Batterijen in alle soorten en maten

Batterijen: onmisbaar in onze maatschappij

Wat zouden we zijn zonder batterijen? In haast elk mobiel elektronisch apparaat vind je een batterij. De batterijtechnologie heeft de laatste tientallen jaren enorme vorderingen gemaakt. Naast de niet-oplaadbare wegwerpbatterij heeft de oplaadbare batterij, ook wel accu genoemd, een belangrijke positie in de markt verworven.

 

batterij

 

Een duik in de geschiedenis

Het was Alessandro Volta die rond 1800 de “zuil van Volta” ontwikkelde, die wordt beschouwd als de eerste batterij. De zuil van Volta bestond uit een kolom met afwisselend koperen en zinken schijfjes, van elkaar gescheiden door vilt dat was gedrenkt in een zoutoplossing. Carl Gassner ontwikkelde in 1881 de eerste droge zink-koolstofcel, waarop het principe van de zink-koolbatterij is gebaseerd. Rond 1950 werd de (niet-oplaadbare) alkalinebatterij geïntroduceerd. De voorloper van de autoaccu werd reeds in 1859 gebouwd door Gaston Planté. Dit was de eerste oplaadbare accu op basis van loodplaten en een zuur als elektrolyt. Waldemar Jungner kreeg al in 1901 een patent op de eerste oplaadbare nikkelcadmiumaccu. De nikkelcadmiumaccu kreeg in de loop van de jaren negentig meer en meer concurrentie van de nikkelmetaalhydride-accu. Op het einde van de jaren negentig kwam de lithiumionaccu op de markt, die nu algemeen wordt toegepast in allerlei elektronische apparatuur. De lithiumionaccu is tegenwoordig de oplaadbare batterij die de meeste elektrische energie in het kleinste volume kan opslaan.

 

Werkingsprincipe van een batterij

Een batterij is een bron van elektrische energie. Naargelang de spanning die een batterij moet geven, is deze samengesteld uit één of meerdere galvanische cellen. Een galvanische cel of elektrochemisch element bestaat steeds uit twee elektroden en een elektrolyt. Door chemische werking ontstaat er een spanningsverschil tussen de elektroden. Als een belasting wordt aangesloten op de elektroden, kan er een stroom vloeien. Hoe meer galvanische cellen in serie worden geschakeld, hoe hoger de spanning van de batterij wordt. Door het parallel schakelen van galvanische cellen vergroot men de capaciteit van een batterij. Het spanningsverschil over de elektroden is afhankelijk van de toegepaste materialen.

 

Niet-oplaadbare batterijen

Voorbeelden van niet-oplaadbare batterijen zijn de zink-koolbatterij en de alkalinebatterij. Bij de zink-koolbatterij bestaat de positieve pool uit een bruinsteenmassa waarin een koolstofstaaf als geleider zit. De negatieve pool wordt gevormd door het zinken omhulsel van de batterij. Als elektrolyt wordt salmiakzout of een zinkchlorideoplossing gebruikt. Deze batterij geeft een spanning van 1,5 V. Zink-koolbatterijen worden nog toegepast, maar zijn meestal vervangen door alkalinebatterijen. De alkalinebatterij heeft als negatieve pool zinkpoederpasta, terwijl de positieve pool bestaat uit een koolstofstaaf en mangaanoxide. Dankzij het veel grotere zinkoppervlak van de zinkpoederpasta, kan de alkalinebatterij 3,5 keer meer energie leveren. Bij beide batterijtypes zijn de chemische processen die tijdens het ontladen optreden, niet omkeerbaar. Deze batterijen kunnen dus niet opnieuw geladen worden.

 

Oplaadbare batterijen of accu’s

Bij oplaadbare batterijen of accu’s zijn de elektrochemische reacties in de batterij wel omkeerbaar. Als men een elektrische laadstroom laat vloeien door een oplaadbare batterij, worden de oorspronkelijke stoffen terug hersteld en zet men dus elektrische energie terug om in chemische energie.

