Fra frølår til batterier: Hvordan fungerer en energilagring?
Lidt historie: Opdagelsen af elektricitet
Luigi Galvani var en italiensk læge og nysgerrig forsker i slutningen af 1700-tallet. Under et forsøg med muskler fra frølår opdagede han en sammenhæng mellem stablede metaller og musklernes sammentrækning. Da Galvani ved et uheld berørte musklerne med en messingstang, som samtidig rørte et metalgitter, trak de sig pludseligt sammen. Han forstod, at elektricitet måtte spille en rolle – men hvad der præcist skete, blev først klarlagt nogle år senere.
Den italienske fysiker Alessandro Volta byggede videre på Galvanis opdagelse og fandt ud af, at man med to forskellige metalskiver og en skive læder gennemvædet af saltvand imellem kan skabe elektrisk spænding. Volta stablede først en zinkskive, derefter en fugtig læderskive og til sidst en sølvskive. Dette gentog han flere gange og skabte den berømte Volta-søjle – det første batteri, der kunne bruges teknisk.
Til ære for disse videnskabelige opdagelser blev:
- Den fysiske enhed for spænding (volt) opkaldt efter Volta
- Kombinationen af zink-, sølv- og læderskiver kaldt en galvanisk celle
Den galvaniske celle er grundlaget for alle moderne battericeller.
Nogle grundbegreber: Ædle og uædle metaller
Hvad er det særlige ved kombinationen af sølv, zink og saltvædet læder? For at svare på det, skal vi først have styr på nogle grundlæggende begreber.
Metallers evne til at afgive og optage elektroner er helt central for at forstå, hvordan et batteri fungerer:
| Metaltype | Egenskaber | Eksempler |
|---|---|---|
| Ædle metaller | Ruster ikke, reagerer kun lidt med andre stoffer, holder på elektroner og kan optage flere | Sølv, guld, platin |
| Uædle metaller | Meget reaktionsvillige, ruster, afgiver elektroner | Zink, jern, aluminium |
De vigtigste begreber i batteriteknik
Anode: Den negative elektrode (minuspol), består af et uædelt materiale og afgiver elektroner.
Katode: Den positive elektrode (pluspol), består af et ædelt materiale og optager elektroner.
Elektrolyt: En væske eller et fast stof, der kan lede elektrisk strøm ved hjælp af ladede partikler (ioner).
Separator: Adskiller anode og katode, men lader ioner passere – forhindrer kortslutning.
Funktionsprincip i detaljer: Afladningsprocessen
En standard battericelle består af fire hovedkomponenter:
- Anode (minuspol)
- Katode (pluspol)
- Elektrolyt
- Separator
Sådan foregår afladningen:
- Elektronafgivelse: Den uædle anode afgiver elektroner, som løber gennem kablet til katoden
- Ion-dannelse: På grund af mangel på elektroner dannes der positivt ladede ioner i anoden
- Ionvandring: Ionerne opløses i elektrolytten og vandrer gennem separatoren til katoden
- To adskilte strømme:
- Elektronstrøm gennem kablet (den nyttige strøm!)
- Ionstrøm gennem elektrolytten
- Genforening: I katoden forenes elektroner og ioner igen
Elektronstrømmen er jævnstrøm – den løber altid i samme retning og kan bruges til elektriske apparater. Kemisk energi omdannes dermed til elektrisk energi.
Ladeprocessen: Det hele omvendt
Ved opladning påtrykker opladeren en modsat rettet spænding. Dermed vendes hele processen:
- Katoden "mister" sine elektroner, som vandrer tilbage til anoden
- Ioner frigøres fra katodematerialet
- Ionerne bevæger sig gennem elektrolyt og separator til anoden
- I anoden indlejres ioner og elektroner igen i materialet
Batteriet er nu opladet og klar til næste afladningscyklus.
