Litiumbatterier

Denna artikel vänder sig till den som söker mer information om litiumbatterier i en långfärdsbåt, vad det innebär, fördelar, nackdelar, konsekvenser och vad man måste tänka på. Slutsatsen är kortfattat att det mycket sannolikt inte är lönsamt vare sig ekonomiskt eller tekniskt idag (2019).

Många båtägare funderar på att uppgradera sin batteribank av "gamla blybatterier" till en "modern" batteribank bestående av litiumbatterier "för litiumbatterier är ju så bra".

Och absolut! Litiumbatterier är bra! Men de är inte som blybatterier. Man kan inte bara byta rakt av och tro att litiumbatterierna kommer att trivas och hålla länge och vara bra och ekonomiskt lönsamma.

I exempelvis en elbil så är litiumbatterier en fantastisk teknik. Men där är hela bilen byggd kring batteriet. Allt är anpassat för just det aktuella batteriet. Laddaren är perfekt dimensionerad, motorerna är perfekt dimensionerade, batterierna har värme- och kylsystem för att nära nog alltid ha exakt perfekt temperatur och batterierna används på exakt det vis de är byggda och dimensionerade. Här råder det ingen tveksamhet om att litiumbatterier är en fantastisk teknik!

Denna artikel är skriven ur ett långfärdsperspektiv med främst segelbåt. För annan form av användning och andra prioriteringar kan argument finnas som inte fullt ut tas upp i denna artikel. Är exempelvis att spara vikt det absolut viktigaste och priset oviktigt så är litiumbatterier rätt val alla dagar i veckan. Men på en långfärdssegelbåt är det nästan aldrig fallet.

Alla siffror häri är ungefärliga för "ett snitt av batterier av de olika typerna". Vill man jämföra mer exakt så får man söka upp data för just de batterierna man vill jämföra.

Fördelarna med litiumbatterier

Energidensitet: De är för motsvarande energidensitet/energitäthet mycket lättare än ett blybatteri. Litiumbatterier kan ganska enkelt idag (2019) tillverkas med en energidensitet om cirka 130 Wh/kg. Ett blybatteri (fritidsbatteri) har typiskt en energidensitet om cirka 60 Wh/kg. Man kan således spara cirka 50% av vikten genom ett byte till litiumbatterier. Sannolikt kommer energidensiteten att fortsätta öka i modernare litiumbatterier.
Laddtid: De laddas snabbare. När man laddar ett litiumbatteri tar det emot och lagrar energin i högre grad än en blybatteri. Ett litiumbatteri tar typiskt emot över 90% av laddningen medan ett blybatteri tar emot typiskt 70%. Detta ger snabbare laddning och mindre förluster vid laddningen.
Nyttjandegrad: Ett litiumbatteri kan användas från 100% laddning ner till cirka 10% laddning. Alltså närmare 90% nyttjandegrad utan att nämnvärt försämras. Ett blybatteri bör inte laddas ur till mer än 50% vilket då ger en nyttjandegrad om 50%. Noterbart är dock att ett litiumbatteri inte alls mår bra av att laddas fullt och särskilt inte ofta eller under längre tider. Så i praktiken ska man endast undantagsvis ladda ett litiumbatteri till mer än 80%. Detta ger då en nyttjandegrad för ett litiumbatteri om cirka 70%.
Självurladdning: Ett litiumbatteri har mindre självurladdning än ett blybatteri. Med detta menas att om man inte använder det så behåller det sin laddning bättre. På en långfärdsbåt är detta en faktor som ofta är helt ointressant då batterierna används hela tiden.
Spänningsfall: Ett litiumbatteri har en lägre inre resistans. Detta gör att man i teorin kan belasta dem med en högre ström utan att spänningsfallet blir särskilt stort. Särskilt tydligt är detta då batteriet är relativt urladdat. Ett blybatteri som belastas hårt då det är relativt urladdat har ett avsevärt spänningsfall.
Ingen minneseffekt: Ett litiumbatteri har nästan ingen så kallad minneseffekt alls jämfört med ett blybatteri. Ett blybatteri behöver laddas fullt (till 100%) med en viss regelbundenhet för att inte bygga upp en "minneseffekt" (som innebär en förlust i energimängd).
Miljövänliga: Det är diskutabelt men man kan argumentera för att ett litiumbatteri är mer miljövänligt än ett blybatteri i med dess avsaknad av bly och batterisyra i sig. Men det litium och en del andra material i ett litiumbatteri är inte direkt miljövänliga heller.
Mätbar kapacitet: Litiumbatterier är relativt "linjära" vilket i någon mån gör det enklare att mäta deras kapacitet med någorlunda precision. Ett blybatteri är notoriskt svårt att mäta återstående kapacitet på.

