Funktion för bilbatteri

Hur fungerar ett bilbatteri och hur är det uppbyggt?

Batteriets traditionella funktion i motorrummet är välkänd: Utan batteriet kan fordonet inte startas. Förutom startmotorn kräver tändstift, glödstift, lampor och elektroniska applikationer elektrisk energi. Men hur är ett batteri uppbyggt och hur fungerar det?

Blybatterier: Komponenter och struktur

Många bilförare blir medvetna om bilbatteriernas höga vikt när de köper ett nytt batteri. Vikter från ca 10,5 kg upp till 30 kg är möjliga. Orsaken till detta är blyplattorna i battericellerna.

Komponenter och uppbyggnad av en battericell

Positiv elektrod:

• Positiv platta: I ett blybatteri består den positivt laddade plattan (det aktiva materialet) av blyoxid (PbO₂) som är nedsänkt i en elektrolyt.
• Positivt galler: Det positiva gallret består av en blylegering och används för att hålla det aktiva materialet och som strömavtagare.

Negativ elektrod:

• Negativ platta: Den negativt laddade plattan (det aktiva materialet) består av rent bly (Pb), som också är nedsänkt i en elektrolyt.
• Negativ platta: Liksom den positiva plattan består även denna av en blylegering och har samma funktion.
  

Elektroderna med olika laddning separeras av en separatorpåse.

Elektrolyten är en blandning av svavelsyra (H₂SO₄) och destillerat vatten. Elektrolyten kan vara i flytande form (som i konventionella våtbatterier eller i den förbättrade EFB-tekniken), i gelform eller bunden i en glasmatta (som i AGM-tekniken för nyare start-stopp-applikationer).

Flera positiva elektroder bildar en positiv plattuppsättning och flera negativa elektroder bildar en negativ plattuppsättning. Tillsammans bildar en negativ och en positiv plattuppsättning ett plattblock. Ett plattblock är en battericell.

Ett vanligt startbatteri består av 6 seriekopplade celler, var och en med en nominell spänning på 2 V, vilket ger en spänning på exakt 12,72 V när batteriet är fulladdat. Batteriets kapacitet och kallstarteffekt beror på antalet plattor per cell.

Tumregel: Ju fler plattor en cell innehåller, och som därför bildar en större yta, desto större kallstarteffekt (CCA) kan batteriet leverera. Men om utrymmet i cellen används för färre, men tjockare plattor, ökar cykelstabiliteten. Detta innebär att batteriet är konstruerat för en högre laddningshastighet (kontinuerlig laddnings- och urladdningsprocess).

Cellerna är inneslutna i ett hölje som är tillverkat av syrafast plast (polypropylen). I ett vanligt SLI-batteri stängs detta med ett lock med ett labyrintsystem som hindrar batterivätskan från att läcka ut och separerar vätskan från gasen.

Tidiga batterier hade skruvpluggar som gjorde att de kunde fyllas på med destillerat vatten. Moderna batterier är helt underhållsfria. Vatten behöver inte fyllas på och får inte fyllas på. Även om AGM-batterier fortfarande har "envägskontakter" får dessa inte öppnas under några omständigheter.

Bilbatteriets funktion: Kemisk energi blir elektrisk energi

Ett bilbatteri lagrar energi i kemisk form och omvandlar den till elektrisk energi. I denna elektrokemiska process reagerar fyra material med varandra:

• Väte (H)
• Syre (O₂)
• Bly (Pb)
• Svavel (S)

Anslutningen av en extern förbrukare startar den kemiska reaktionen i batteriet:

• Elektrolyten, en blandning av svavelsyra (H₂SO₄) och destillerat vatten, sönderdelas till positivt laddade vätejoner (H⁺) och negativt laddade sulfatjoner (SO₄^2-).
• Samtidigt rör sig elektroner (2e^-) från den negativa till den positiva elektroden via den externa förbrukaren.
• För att kompensera för detta elektronflöde rör sig sulfatjoner från elektrolyten till den negativa elektroden, där de reagerar med bly (Pb) och bildar blysulfat (PbSO₄).
• Blysulfat bildas även i den positiva elektroden: Bindningen av syre (O₂) i blyoxiden (PbO₂) bryts genom överföring av elektroner och syret passerar in i elektrolyten. Det återstående blyet (Pb) binds med sulfatet (SO₄) från elektrolyten.
• Där binds syret med vätet och bildar vatten (H₂O). När svavelsyran förbrukas genom bildning av blysulfat minskar koncentrationen i elektrolytlösningen. När koncentrationen av svavelsyra sjunker under en viss nivå måste batteriet laddas.
• Under laddningen sker de kemiska processerna i omvänd ordning. I slutet kan de ursprungliga elementen hittas: Den positiva elektroden består av blysulfat (PbSO₄), den negativa elektroden består av rent bly (Pb) och elektrolyten består av utspädd svavelsyra (H₂SO₄). Eftersom denna omvandlingsprocess är förknippad med förluster kan ett batteri bara klara ett begränsat antal laddningscykler. Dess livslängd är därför begränsad.

Problem med bly-syra-batterier: Sulfatering och syraskiktning

Om ett batteri laddas med för låg spänning eller om det alltid drivs med för låg spänning (under 80 %) uppstår syraskiktning, även kallad stratifiering. Syran i elektrolyten stratifieras på grund av dålig blandning. Olika densiteter gör att svavelsyran skiktas på botten och vattnet i batteriets övre del. På grund av detta kan endast den mellersta delen av elektrolyten, dvs. endast en tredjedel, användas för urladdnings- och laddningsprocessen.

En möjlig orsak till syraskiktning är främst korta resor med samtidig användning av ett stort antal elektriska förbrukare. I det här fallet hinner inte generatorn ladda batteriet.

En följd av syraskiktning är sulfatering. Om detta inträffar i batteriet, eller om det inte ständigt laddas till en tillräcklig nivå, kristalliseras blysulfatet (PbSO₄) på elektroderna och bildar med tiden större kristallstrukturer. Denna process kallas "sulfatering". Kristalliseringen förhindrar återkonvertering av blysulfat till de ursprungliga komponenterna bly eller blyoxid, vilket leder till att laddningen inte accepteras och att kallstartseffekten minskar.

Skarpa kristaller kan också skada separatorerna eller orsaka kortslutning i cellerna.

För att motverka denna effekt och förhindra att batteriet går sönder i förtid bör ett batteri aldrig utsättas för en låg laddningsnivå under en längre period. Därför är det lämpligt att testa batteriet regelbundet och vid behov ladda det helt.

Vill du veta mer om detta ämne? Hur man laddar ett batteri på rätt sätt.

Ny batteriteknik: AGM och litiumjon

Hittills har konventionella blybatterier haft en stor andel av marknaden. Men marknaden förändras snabbt: Innovativa batteriteknologier för start-stopp-fordon, t.ex.AGM, använder syra som är bunden i en matta för att ge större cykelstabilitet och garantera tillförlitlig prestanda i fordon med ökade energibehov. Ytterligare en fördel med årsstämman: Syraskiktning är inte längre möjlig på grund av den bundna syran.
En ny generation bilbatterier för mikrohybridfordon arbetar med 48V och använder celler med litiumjonteknik.