Vigtige fagbegreber og enheder
Levetid og ladecyklusser
En ladecyklus er én fuld afladning og efterfølgende fuld opladning. Moderne lithium-ion-batterier klarer afhængigt af type typisk mellem 1.000 og 4.000 cyklusser.
Afladningsdybde (DoD – Depth of Discharge)
Afladningsdybden angiver, hvor stor en procentdel af batteriets kapacitet der er brugt:
- 0 % DoD = Batteriet er fuldt opladet
- 100 % DoD = Batteriet er fuldstændigt afladet (bør undgås!)
Hver batteritype har en anbefalet maksimal afladningsdybde. Overskrides den, forkortes levetiden eller batteriet kan tage skade.
C-rate: Lade- og afladningshastighed
C-raten beskriver forholdet mellem lade-/afladningseffekt og kapacitet:
C-rate = Effekt (kW) / Kapacitet (kWh)
| C-rate | Lade-/afladningstid | Betydning |
|---|---|---|
| 0,25C | 4 timer | Skånsom opladning |
| 0,5C | 2 timer | Standard for hjemmelagring |
| 1C | 1 time | Hurtig opladning |
| 2C | 30 minutter | Høj ydelse |
Eksempel: Et batteri med 10 kW effekt og 20 kWh kapacitet har en C-rate på 0,5C – det lader op eller aflader på 2 timer.
Energitethed
Forholdet mellem lagret energi og plads/masse:
- Volumetrisk: Wh pr. liter (Wh/l)
- Gravimetrisk: Wh pr. kilogram (Wh/kg)
Lithium-ion-batterier med LFP-katoder når typisk omkring 200 Wh/kg – væsentligt mere end bly-syre-batterier.
Memory-effekt
Memory-effekten beskriver et fænomen, hvor batteriets kapacitet reduceres, hvis det gentagne gange oplades, før det er afladet tilstrækkeligt. Batteriet "husker" den forkortede cyklus og leverer derefter kun en tilsvarende del af den oprindelige kapacitet.
Værd at vide: Moderne lithium-ion-batterier er stort set ikke påvirket af memory-effekten – i modsætning til ældre nikkel-cadmium-batterier.
Overblik: De vigtigste enheder
Når man arbejder med batterier og solcelleanlæg, er nogle enheder og nøgletal særligt vigtige. Tabellen nedenfor samler de mest centrale størrelser:
| Enhed | Navn | Betydning |
|---|---|---|
| kW | Kilowatt | Effekt (arbejde pr. tidsenhed) |
| kWh | Kilowatt-time | Energimængde (1 kW i 1 time) |
| kWp | Kilowatt-peak | Maksimal effekt fra et solcelleanlæg |
| % (η) | Virkningsgrad | Nyttig energi / tilført energi |
| C | C-rate | Lade-/afladningseffekt / kapacitet |
| % DoD | Depth of Discharge | Afladningsdybde |
Konklusion
Det vigtigste: Batteriets funktionsprincip bygger på den galvaniske celle og kemiske reaktioner. Med en anode, katode, separator og elektrolyt holdes elektroner og ioner adskilt – og der opstår en brugbar elektrisk spænding. Det, der begyndte for over 200 år siden med frølår og metalskiver, er i dag grundlaget for smartphones, elbiler og solcelleanlæg med batterilagring.
For dig, der vil dybere ned i emnet: Lithium vs. bly: Hvilken batteritype til solcelleanlægget?
Den komplette artikelserie „Energilagring til solcelleanlæg"
- Fra frølår til batterier: Hvordan fungerer en energilagring? – du er her
- Lithium vs. bly: Hvilken batteritype til solcelleanlægget? – Teknologisammenligning
- Effektelektronik: Vekselrettere og DC-DC-konvertere – Strømkonvertering
- Allrounderen: Hybrid-vekselretteren – Alt i én enhed
- AC eller DC? Systemtopologier til solcelleanlæg – Anlægskoncepter