Nackdelar med ett litiumbatteri

Priset: Litiumbatterier är mycket dyrare än blybatterier. Detta gäller egentligen på alla sätt man jämför. Pris / kilo. Pris / Ah. Pris / livslängd. Det är om man är objektiv sannolikt omöjligt att räkna hem ekonomin för ett litiumbatteri jämfört med ett blybatteri. Detta kan komma att ändras med tiden men det är sannolikt ganska många år tills vi är där - om vi ens kommer dit.
Robustheten: Ett litiumbatteri är känsligt. Vid fel i användningen eller installationen så kan de "relativt enkelt" förstöras på mycket kort tid. De är därefter "skrot" och måste bytas ut. Ett blybatteri är avsevärt mycket mer robust och förlåtande (även om de också kan förstöras).
Kunskapskrävande: I och med litiumbatteriernas större känslighet för fel och deras avsevärt högre pris ställer det mycket högre krav på den som köper dem, den som säljer dem, den som installerar dem och den som använder dem. Allt måste göras rätt från dimensionering, val av utrustning, installation och därefter i användandet "varje dag" ända tills det är dags att byta dem. Ett blybatteri med sina avsevärt större toleranser ställer inte samma krav och är dessutom en teknik som är etablerad på marknaden. "Alla" vet hur man ska göra för att det ska bli tillräckligt bra. Med litiumbatterier är det många bra säljare och lycksökare men väldigt få som verkligen vet och kan.
Utbytesbatterier: Litiumbatterier ställer stora krav på samma typ, prestanda, modell och teknik inom en batteribank. Behöver man byta ett batteri så måste man få tag på ett identiskt vilket kan vara mycket svårt - speciellt för en långfärdsseglare. Behöver man byta hela litium-batteribanken "i förtid" så faller den ekonomiska kalkylen ihop som ett korthus (trots att den redan ifrån början sannolikt inte höll).
Brandrisk: Ett blybatteri är långt ifrån säkert ur ett brandperspektiv. Överladdas det ger det ifrån sig knallgas (vätgas) som lätt exploderar med risk för mycket stora skador som följd. Ett litiumbatteri består av litium som är en metall som brinner mycket bra och med extremt hög värme. Hur stor risken för en brand i ett litiumbatteri är råder det delade meningar om. Men det är i alla fall något man ska ha tänkt lite på. En vanlig brandsläckare kan INTE släcka en eventuell brand i ett litiumbatteri. I en båt betyder en brand i ett litiumbatteri med mycket stor säkerhet att batteribanken kommer att göra ett hål i botten på skrovet och därmed sjunker båten. Om detta är bättre eller sämre än en båt som exploderar på grund av knallgasen är en intressant frågeställning.
Laddström: Litiumbatterier är ofta märkta med en maximal laddström om 1-2 C (där C är batteriets Ah). De bör dock inte laddas snabbare än med 0,3 C för att undvika förtidigt åldrande i form av kapacitetsförlust genom så kallad "Lithium Plating". Lithium Plating är litiumbatteriernas motsvarighet till sulfatering för blybatterier. Maxvärden är just maxvärden och bör bara användas undantagsvis.
Lithium Plating: Förutom vid stora laddströmmar så uppstår lithium plating också vid laddning av kalla batterier samt vid laddning av fulladdade batterier. Detta är den kemiska grunden till varför livslängden på ett litiumbatteri i en långfärdsbåt med mycket stor sannolikhet inte kommer att vara så långt som säljaren säger och som krävs för att investeringen ska vara ekonomiskt lönsam.

