Batterier: Vad finns det för alternativ?

I takt med att världen i allt högre grad övergår till förnybara energikällor och energilagring i kraftnätsskala är det bra att förstå vilka olika batteritekniker som finns tillgängliga. Varje typ av batteri har unika egenskaper som gör den lämplig för specifika tillämpningar, från stabilisering av kraftnät till reservkraftsystem. I det här inlägget utforskar vi de huvudsakliga typerna av stationära batterier, deras underliggande kemi, typiska tillämpningar samt för- och nackdelar med varje teknik. 

Men innan vi tittar på enskilda batterityper kan en generell anmärkning vara på sin plats. Alla batterier är elektrokemiska anordningar och de är därför underställda de lagar som styr hastigheten på kemiska reaktioner. I synnerhet påverkas alla batterier av temperaturen. Höga temperaturer leder till kortare batteritid, medan låga temperaturer minskar kapacitet och prestanda. Batterier som måste fungera under ovanligt varma eller kalla förhållanden måste därför väljas och dimensioneras med särskild försiktighet.

 

Blysyrabatterier

Blysyrabatterier är en av de äldsta sorterna och de har bäst etablerade teknikerna för uppladdning. De har använts i över ett sekel i en mängd olika tillämpningar, från fordonsstart till avbrottsfria strömförsörjningar och energilagring utanför elnätet.

Kemi

Blysyrabatterier består av positiva plattor av blydioxid (PbO2) och negativa plattor av blysvamp (Pb), nedsänkta i en svavelsyra (H2SO4).

Typer

1. Ventilerade blysyrabatterier (VLA): Även kallade vätskefyllda blysyrabatterier, kräver regelbundna vattenpåfyllningar.
2. Ventilreglerade blysyrabatterier (VRLA): Förseglade batterier, inklusive typer med absorberande glasfibermatta och typer med gel. Dessa kräver regelbunden testning eftersom de har ett torrt funktionssätt.

Typiska tillämpningar

• Reservkraft för telekommunikation och datacenter
• Förnybara energisystem som är anslutna respektive inte anslutna till elnätet
• Avbrottsfria strömförsörjningar (UPS)
• Laddningsstationer för elfordon
• Start av bensin- och dieselfordon

Fördelar

• Väletablerad teknik med lång historia: Det innebär att det finns stor kunskap och erfarenhet av deras användning och underhåll.
• Låg initialkostnad: Blysyrabatterier är ofta det mest ekonomiska valet för kortsiktiga energilagringsbehov.
• Mycket återvinningsbart: Nästan 100 % av ett blysyrabatteri kan återvinnas, vilket gör dem till ett miljömedvetet val.
• Tillförlitligt och tolerant mot överladdning: När blysyrabatterier hanteras korrekt kan de tåla sporadisk överladdning utan betydande skador.

Nackdelar

• Lägre energitäthet jämfört med nyare tekniker: De behöver mer utrymme för att lagra samma mängd energi som mer avancerade batterityper.
• Kortare livslängd, särskilt om de urladdas djupt: Regelbundna djupurladdningar kan avsevärt minska livslängden på blysyrabatterier.

 

Litiumjonbatterier

Tack vare sin höga energitäthet och effektivitet har litiumjonbatterier revolutionerat energilagring. De har blivit allt populärare inom energilagring i kraftnätsskala, i elfordon och bärbar elektronik.

Kemi

Litiumjonbatterier använder en litiumförening som positiv elektrod och normalt grafit som negativ elektrod. Elektrolyten är ett litiumsalt i ett organiskt lösningsmedel.

Typer

1. Litium-nickel-mangan-koboltoxid: Ger en bra balans mellan energitäthet och effekt.
2. Litium-järnfosfat: Känd för sin säkerhet och långa livslängd.
3. Litium-nickel-kobolt-aluminiumoxid: Ger hög energitäthet.
4. Litium-manganoxid: Ger god termisk stabilitet och säkerhet.

