Uppladdningsbara batterier

Uppladdningsbara batterier

Ett ”uppladdningsbart batteri” heter egentligen ackumulator och liknar ett vanligt batteri. Genom att spänningssätta en urladdad ackumulator kan elektronerna vandra tillbaka så att den går att använda igen. Ackumulatorerna skiljer sig mycket mellan varandra, exempelvis på hur stor kapacitet de har (hur länge de håller på en laddning) och hur många cykler de klarar av (upp- och urladdningar). I vissa sammanhang spelar även storleken eller vikten roll och då är inte alla typer lämpliga.

Blyackumulatorn

Blyackumulatorn är ett av de äldsta uppladdningsbara batterierna och den används fortfarande, bland annat i bilar, backup-lösningar och industriella sammanhang. De stora nackdelarna med batteritypen är att den innehåller miljöfarliga ämnen och väger mycket. Spänningen från en cell är 2 V och genom att sammankoppla flera celler går det att få fram olika spänningar som är jämnt delbara med siffran två. Bilbatteriet (12 V) består exempelvis av sex celler.

En blyackumulator på 12 V, 17 Ah

Blyackumulatorerna finns i många olika storlekar och viktklasser, även om de har samma spänning. Det beror på att deras kapacitet skiljer sig, vilket gör att de håller olika länge. En ackumulator som väger 300 g kan ha en kapacitet på 1,3 Ah (1300 mAh) samtidigt som en som väger 6,5 kg har kapaciteten 17 Ah (17 000 mAh).

Nickel-kadmium (NiCd)

NiCd-batteriet har en polspänning på 1,2 V och var vanligt för några år sedan. Idag syns det sällan då tillverkare och konsumenter valt andra alternativ av bland annat miljöskäl. Precis som namnet antyder innehåller batteriet den miljöfarliga tung­metallen kadmium (Cd). Det gör att det sedan 2006 finns ett EU-direktiv som förbjuder NiCd-batterier där det finns alternativ.

En av nackdelarna med NiCd är den så kallade minneseffekten. Minneseffekten gör att kapaciteten sjunker om batteriet inte sköts ordentligt. Minneseffekten uppstår då batteriet inte laddas ur ordentligt innan det återuppladdas. Om batteriet upprepade gånger laddas utan att vara urladdat, kommer det efter ett tag ”tro” att det är dags för en ny uppladdning innan det verkligen är det. Det innebär att den användbara kapaciteten minskar. Det är också viktigt att inte överladda eller djupurladda batteriet. Först när apparaten som använder batteriet anser att det är slut bör batteriet laddas om. En av fördelarna med NiCd är att tekniken klarar stora strömuttag, det vill säga att batterierna har låg inre resistans.

Nickel-metallhydrid (NiMH)

NiMH är idag det populäraste valet bland de vanliga uppladdningsbara cylinder­formade batterierna. Det är ett miljövänligt alternativ (fritt från kadmium) som dessutom finns i högre kapaciteter än motsvarande NiCd. Minneseffekten utgör inte heller något problem. Det gör batteriet enkelt att hantera då användaren inte behöver tänka på korrekt urladdning före varje laddning.

NiMH-batteriet har en polspänning på 1,2 V och kan ersätta vanliga alkaliska batterier i nästan alla sammanhang. Detta trots att det alkaliska batteriet har en pol­spänning på 1,5 V. En noggrannare undersökning av urladdningskurvorna visar att det är en relativt kort stund som det alkaliska batteriet verkligen ger 1,5 V. Spänningen sjunker ­nämligen snabbt ner mot 1,2 V och fortsätter sedan långsamt ner till ungefär 0,9 V. NiMH-batteriet börjar istället på 1,2 V och håller sig stadigt där tills batteriet är slut. Den lilla skillnaden i startspänning här därför liten eller ingen betydelse.

NiMH generation två (NiMH2)

Självurladdningen för NiMH-batterier har alltid varit relativt hög (10-20% per månad). Problemet är särskilt tydligt i apparater med liten strömförbrukning (t.ex. fjärr­kontroller och klockor). Där kan självurladdningen ta mer av batteriet än själva apparaten. Med den nya generationen NiMH2, är självurladdningen mycket låg (ca 2% per månad).

