Grundlæggende om elbilbatterier: Sådan lagrer og frigiver celler energi

Et elbilbatteri lagrer energi kemisk. Opladning bringer cellerne i en kemisk tilstand med højere energi. Under kørsel frigiver cellerne denne energi som elektricitet, som bilens effektelektronik og motorer omdanner til bevægelse.

Fra celle til batteripakke

En celle er batteriets mindste komplette elektrokemiske enhed. En enkelt litiumioncelle leverer kun få volt, så en elbil forbinder mange celler for at opnå den nødvendige spænding og energi.

Celler kan samles i moduler og derefter i en batteripakke eller integreres direkte i pakken uden traditionelle moduler. Pakken kombinerer cellerne med det udstyr, der er nødvendigt for at forbinde, beskytte og styre dem. Kapitlet Batteripakke og konfiguration beskriver elektriske forbindelser og pakkens opbygning; Celleformater forklarer cylindriske, prismatiske og poseceller.

Hvad er der inde i en celle?

I en traditionel litiumioncelle optager to elektroder litium i deres aktive materialer. Den negative elektrode er typisk grafitbaseret, mens den positive bruger en litiumholdig forbindelse. Kombinationen er med til at bestemme cellens spænding, og hvor meget energi den kan lagre.

I batterilitteraturen kaldes den negative elektrode normalt anoden og den positive katoden. Navnene beskriver deres funktion under afladning og bruges normalt også, når opladning beskrives.

Tre andre komponenter forbinder og adskiller elektroderne:

• Elektrolytten transporterer ioner mellem dem. Traditionelle flydende elektrolytter indeholder et litiumsalt opløst i organiske opløsningsmidler.
• Separatoren er en porøs membran, som holder elektroderne adskilt, men lader ioner passere gennem elektrolytten i porerne.
• Strømkollektorer er ledende folier, der forbinder de aktive materialer med cellens terminaler. Der bruges typisk kobber på den negative side og aluminium på den positive. Lithium-ion Batteries Technology Strategy Assessment (DOE, 2023)

Det særskilte kapitel Cellekemi og komponenter sammenligner elektrodematerialer og elektrolyttyper.

Sådan fungerer opladning og afladning

Under afladning bevæger litiumioner sig fra den negative til den positive elektrode gennem elektrolytten. Elektroner strømmer fra den negative til den positive elektrode gennem det eksterne kredsløb og leverer elektrisk energi til bilen. Elektrolytten leder ioner, men blokerer for elektronstrøm, så elektronerne følger den eksterne vej.

Opladning vender processen om. En strømkilde tilfører elektroner til den negative elektrode og fjerner dem fra den positive. Litiumioner bevæger sig tilbage gennem elektrolytten til den negative elektrode, så cellens lagrede kemiske energi øges. DOE Explains: Batteries

Regenerativ bremsning oplader batteriet med energi, der genvindes fra bilens bevægelse: Motoren fungerer som generator og sender elektrisk energi tilbage gennem effektelektronikken.

Litiumion- og natriumionceller bygger på dette fælles funktionsprincip. Illustrationen viser litiumioner (Li⁺) og natriumioner (Na⁺), som bevæger sig mellem elektroderne. Natriumionceller bruger materialer, der er tilpasset natriums anderledes egenskaber. Præsentation af første generation af natriumionbatterier (CATL, 2021)

Spænding, strøm, effekt og energi

Batterispecifikationer bruger flere størrelser, som besvarer forskellige spørgsmål:

• Spænding, målt i volt (V), er den elektriske potentialforskel mellem to punkter.
• Strøm, målt i ampere (A), beskriver, hvor meget elektrisk ladning der strømmer pr. tidsenhed.
• Ladningskapacitet, målt i amperetimer (Ah), er den mængde ladning, en celle eller et batteri kan levere under bestemte forhold.
• Effekt, målt i kilowatt (kW), beskriver, hvor hurtigt energi leveres eller modtages.
• Energi, målt i kilowatttimer (kWh), er den mængde, der leveres, modtages eller lagres.