Frågeställningar

Det är viktigt att noga tänka igenom varför man vill byta till litiumbatterier. Kan man inte svara på alla frågorna under denna rubrik så ska man nog fundera en gång till och sannolikt välja att fortsätta med blybatterier.

Litiumbatterityp? Det finns enormt många olika typer av litiumbatterier. Dessa byggs normalt ihop till batteripackar (med olika formfaktor) i olika kapslingar/storlekar och utförande. Den vanligaste litiumbatteritypen idag är Litium-Ion batterier (LiFePO4). Men även i denna batterityp varierar tekniken för hur de byggs och hur cellerna kopplas samman. Här används i första hand cylindriska eller prismatiska celler i batterierna. Man bör kontrollera vilken typ man är erbjuden, hur den är byggd och göra ett aktivt val. Andra typer av litiumbatterier än LiFePO4 kan vara aktuella men kräver då noggranna studier av dess för och nackdelar för ens aktuella behov. Noterbart är att olika litiumbatterityper har olika laddspänningar vilket därmed ställer helt olika krav på alla laddare/regulatorer ombord.
Vad är alternativet? Blybatterier finns i många olika typer och inte minst kvalitéer. Det är lätt att tänka att ett billigt fritidsbatteri ifrån Biltema är det man ska jämföra ett litiumbatteri med. Men det är troligen avsevärt mer relevant att jämföra ett kvalitets-blybatteri! Blybatterier av god kvalitet har också relativt låg självurladdning, låg inre resistans, relativt hög energidensitet, mycket längre livslängd och mycket bättre egenskaper vid laddning. Dessa kvalitetsblybatterier är då ofta lite dyrare men går ofta lätt att räkna hem ekonomiskt i alla fall.
Vad är den faktiska livslängden? Säljarna av litiumbatterier talar ofta om att de är i det närmaste oförstörbara och ska ha en livslängd på minst 20 år. Men är detta verkligen fallet i verkligheten? Har man ett litiumbatteri som innehåller elektronik så är det sannolikt att denna elektronik kommer att gå söner långt mycket tidigare än batteriet i sig gör det. Och oavsett - den långa livslängden nås bara om batteriet används optimalt. Vilket sällan eller aldrig är fallet på en långfärdsbåt. Hur ska du säkerställa att du får den livslängd du förväntar dig av litiumbatterierna?
Strömuttag? Ett litiumbatteri har en maximimal ström det kan lämna ifrån sig. Det måste skyddas för högre strömuttag annars skadas batteriet. Av detta skälet är ofta litiumbatterier olämpliga som startbatterier, till ankarspel, till elwinchar eller till andra stora förbrukare som inverters (växelriktare). Hur ska du skydda ditt litiumbatteri emot detta? Eller måste du ändå ha ett antal blybatterier ombord? Vad är då vinsten?
Urladdning? Ett litiumbatteri får under inga som helst omständigheter laddas ur under cirka 10% av sin kapacitet. Sker detta en enda gång är batteriet därefter i praktiken "skrot". Hur ska du skydda ditt litiumbatteri emot detta?
Överladdning? Ett litiumbatteri är känsliga för överladdning. För en batteribank med litiumbatterier måste säkerställas att ingen av de enheter som kan komma att ladda batterierna riskerar att överladda dem. Detta gäller både landströmsladdaren, generatorn på motorn, solcellspanelerna, vindgeneratorn och släpgeneratorn. Tänk också på att olika regulatorer ifrån olika utrustningar kan ställa till det för varandra. Hur ska du säkerställa att ingen av dina laddregulatorer gör fel i någon situation och skadar dina litiumbatterier?
Underhållsladdning? Ett blybatteri "älskar" att bli underhållsladdat. Att ha solceller eller en vindgenerator som hela tiden toppar upp batteriladdningen är en mycket bra lösning för ett blybatteri. På ett litiumbatteri är det tvärtom. Det ska/får inte underhållsladdas på det viset. Gör man det kommer så kallad lithium plating att uppstå som minskar batteriets kapacitet.
Cellbalansering? Beroende på val av litiumbatterier och deras konstruktion så krävs/rekommenderas ofta någon form av utrustning för cellbalansering för att enskilda celler inte ska överbelastas vid laddning. Ofta hanteras detta av ett så kallat BMS (Battery Management System). Det finns idag tillverkare av litiumbatterier som säger att deras batterier inte kräver BMS. Frågan är dock vad detta innebär för livslängden på deras batterier. Ett väl fungerande och väl anpassat BMS är sannolikt viktigt att ha. Men det kostar pengar och består av mycket elektronik. Vissa batteripackar har istället för ett BMS ett så kallat PCM (Protection Circuit Module). BMS ska inte förväxlas med PCM vilket försäljare ofta gör i sin marknadsföring. Utan att gå in på alla detaljer så är PCM mer ett skydd av cellerna i batteripacken medan BMS aktivt vårdar cellerna. Hur tänker du kring frågan om cellbalansering?