NiMH2 finns från de flesta batteritillverkarna. Tyvärr finns inget gemensamt namn, utan de säljs under var tillverkares eget namn, till exempel Sanyo Eneloop, Powerbase Instant, GP ReCyko, Varta Ready2Use och Panasonic Infinium.

I och med att den nya generationen har mycket låg självurladdning, kan batterierna förladdas vid tillverkning. Att batterierna tidigare var tvungna att laddas före användning var till stor nackdel vid val av uppladdningsbara batterier. När man tidigare var på semester och batterierna i kameran tog slut, fanns inget annat alternativ än att välja alkaliska batterier. Med NiMH2 går det att använda batterierna direkt ur paketet.

Den låga självurladdningen gör också att NiMH2-batterierna fungerar bra till ­apparater som drar lite ström. Enda nackdelen är att de än så länge inte finns med riktigt lika hög kapacitet som första generationens NiMH-batterier. Det gör att den första generationen kan vara lämpligare i energikrävande apparater.

Det går att teoretiskt jämföra vilken inverkan de olika självurladdningsegenskaperna har för batterier som får ligga ett tag på hyllan innan de börjar användas. Eftersom självurladdningen är cirka 20 % respektive 2 % blir den återstående kapaciteten efter en månad 80 % respektive 98 %.

Efter ett halvår har det vanliga NiMH-batteriet minskat sin återstående kapacitet till en fjärdedel, medan den nya generationstypen har förlorat en dryg tiondel. På ett år har det vanliga NiMH-batteriet för länge sedan förlorat all sin energi medan den nya generationens batteri bara har minskat med ungefär 20 %.

När det gäller kyla är också NiMH2-batterier bättre än sin föregångare. Följande diagram visar den genomsnittliga kapacitet som uppnåddes vid urladdningar av GP:s AA och AAA-batterier i 0°C. Batterierna var inte snabbladdade och de fick vila fyra timmar mellan laddningarna och urladdningarna. Urladdningarna skedde med 0,2C, vilket är relativt mycket (läs mer). Tänk att de sitter i en apparat där ­batterierna räcker fyra till fem timmar.

Det finns ytterligare en stor fördel med den nya generationens batterier. De kan laddas i samma laddare som den äldre generationen. Konsumenten slipper därmed att investera i en ny laddare.

Litium-ion (Li-jon) och Litium-polymer (Li-Poly)

Precis som i icke-uppladdningsbara sammanhang börjar litiumtekniken vinna stor mark. De främsta fördelarna är att batterierna är små med låg vikt och stor energi­täthet. De har en spänning på 3,6 V eller 3,7 V vilket gör att de inte kan ersätta alkaliska batterier på samma sätt som NiMH. Litium-ion- och litium-polymer-tekniken används istället i batterier som är inbyggda i apparater. Öppna baksidan på din mobiltelefon så hittar du med största sannolikhet ett litiumbatteri där. Bärbara datorer använder också litiumtekniken, liksom de flesta andra portabla apparater där ett laddningsbart batteri finns inbyggt. Litiumbatterierna har ytterligare fördelar då de har låg självurladdning och inte alls lider av minneseffekten. Det gör att användaren inte behöver bry sig om batteriets laddstatus utan kan ladda det när som helst.

Litium-ion- och litium-polymer-batterier
Exempel på konsumentbatterier av litium-ion- och litium-polymer-typ.

Ett uppladdningsbart litium-batteri ska inte laddas ur helt. Det finns då stor risk för att batteriet inte kan laddas upp igen. Det är dock ingen fara med att använda telefonen eller datorn tills den själv stänger av sig. Batteriet har då fortfarande kraft kvar, men det är för lite för att apparaten ska kunna drivas. Om detta händer är det viktigt att batteriet laddas upp igen snarast. Det är nämligen inte bra för batteriet om det ligger urladdat under lång tid. Den låga men ändå befintliga självurladdningen kommer då att ladda ur batteriet så djupt att det tar skada. Många har säkert redan råkat ut för att en telefon, som tidigare fungerade bra, inte går att ladda då den legat oanvänd en längre tid. Om ett batteri inte ska användas på ett tag, ska det därför först laddas. Helt nya (oanvända) batterier kan dock förvaras ouppladdade.

