Bilbatteriets funksjon

Hvordan fungerer et bilbatteri, og hvordan er det konstruert?

Den tradisjonelle funksjonen til batteriet i motorrommet er velkjent: Uten batteri kan ikke kjøretøyet startes, og i tillegg til startmotoren krever også tennpluggene, glødepluggene, lysene og elektroniske applikasjoner elektrisk energi. Men hvordan er et batteri konstruert, og hvordan fungerer det?

Bly–syre-batterier: komponenter og struktur

Mange bilførere blir oppmerksomme på bilbatterienes tunge vekt når de kjøper et nytt. Vekt fra ca. 10,5 kg og opp til 30 kg er mulig. Årsaken til dette er blyplatene i battericellene.

Battericellens komponenter og oppbygning

Positiv elektrode:

• Positiv plate: I et bly–syre-batteri består den positivt ladede platen (det aktive materialet) av blyoksid (PbO₂) som er nedsenket i en elektrolytt.
• Positivt rutenett: Det positive gitteret består av en blylegering og brukes til å holde det aktive materialet og som strømsamler.

Negativ elektrode:

• Negativ plate: Den negativt ladede platen (det aktive materialet) består av rent bly (PbO2), som også er nedsenket i en elektrolyttløsning.
• Negativ plate: I likhet med den positive platen består også denne av en blylegering og tjener samme formål.
  

Elektrodene med ulik ladning er adskilt av en separator formet som en pose.

Elektrolyttløsningen er en blanding av svovelsyre (H₂SO₄) og destillert vann. Denne elektrolyttløsningen kan være i flytende form (som i konvensjonelle våtbatterier eller i den forbedrede EFB-teknologien), i gelform eller bundet i en glassmatte (som i AGM-teknologien for nyere start–stopp-applikasjoner).

Flere positive elektroder danner et positivt platesett og flere negative elektroder danner et negativt platesett. Et negativt og et positivt platesett danner til sammen en plateblokk. En plateblokk er en battericelle.

Et vanlig startbatteri består av 6 seriekoblede celler, hver med en nominell spenning på 2 V, noe som gir en spenning på nøyaktig 12,72 V når batteriet er fulladet. Batteriets kapasitet og kaldstartevne er et resultat av antall plater per celle.

Tommelfingerregel: Jo flere plater en celle inneholder, og som dermed danner en større overflate, desto større kaldstarteffekt (CCA) kan batteriet levere. Hvis plassen i cellen brukes til færre, men tykkere plater, øker imidlertid syklusstabiliteten. Det betyr at batteriet er konstruert for en høyere ladekapasitet (kontinuerlig lade- og utladeprosess).

Cellene er plassert i et hylster som er laget av syrefast plast (polypropylen). I et vanlig SLI-batteri er dette lukket med et lokk med et labyrintsystem som hindrer batterivæsken i å slippe ut og skiller væsken fra gassen.

Tidligere batterier hadde skruplugger som gjorde det mulig å etterfylle dem med destillert vann. Moderne batterier er helt vedlikeholdsfrie. Vann trenger ikke, og må ikke, etterfylles. Selv om AGM-batterier fortsatt har “enveisplugger”, må disse ikke åpnes under noen omstendigheter.

Bilbatterifunksjon: Kjemisk energi blir til elektrisk energi

Et bilbatteri lagrer energi i kjemisk form og omdanner den til elektrisk energi. I denne elektrokjemiske prosessen reagerer fire materialer med hverandre:

• Hydrogen (H)
• Okygen (O₂)
• Bly (Pb)
• Svovel (S)

Kobling av en ekstern forbruker starter den kjemiske reaksjonen i batteriet:

• Elektrolytten, en blanding av svovelsyre (H₂SO₄) og destillert vann, spaltes i positivt ladede hydrogenioner (H⁺) og negativt ladede sulfationer (SO₄^2-).
• Samtidig beveger elektroner (2e^–) seg fra den negative til den positive elektroden via den eksterne forbrukeren.
• For å kompensere for denne strømmen av elektroner beveger sulfationer seg fra elektrolytten til den negative elektroden, der de reagerer med blyet (Pb) og danner blysulfat (PbSO₄)
• Det dannes også blysulfat i den positive elektroden: Bindingen av oksygen (O₂) i blyoksidet (PbO₂) brytes ved overføring av elektroner, og oksygenet passerer inn i elektrolytten. Det gjenværende blyet (Pb) bindes til sulfat (SO₄) fra elektrolytten, og oksygenet bindes til hydrogen og danner vann (H₂O). Etter hvert som svovelsyren brukes opp ved dannelse av blysulfat, reduseres konsentrasjonen i elektrolyttløsningen. Når konsentrasjonen av svovelsyre faller under et visst nivå, må batteriet lades opp igjen.
• Under ladingen foregår de kjemiske prosessene i omvendt rekkefølge. Til slutt kan de opprinnelige elementene bli funnet: Den positive elektroden består av blysulfat (PbSO₄), den negative elektroden består av rent bly (Pb), og elektrolytten består av fortynnet svovelsyre (H₂SO₄). Siden denne konverteringsprosessen er forbundet med tap, tåler et batteri bare et begrenset antall ladesykluser. Levetiden er derfor begrenset. 

Problemer med blybatterier: Sulfatering og syresjiktning

Hvis et batteri lades med for lav spenning, eller hvis det alltid drives med for lav spenning (under 80 %), oppstår det syresjiktning, også kalt stratifisering. Syren i elektrolytten stratifiseres på grunn av dårlig blanding. Ulike tettheter fører til lagdeling av svovelsyre på bunnen og vann i det øverste området av batteriet. På grunn av dette kan bare den midtre delen av elektrolytten, dvs. bare en tredjedel, brukes til utladnings- og ladeprosessen.

En mulig årsak til syresjiktning er hovedsakelig korte reiser med samtidig bruk av et stort antall elektriske forbrukere. I dette tilfellet rekker ikke dynamoen å lade opp batteriet.

Et resultat av syresjiktning er sulfatering. Hvis dette skjer i batteriet, eller hvis det ikke lades opp til et tilstrekkelig nivå hele tiden, vil blysulfat (PbSO₄) krystallisere seg på elektrodene og danne større krystallstrukturer over tid. Denne prosessen er kjent som “ sulfatering & rdquo;. Krystalliseringen forhindrer rekonvertering av blysulfat til de opprinnelige komponentene bly eller blyoksid, noe som fører til at batteriet ikke kan ta imot ladning og at kaldstarteffekten reduseres.

Skarpe krystaller kan også skade separatorene eller forårsake kortslutning i cellene.

For å motvirke denne effekten og forhindre for tidlig batterisvikt, bør et batteri aldri utsettes for et lavt ladenivå over en lengre periode. Det anbefales derfor å teste batteriet regelmessig og å lade det helt opp ved behov.

Vil du vite mer om dette emnet? Hvordan lade et batteri på riktig måte

Nye batteriteknologier: AGM og litiumion

Hittil nå har konvensjonelle blybatterier hatt en høy markedsandel. Markedet er imidlertid i rask endring: Innovative batteriteknologier for start-stopp-biler, som AGM , bruker syre som er bundet i en matte for å gi større syklusstabilitet og garantere pålitelig ytelse i kjøretøy med økt energibehov. En ytterligere fordel med AGM: På grunn av den bundne syren er det ikke lenger mulig å legge syrelag.
En ny generasjon bilbatterier for mikrohybridbiler opererer på 48 V og bruker celler med litiumionteknologi.