Cellbalansering innebär: Ett 12V litiumbatteri består av 4 celler och dessa bör laddas med max 3,65V. Det ger 4 x 3,65 = 14,6V. Här kan man tro att en "vanlig blyladdare" kan fungera, men inget kunde vara mer fel! Det inte 14,6V som är viktigt utan max 3,65V i varje cell! Det vill säga utan ett BMS har man ingen koll på om en cell får över 4V volt och övriga mindre, även om totala laddningen är 14,6V. Laddaren måste själv eller med hjälp av ett BMS också kunna styras så den slår av när batterierna är nära 80-900% av SOC (State of Charge = % av maxkapaciteten).
Laddspänning? Litiumbatterier har inte riktigt samma ideala laddspänning som ett blybatteri. Kraven på exakt styrning av laddspänningen är också mycket högre för ett litiumbatteri än för ett blybatteri. Oftast innebär detta att man måste skaffa särskilt anpassade laddare till ett litiumbatteri för att få ut full "nytta" av litiumbatteriet och säkerställa att det får en laddspänning som inte minskar dess livslängd. Hur säkerställer du detta?
Konstant laddning? Ligger du mycket på landström så måste landströmsladdaren säkerställa att litiumbatterierna laddas på rätt sätt och inte över 80%. I praktiken innebär detta att man normalt måste frikoppla båtens alla förbrukare ifrån batteribanken om man lever ombord samtidigt som man laddar litiumbatterierna. Annars kommer landströmsladdaren aldrig att förstå att batterierna har laddats lagom mycket utan litiumbatterierna kommer att överladdas. Båtens övriga förbrukare måste under tiden strömförsörjas via någon form av nätaggregat istället för batteribanken då den laddas. Hur ska du anordna detta?
Ökad belastning på laddregulatorer? Litiumbatterier "tycker om att laddas". Därmed så kommer belastningen på de laddregulatorer som laddar batterierna att bli mycket högre än vad som är fallet då blybatterier används. Är dessa regulatorer anpassade för det? Är kablarna och anslutningarna dimensionerade för det? Är ventilationen tillräcklig för det (så att överhettning inte sker)?
Befintligt 12V-system/laddare? Hur mycket av det befintliga elsystemet måste bytas ut, byggas om, dimensioneras om eller uppgraderas för att det samlade elsystemet ska vara väl anpassat till de nya batterierna? Risk är att bytet till litiumbatterier blir minst 100% dyrare än vad själva batterierna kostar då mycket annat måste bytas ut samtidigt för att inte riskera att få en väldigt kort livslängd på litiumbatterierna.
Toppladdningsbatteri? Ett sätt att hantera laddningsproblemet är att ha kvar en blybatteribank som tar över när litiumbatteriet är fulladdat eller inte ska användas. Frågan är då hur denna blybatteribank ska laddas? Ska all ladd-utrustning vara mer eller mindre dubblerad?
Laddning av kvarvarande blybatterier? Vid byte till litiumbatterier kvarstår problemet med de eventuella riktigt stora förbrukarna (tänk bogpropeller). Hur ska dessa batterier laddas? Denna punkt är hårt kopplad till punkten Toppladdningsbatterier ovan.
Laddningsregulatorer? Oavsett vad som laddar litiumbatterierna så måste dess regulator vara anpassad vad gäller laddström, laddspänning, laddningsmetodik för litiumbatteribanken som är anskaffad. Kan de befintliga programmeras/konfigureras om eller måste de bytas ut? Kan de anpassas så väl efter varandra att de inte börjar konkurrera och ställa till problem för varandra?
"Sulfatering"? Ett blybatteri sulfaterar och tappar effekt med tiden. Ett litiumbatteri har inget svavel i sig så just det problemet uppstår inte. I ett litiumbatteri har man istället så kallad lithium plating. Denna kan man nästan helt undvika om man gör allt rätt. Men i ett litiumbatteri efter några års bruk med relativt låga strömuttag (av max), för mycket laddning, undersladdning (från exempelvis solceller) och inga eller få "ordentliga" laddningar som batterierna är byggda för kommer lithium plating att uppstår. Litiumbatteriet tappar då allt mer sina fördelar över tid rent kemiskt om det inte finns lösningar som förhindrar detta ombord.

