibor Blomhäll

PUBLICERAD: 2020-06-18