Ved batteriets jævnstrømsterminaler gælder:

Effekt (kW) = Spænding (V) × Strøm (A) ÷ 1.000

Et batteri, der eksempelvis leverer konstant 20 kW i en halv time, afgiver:

20 kW × 0,5 h = 10 kWh

Det er den energi, der afgives ved batteriets terminaler. Mindre energi når frem til hjulene, fordi effektelektronikken og motoren også har tab. Tilsvarende er energien fra laderen større end stigningen i batteriets lagrede energi, fordi opladning medfører tab.

En tilnærmet værdi for den nominelle energi kan beregnes ud fra ladningskapaciteten:

Energi (kWh) ≈ Nominel spænding (V) × Kapacitet (Ah) ÷ 1.000

Ah alene er derfor ikke nok til at sammenligne energien i batterier med forskellige spændinger. Tilnærmelsen bruger en repræsentativ spænding; en præcis energimåling tager højde for, at spændingen ændrer sig under opladning eller afladning.

Ladetilstand og driftsgrænser

Ladetilstand (SOC) angiver den anslåede resterende ladning som en procentdel af en defineret kapacitet. SOC estimeres ud fra målinger som strøm, spænding og temperatur. State of Charge Estimation Using Smart Battery Charger (Texas Instruments, 2021)

Den procent, en elbil viser, svarer til det driftsområde, føreren har adgang til. De viste værdier på 0% og 100% er ikke cellens absolutte elektrokemiske grænser. Kapitlet Batteribuffer og brugbar kapacitet forklarer brutto- og nettokapacitet (brugbar kapacitet) samt buffere.

Cellespændingen varierer med SOC, kemi, temperatur og strøm. Den nominelle spænding er en referenceværdi, ikke en ladegrænse. Molicel angiver eksempelvis en nominel spænding på 3,6 V, en ladespænding på 4,2 V og en nedre afbrydelsesgrænse ved afladning på 2,5 V for sin INR-21700-P42A-celle. Andre celledesign kan bruge andre spændingsgrænser. Datablad for Molicel INR-21700-P42A, version 1.7

De øvre og nedre spændingsgrænser påvirker opladning og kørsel forskelligt. Tæt på fuld opladning falder ladeeffekten for at holde cellerne inden for deres øvre spændingsgrænser. Ved lav ladetilstand kan bilen reducere fremdriftseffekten for at holde cellespændingerne over de nedre grænser. Kapitlet Batteriopladning forklarer, hvordan ladegrænserne former den effekt, der leveres gennem en opladning.

Batteristyringssystemet (BMS) overvåger spændingerne i celler eller parallelforbundne cellegrupper, batteristrømmen og temperaturen ved sensorerne. Det estimerer batteriets tilstand og koordinerer den tilladte opladning og afladning med bilen, så cellerne holdes inden for deres driftsgrænser. Teknisk håndbog om batteristyringssystemer Kapitlet Batteristyringssystem beskriver disse funktioner nærmere.

Hvorfor temperatur og strøm har betydning

Den indre modstand udvikler varme, når der løber strøm. Ved samme modstand giver en fordobling af strømmen fire gange så stor modstandsopvarmning. Kulde kan øge modstanden og reducere den tilgængelige effekt. Reaktionerne i cellerne kan også optage eller afgive varme. Denne reversible effekt afhænger af kemi og ladetilstand. Entropy Profiles for Li-Ion Batteries—Effects of Chemistries and Degradation (Wind and Vie, 2025)

Temperaturgrænser kan begrænse både opladning og fremdrift. Kulde er særligt udfordrende ved opladning af grafitbaserede litiumionceller, fordi litium kan aflejres på elektrodens overflade (litiumplettering) i stedet for at trænge ind i dens struktur. Bilens styring reducerer ladestrømmen og kan først varme batteriet op.

Regenerativ bremsning kan begrænses af et koldt eller fuldt batteri, fordi begge forhold begrænser den effekt, batteriet kan modtage. Model 3-instruktionsbog: Bremsning og standsning Varme- og kølesystemer hjælper med at opretholde passende forhold, som forklaret i Batteriets termiske styring.

Videoen nedenfor fra The Limiting Factor illustrerer, hvordan en litiumioncelle fungerer.