Slutsatser

Att i en långfärdssegelbåt investera i ett utbyte till litiumbatterier är extremt svårt att räkna hem ekonomiskt. Inte ens på 20 års livslängd på litiumbatterierna brukar man komma nära. Och då är livslängden 20 år sannolikt nära nog omöjlig att nå upp till med bibehållna fördelar.

Inför det batteribyte vi gjorde 2013 i Tootiki analyserade vi länge litiumbatterier men vi valde då att inte byte till litiumbatterier. Vi hade fattat samma beslut idag - men nu med ännu fler argument emot än vad vi då hade.

Läs mer om vad och varför vi valde som vi gjorde då här.

Med detta sagt så är hela denna artikel skriven av någon som inte är överdrivet positiv till litiumbatterier i en långfärdssegelbåt. Därav att ett antal frågor ställs i artikeln. Säkerställ att alla som är inblandade i installationen är helt införstådd med frågorna, besluten utifrån frågorna och konsekvenserna för respektive part utifrån de beslutade svaren på frågorna. Säkerställs inte detta är det mycket stor risk att installationen inte alls blir som förväntat med stora driftproblem och kostnader som följd.

Benäget stöd av...

Grunderna till all information i denna artikel finns att finna på internet om man letar. Och letar man ännu lite till finns ännu mer information. Jag väljer att inte länka till specifika sidor då Google finns och den som vill läsa mer bör sätta sig in i frågeställningarna snarare än att bara använda några länkar jag har valt.

Jag har också diskuterat litiumbatterier med många. Särskilt initierade diskussioner och synpunkter har jag haft med Björn och Annika på Moon som har en webbsida här: https://www.sailaround.info/.

Göteborg, 2019-12-04
Thomas Lundgren

Ps. Jag kör för övrigt privat en elbil (Tesla Model S). Så även om jag är skeptisk till litiumbatterier i en båt är jag extremt positiv till dem i elbilar. Ds.

Pss. Ta allt som står i denna artikel som mina personliga åsikter. Men för att inte den helt lätt ska bli ratad som tyckande så är jag utbildad elingenjör och har arbetat med elinstallationer i närmare 30 år och besitter därmed i alla fall en viss teoretisk kompetens inom området. Ds.

Psss. Litiumbatterier utvecklas hela tiden. Det kan mycket väl komma en dag där många av de problem som idag måste hanteras inte längre är ett problem. Den dagen kommer jag garanterat att byta till litiumbatterier i Tootiki. Men än så länge är vi långt därifrån! Ds.