Typiska tillämpningar

• Energilagring i kraftnätsskala och stabilisering av kraftnät
• Elfordon och hybridfordon
• Energilagringssystem för bostäder och kommersiella byggnader
• Bärbar elektronik och elverktyg

Fördelar

• Hög energitäthet: Detta möjliggör mer kompakta och lätta energilagringslösningar, vilket är avgörande för tillämpningar som elfordon.
• Lång livslängd: Många litiumjonbatterier klarar tusentals laddnings-/urladdningscykler, vilket gör dem kostnadseffektiva under lång tid.
• Låg självurladdningshastighet: De kan hålla laddningen under längre perioder när de inte används, vilket gör dem lämpliga för tillämpningar med intermittent användning.
• Ingen minneseffekt: Till skillnad från vissa äldre batteritekniker behöver inte litiumjonbatterier laddas ur helt innan de laddas upp igen.
• Snabbladdningskapacitet: Detta är särskilt fördelaktigt för tillämpningar som kräver snabba omloppstider, t.ex. elfordon.

Nackdelar

• Högre initialkostnad: Även om priserna sjunker är litiumjonbatterier fortfarande dyrare i inköp än blysyrabatterier.
• Potentiella säkerhetsproblem (termisk rusning): I sällsynta fall kan litiumjonbatterier överhettas och fatta eld.
• Kräver avancerade batterihanteringssystem: För att förhindra överladdning, överdriven urladdning, överhettning och för att balansera celler behövs komplexa kontrollsystem.
• Prestanda försämras vid höga temperaturer: Exponering för höga temperaturer kan öka kapacitetsförlusten och minska batteriets totala livslängd.

 

Flödesbatterier

Flödesbatterier är en unik typ av laddningsbart batteri där energin lagras i en flytande elektrolyt. De har fördelen av att separera effekt- och energikapacitet, vilket gör dem mycket skalbara för storskaliga energilagringstillämpningar.

Kemi

Den vanligaste typen är vanadin-redox-flödesbatteriet (VRFB), som använder vanadinjoner i olika oxidationstillstånd. Andra kemier är zink-brom och järn-krom.

Typiska tillämpningar

• Storskalig energilagring i kraftnät
• Integrering av förnybar energi
• System för mikronät och system utanför elnätet
• Industriell och kommersiell energihantering

Fördelar

• Lång livslängd: Flödesbatterier tål vanligen tiotusentals laddnings-/urladdningscykler utan betydande försämring.
• Kan laddas ur helt utan skador: Till skillnad från många andra batterityper skadas inte flödesbatterier vid fullständig urladdning.
• Enkelt skalbart genom att öka tankens storlek: Energikapaciteten kan enkelt ökas genom att använda större elektrolyttankar utan att byta kraftkomponenterna.
• Lägre brandrisk än litiumjon: De vattenhaltiga elektrolyter som används i de flesta flödesbatterier är inte lättantändliga, vilket ökar säkerheten.

Nackdelar

• Lägre energitäthet: Flödesbatterier kräver mer utrymme än tekniker som litiumjon för att lagra samma mängd energi.
• Komplext system: Behovet av stora elektrolyttankar gör flödesbatterier mer mekaniskt komplexa än halvledarbatterier.
• Högre initialkostnader: Komplexiteten i flödesbatterisystem leder ofta till högre förskottskostnader, även om deras långa livslängd kan kompensera för detta.
• Risk för elektrolytläckage: Korrekt inneslutning och underhåll är avgörande för att förhindra miljöförorening från elektrolytläckage.

 

Natriumjonbatterier

Natriumjonbatterier är en framväxande teknik som erbjuder ett potentiellt mer hållbart alternativ till litiumjonbatterier. De använder rikligt förekommande och billigt material och skulle kunna förbättra framtida energilagringstillämpningar.

Kemi

Liknar litiumjon men använder natriumjoner istället för litiumjoner för laddningsöverföring. Katoden är vanligtvis en metalloxid i lager, medan anoden ofta är hårt kol.

Typiska tillämpningar

• Energilagring i kraftnätsskala
• Energilagring för bostäder och kommersiella byggnader
• Elfordon
• Bärbar elektronik (under utveckling)

Fördelar

• Råmaterialet är mer rikligt förekommande och billigare: Natrium är mycket mer rikligt förekommande än litium, vilket kan leda till lägre kostnader och mer hållbar produktion.
• Potentiellt mer miljövänligt: Materialen som används i natriumjonbatterier är i allmänhet mindre giftiga och lättare att återvinna än de i litiumjonbatterier.
• Kan laddas ur helt för säkrare transport: Till skillnad från litiumjonbatterier kan natriumjonbatterier laddas ur helt, vilket förenklar frakt och förvaringslogistik.

