About / Advertise
Konsumenternas krav är enkla. Batteriet ska vara lätt, räcka länge, vara snabbladdat och givetvis miljövänligt. Verkligheten är dock en annan. Batterier är och förblir tunga, med låg kapacitet. Utvecklingen mot bättre batterier går långsamt.
Så användare av mobiltelefoner och bärbara datorer får nog leva med att ständigt oroa sig för att batteriet ska ta slut många år framöver.
Nickelkadmiumbatterier, NiCd, har länge varit den dominerande typen av laddningsbara batterier till sådant som mobiltelefoner, bärbara datorer och sladdlösa elverktyg. De är billiga, vitt spridda och dessutom är förfarandet för uppladdning och urladdning välkända. I år kommer det uppskattningsvis att tillverkas en miljard NiCd-batterier.
På senare tid har nickelmetallhydrid, NiMH, seglat upp som den stora utmanaren. De har bättre energitäthet och en miljövänligare profil, men i stort sett samma egenskaper vad gäller upp- och urladdningsförlopp som NiCd. Det kommer uppskattningsvis att tillverkas en halv miljard NiMH batterier i år.
Men nya och ännu bättre typer som litiumjon, Li-jon och zink-luft är på väg. Enligt uppskattningar kommer det i år att tillverkas en miljon Li-jon-batterier. Visserligen ersätter ett Li-jon två till tre NiCd men antalet är ändå försumbart.
Zink-luft är ännu nyare. Som första datortillverkare lanserade Hewlett-Packard och Toshiba i oktober de första modellerna med zink-luftbatterier för upp till 15 timmars driftstid på en laddning. Zink-luft tar dock mer plats än alternativen. De fick skräddarsys av tillverkaren AER Energy Resources för att passa de bärbara datorerna.
Nickel-kadmium är billigt
När det nu finns miljövänliga alternativ till NiCd och som dessutom har högre energitäthet kan man fråga sig varför NiCd fortfarande är dominerande?
Det finns flera svar. Dels handlar det om tillgång och efterfrågan. Ett NiMH är i det närmaste dubbelt så dyrt som ett NiCd trots att det inte räcker dubbelt så länge. Att priset kan ligga på den nivån beror på att efterfrågan är större än tillgången.
Idag når de bästa NiCd-batterierna upp till cirka 75 procent av NiMH- batteriernas prestanda. Men NiMH har potential att utvecklas ytterligare, så att de blir ungefär dubbelt så bra som NiCd.
Vissa tillämpningar, som batteridrivna elverktyg, kräver dessutom ett högt strömuttag under kort tid. Då duger bara NiCd eftersom NiMH och Li-jon har alltför hög inre resistans.
Li-jon är dyrast. De kostar ungefär fyra gånger mer än NiCd. Priset förväntas dock falla så att de strax efter sekelskiftet hamnar på samma nivå som NiMH, vilka dock förväntas förbli dyrare än NiCd.
Ladda ur och ladda upp
En konstruktör av bärbar utrustning måste också ta hänsyn till urladdningsförloppet och uppladdningsmetoden vid valet av batteri.
Cellspänningen är nominellt 1,2 V för både NiCd och NiMH. Den ändras inte nämnvärt under urladdningen. Först på slutet sker ett snabbt spänningsfall.
Den flata urladdningskurvan gör att spänningsregleringen blir enkel. Det räcker med en linjär regulator som tar liten plats och inte skapar några störningar.
Att spänningen är konstant under urladdningen innebär däremot att det är svårt att mäta hur mycket laddning som finns kvar. Det är först på slutet som spänningen kan användas som indikator. Istället är man hänvisad till att mäta den uttagna strömmen och sedan räkna tiden.
En skillnad mellan NiCd och NiMH är att NiCd har betydligt mindre självurladdning. NiMH-batterier laddas ur med cirka 25 procent per månad.
Li-joncellerna skiljer sig från de andra typerna. Cellspänningen i ett Li-jon- batteri är drygt 4 V när det är fulladdat och runt 2,5 när det är urladdat. Det gör det enkelt att mäta hur mycket laddning som finns kvar. Däremot blir kraven högre på spänningsomvandlaren.
Idag är det vanligt att elektroniken i bärbar utrustning drivs med 3,3 V. Och två Li-jon-celler ger en spänning som varierar från 8 V ner till 5 V. I en linjär regulator blir det då ett stort spänningsfall som omvandlas till värme.
En bättre metod verkar vara att använda en switchad regulator. En sådan blir dock större och dyrare och den kan dessutom skapa störningar. Det är alltså inte säkert att den högre energitätheten i Li-jon-batterier kan utnyttjas fullt ut.
Olika laddare
Det enklaste sättet att ladda NiCd- och NiMH-batterier är att mata dem med en låg ström under lång tid. Om batteriet har en kapacitet på 800 mAh så kan en lämplig ström vara en tiondel, 80 mA. Det tar visserligen lång tid men risken för att förstöra batteriet genom överladdning är liten. Så länge strömmen är låg tål batteriet att överladdas under lång tid, så tidpunkten när laddningen avbryts är inte kritisk.
Det blir den däremot i en snabbladdare när strömmen är högre. En laddare för elektriska verktyg kan ge en laddningsström som är upp till fyra gånger batteriets kapacitetsvärde. Då gäller det att avbryta i exakt rätt tid. Annars kan batteriet börja gasa och bli förstört.
Snabbladdarna har därför två faser, en med hög ström under kort tid och en längre fas med efterladdning med en ström på cirka en
tjugondel av kapacitetsvärdet. Frågan är då vilket kriterium som ska användas för att avbryta den första fasen med hög ström. Vanligast är att laddningen stängs av när toppen på spänningen passerats. Men det finns flera kriterier, se rutan härintill.
Laddningen av Li-jon-batterier är än mer kritisk, eftersom dessa batterier förstörs snabbt vid överladdning. Och eftersom batteriet normalt består av flera celler måste därför varje cell styras individuellt. Det innebär att varje cell måste förses med en krets som klarar att shunta bort hela laddströmmen när just den cellen är färdigladdad.
Eftersom Li-jon-batterier förstörs så lätt har laddarna flera kriterier för att avbryta laddningen. Förutom att mäta strömmen krävs oftast en temperatursensor och en timer som stänger av om någon av de andra funktionerna fallerar.
NiCd kan vara miljövänligt
NiCd har länge ansetts som det dåliga miljövalet - kadmium är som bekant mycket giftigt. Ersättaren skulle bli det miljövänliga NiMH. Men i praktiken är valet inte så lätt.
För de NiCd-batterierna som samlas in istället för att slängas i naturen finns idag mycket effektiva processer för återvinning.
- Vi kan återvinna åtminstone 99,9 procent av kadmiumet, berättar Lars-Erik Johansson som är miljöchef på Saft-Nife i Oskarshamn.
Det återvunna kadmiumet används sedan till nya batterier. Restprodukterna, nickel och andra metaller, används i legeringar vid ståltillverkning.
Att återvinna kadmiumet är dessutom relativt enkelt. Först bränns plastskalet runt batteriet bort och sedan hettas resterna upp så att kadmiumet förångas. Problemet är bara att inte mer än 30-35 procent av de NiCd-batterier som hamnar i konsumentledet lämnas tillbaka för återvinning.
NiMH och Li-jon anses inte vara miljöfarliga trots att de innehåller jordartsmetaller som kobolt och mangan, ämnen som i höga koncentrationer är giftiga.
Idag finns heller inga metoder för att återvinna batterierna utan de får kastas i soporna.
Per Henricsson