18650-batterier

18650-batterier har blivit en allt populärare. De började användas i batteripack till exempelvis bärbara datorer. Den höga kapaciteten kombinerat med låg vikt gjorde att batterierna blev populära i ficklampor och mycket annat.

18650-batteri
Ett 18650-batteri har 3,7 volt spänning.

Eftersom 18650 är litiumbatterier ska de skyddas mot för hög och låg spänning samt kortslutning. Att ladda ur ett litiumbatteri under ca 3,2 volt sliter onödigt på det och kan vara direkt skadligt. Att ladda ett litiumbatteri med över 4,2 volt medför fara för överhettning och brand. Skydd mot detta sitter inbyggt i batteripack till exempelvis bärbara datorer. Skyddet kan också sitta i själva apparaten (t.ex. i en ficklampa). En dedikerad litiumladdare är normalt anpassad för att ladda batterierna korrekt.

Skyddade eller oskyddade 18650-batterier

Det finns två typer av 18650-batterier: oskyddade och skyddade. Ett oskyddat batteri är en lös cell medan ett skyddat är en cell och ett litet kretskort hopbyggt. Det oskyddade batteriet är tänkt att användas när skyddskretsen finns i apparaten, om man ska bygga ett batteripack med egen skyddskrets eller om man väljer ett batteri med säkrare kemi (se nedan). Det ställer därför högre krav på användaren.

Det skyddade batteriet är betydligt säkrare och kan under normala omständigheter inte skadas. Nackdelen med det skyddade batteriet är att kretskortet ökar längden på batteriet med några millimeter. Diametern kan även vara 1 mm större på grund av ett extra lager krympplast utanpå. Den utstickande pluspolen kan också variera i längd. Det går utmärkt att använda ett skyddat batteri tillsammans med en apparat med en inbyggd skyddskrets.

Storleken

Ett 18650-batteri ska vara 18 mm i diameter och 65 mm långt. Så är det normalt om man tar ett oskyddat batteri. De skyddade batterierna blir ofrånkomligt lite större. Oftast är det inget problem, men det finns tillfällen när de inte får plats trots att apparaten är gjord för ett 18650-batteri.

Borde inte ett skyddat batteri som är 19 mm i diameter och 68 mm långt kallas 19680? I en perfekt värld kanske, men det finns ingen standard för hur stort ett skyddat batteri är. Det finns allt från 68 mm till 73 mm långa 18650-batterier. För att ta reda på om ett 18650-batteri passar i en laddare eller apparat bör därför batteriets mått kontrolleras.

Kemi och ström

Det finns olika typer av 18650-batterier. Typen betecknas med tre bokstäver, till exempel ICR eller IMR som är de vanligaste typerna. Bokstäverna berättar vilken kemi som används i batteriet (se nedan).

KemiBokstav 1Bokstav 2Bokstav 3
ICR Litium-ion Kobolt-katod Rundcell
IMR Litium-ion Mangan-katod Rundcell
INR Litium-ion Mangan- och nickel-katod Rundcell

ICR-kemin ger celler med högst kapacitet. Nackdelarna är att de är känsligare än övriga celler för över- och underspänning, samt att de inte kan hantera höga strömuttag. Känsligheten gör att de måste vara skyddade, och kretskortet med skydd kan inte göras litet och samtidigt tåla höga strömmar. Tack vare sin höga kapacitet används ofta ICR-celler i till exempel batterier till bärbara datorer.

IMR och INR är betydligt tåligare, men de ska inte heller laddas ur för mycket då det sliter på cellerna. Nackdelen är att de har lägre kapacitet. De klarar i gengäld höga strömuttag. Det finns celler som är specificerade för att klara 30 A kontinuerlig urladdning. Exempel på produkter som kräver höga strömuttag är till exempel e-cigaretter. 

Spara pengar och miljö med uppladdningsbara batterier

Det finns två anledningar att använda uppladdningsbara batterier: att spara pengar och miljö. Här följer ett räkneexempel som visar vilka vinster som går att göra.