Nackdelar

• Lägre energitäthet jämfört med litiumjon: Natriumjonbatterier kanske inte är lämpliga för tillämpningar där vikt och storlek är avgörande faktorer.
• Tekniken är fortfarande i ett tidigt skede av kommersialiseringen: Som en nyare teknik har natriumjonbatterier ännu inte bevisat sin långsiktiga tillförlitlighet och prestanda i verkliga tillämpningar.
• Begränsad meritlista i storskaliga tillämpningar: Bristen på omfattande fältdata gör det svårt att förutsäga långsiktiga prestanda och potentiella problem.

 

Nickelbaserade batterier

Även om de är mindre vanliga i nya installationer används nickelbaserade batterier fortfarande i vissa stationära tillämpningar. De ger tillförlitliga prestanda och kan hantera tuffa miljöförhållanden.

Kemi

Nickelbaserade batterier använder nickel-oxyhydroxid (NiOOH) som positiv elektrod. Den negativa elektroden och elektrolyten skiljer sig åt mellan olika typer. Vid urladdning reduceras nickel-oxyhydroxidelektroden till nickel-hydroxid, medan den negativa elektroden oxideras. Den här processen reverseras under laddning.

Typer

1. Nickel-kadmium (NiCd): Kända för sin varaktighet.
2. Nickel-metallhydrid (NiMH): Ger högre energitäthet än NiCd utan användning av giftigt kadmium.

Typiska tillämpningar

• Industriella reservkraftsanläggningar
• Järnvägssignalering
• Start av flygplan och nödkraft
• Avsides belägna telekommunikationssystem

Fördelar

• Robusta och hållbara: Nickelbaserade batterier tål tuffa förhållanden, inklusive fysiska påfrestningar.
• Lång livslängd: När de underhålls på rätt sätt kan nickelbaserade batterier räcka i många år och tusentals cykler.

Nackdelar

• Lägre energitäthet än litiumjon: Det gör dem mindre lämpliga för tillämpningar där det finns begränsningar gällande utrymme och vikt.
• Minneseffekt (särskilt i NiCd): Cykler av partiell urladdning kan leda till förlust av användbar kapacitet, vilket kräver periodiska cykler med fullständig urladdning.
• Miljöbetänkligheter med kadmium i NiCd-batterier: Giftigheten hos kadmium har lett till restriktioner mot användning av NiCd-batterier i många regioner.

 

Vikten av korrekt testning

Var och en av dessa batteritekniker kräver ett specifikt testsystem för att säkerställa optimala prestanda, säkerhet och livslängd. Testmetoder och frekvens varierar avsevärt mellan olika batterityper. Exempel:

• Blysyrabatterier kräver ofta regelbundna mätningar av specifik vikt, kapacitetstestning och ohmtestning för att bedöma deras hälsotillstånd.
• Litiumjonbatterier har nytta av sofistikerad övervakning av hälsotillstånd och impedanstestning för att upptäcka tidiga tecken på försämring.
• Flödesbatterier kan behöva analys av elektrolytsammansättning utöver vanliga elektriska tester för att säkerställa optimala prestanda.

Korrekt testning är inte bara viktig för att upprätthålla batteriets prestanda utan även för att säkerställa säkerheten och tillförlitligheten i energilagringssystem. Regelbunden testning kan bidra till att identifiera potentiella problem innan de leder till fel, optimera strategier för batterihantering och förlänga den totala livslängden för energilagringssystemet.

 

Slutsats

Det finns olika typer av stationära batterier och varje teknik ger unika fördelar och utmaningar. I takt med att vi fortsätter att utveckla våra energilagringsmöjligheter kommer vi troligen att se ytterligare innovationer och förbättringar inom batteriteknik.

Förståelse för olika batteritypers egenskaper är väsentligt när man ska välja rätt teknik till specifika tillämpningar. Lika viktigt är att implementera lämpliga metoder för testning och underhåll för att säkerställa att batterierna fungerar optimalt under hela sin livscykel.

I vårt kommande inlägg ska vi utforska de invecklade problemen med att testa olika batteritekniker och hur Meggers lösningar kan bidra till att säkerställa energilagringssystemens tillförlitlighet och livslängd.