Exempel - ekonomisk vinst

Tänk dig en hobbyfotograf som gillar att fotografera mycket. Han har ofta kameran med sig och tar några bilder varje dag. Han är ekonomisk och köper alltid alkaliska batterier i storpack (innehåller tjugo batterier). Ett sådant paket kostar kring 50 kr vilket ger en styckkostnad på 2,50 kr per batteri. Han har en god vän som också är fotointresserad men hon använder uppladdningsbara batterier istället. Hon har köpt en snabbladdare med fyra medföljande 2700 mAh laddningsbara batterier, samt ett extra paket med ytterligare fyra 2700 mAh batterier. Det ger henne en totalkostnad på cirka 550 kronor.

Vi räknar med att hon kommer att ladda sina dubbla uppsättningar batterier ca 500 gånger under tre år. På så sätt motsvarar hennes åtta uppladdningsbara batterier 4000 alkaliska batterier.

Hennes besparing blir då:

4000 ∙ 2,50 = 10 000 kr
10 000 - 550 = 9450 kr

Visst kommer hennes laddare att dra lite ström då den används, men i sammanhanget är den kostnaden försumbar. Hon tjänar alltså snabbt in investeringskostnaden.

Exempel - miljömässig vinst

Vidare blir den miljömässiga vinsten också stor. Räkna med att ett alkaliskt batteri väger cirka 25 gram. Då kommer vikten på 4000 batterier att bli:

4000 ∙  0,025 = 100 kg

Jämför det med 252 g som de åtta laddningsbara batterierna väger! Ur miljöaspekt kan det konstateras att inte lika många batterier behöver tillverkas och därmed inte heller kasseras när de är uttjänta. Det leder till att betydligt färre fraktbåtar behövs från Asien till Europa. Koldioxidutsläppen minskar då frakten blir både lättare och tar mindre plats.

Exempel - sammanfattning

Även om ovanstående exempel är lite förenklat, råder det ingen tvekan om att det finns stora besparingar att göra både ekonomiskt och miljömässigt.

 

Diagrammen ger en uppfattning om hur stora besparingar som går att göra (både ekonomiskt och miljömässigt). Vikten på laddaren är ej inräknad.

Uppladdningsbara batterier har enligt vissa ett dåligt rykte. Det hävdas att de inte räcker lika länge som alkaliska batterier. Så var det tidigare men nu är det i de flesta sammanhang tvärtom. I början av 2000-talet användes oftast laddningsbara batterier med en kapacitet på 1300 mAh. Nu är en normal kapacitet på samma batterityp 2700 mAh, alltså mer än dubbla kapaciteten. Diagrammen på nästa sida visar urladdningsför­hållanden vid olika belastning. Vid låg belastning är skillnaden inte speciellt stor men den blir betydligt större när belastningen ökar. I extrema sammanhang såsom digital­kameror och blixtar kan skillnaden bli ännu större.

Förhållandet mellan alkaliska- och NiMH-batterier vid låg (10 ohm) respektive hög (2,5 ohm) belastning.

Hur länge håller ett uppladdningsbart batteri?

Hur länge håller ett uppladdningsbart batteri? Det beror på om frågan avser batteriets kapacitet eller hur många gånger det går att återuppladda. Om kapaciteten är angiven till 2700 mAh betyder det att batteriet räcker i fem timmar om en apparat drar 540 mA.

t = tiden angiven i timmar (h)
C = kapaciteten angiven i amperetimmar (Ah)
I = strömmen angiven i ampere (A)

t = C / I

t = 2700 mAh / 540 mA = 2,7 Ah / 0,54 A = 5 h

Hur många upp och urladdningar ett laddningsbart batteri klarar anges som cykler. Det maximala antalet cykler beror på faktorer såsom vilken kemi batteriet är uppbyggt av, om det snabbladdas eller ej samt hur det sköts. Generellt håller NiCd och NiMH för drygt 500 cykler. Sköts de exemplariskt går det att komma upp i 1000 laddningscykler.  Litium-jon håller vid normal användning för ungefär 500 cykler.

Senast ändrad: 2017-08-29