• De bekendste oplaadbare batterij is ongetwijfeld de autoaccu. Een autoaccu is een voorbeeld van een loodbatterij. De loodbatterij maakt gebruik van lood en loodoxide als elektroden, terwijl zwavelzuur de elektrolyt is. In geladen toestand bestaat de negatieve pool uit zuiver lood en de positieve pool uit loodoxide. Als de geladen batterij stroom levert, worden zowel lood als loodoxide omgezet in loodsulfaat en water. Door de batterij terug te laden, worden de oorspronkelijke stoffen lood en loodoxide terug hersteld. Naast de ‘natte’ loodaccu’s waarin een vloeibaar elektrolyt wordt gebruikt, komen ook ‘droge’ gelaccu’s voor. Deze ‘droge’ accu’s kunnen in eender welke positie gebruikt worden voor allerlei toepassingen, ook in elektronische apparaten. Eén loodcel levert een spanning van 2 V. Door meerdere cellen in serie te schakelen, bekomt men hogere spanningen: bijvoorbeeld 6 V of 12 V.
• De nikkelcadmiumaccu (NiCd-accu)werd reeds ontwikkeld in het begin van de twintigste eeuw. Deze accu bestaat uit een elektrode van cadmium en een elektrode van nikkeloxyhydroxide. De elektrolyt is een oplossing van kaliumhydroxide. De nikkelcadmiumaccu wordt veel toegepast in apparaten die een hoge stroomsterkte vragen, bijvoorbeeld boormachines. Het nadeel van deze accu is het gebruik van het giftige en milieuonvriendelijke cadmium. Bovendien heeft dit type batterij last van het zogenaamde ‘geheugeneffect’: als de batterij opnieuw geladen wordt terwijl ze niet volledig ontladen was, verliest ze een deel van haar capaciteit. Een NiCd-cel levert een spanning van 1,2 V. Door serieschakeling van cellen kan men bijvoorbeeld een batterij met een spanning van 7,2 V bekomen.
• De nikkelmetaalhydride-accu (NiMH-accu): deze accu is de milieuvriendelijke opvolger van de nikkelcadmiumaccu. De elektrode van cadmium werd vervangen door een metaallegering die waterstof kan absorberen of loslaten. Deze accu heeft veel minder last van het geheugeneffect. Tegenwoordig wordt de NiCd-accu meer en meer vervangen door de NiMH-accu. De celspanning van een NiMH-accu bedraagt eveneens 1,2 V.
• De lithiumionaccu (Li-ionaccu): dit type batterij vind je tegenwoordig in vrijwel elke mobiele telefoon. De lithiumionaccu is op heden de batterij met de hoogste energiedichtheid. Bij dit type accu bestaat de negatieve elektrode uit een koolstof-lithiumlegering. De positieve elektrode is mangaan- of kobaltoxide. De toegepaste elektrolyt kan bestaan uit een organische stof of een polymeer. De celspanning van een lithiumionaccu bedraagt zo’n 3,6 tot 3,8 volt.

 

Het laden van een accu

Om een batterij te laden, wordt ofwel een constante spanning, een constante stroom of een combinatie van beide gebruikt. Bij snelladen gebruikt men een hoge laadstroom, waarbij echter de conditie van de batterij goed in de gaten moet gehouden worden. Snelladen gebeurt meestal met microprocessor gestuurde laders, die de spanning over de batterij voortdurend meten en het laadproces tijdig beëindigen.

 

Verdere evolutie

Het sterk toegenomen gebruik van smartphones en andere mobiele apparaten vraagt om kleine batterijen met een hoge capaciteit. De technologische ontwikkeling van nieuwe batterijtypes gaat daarom nog steeds verder. Fabrikanten blijven zoeken naar methoden om nog meer energie in een nog kleinere batterij te proppen!

Add a Comment

Het e-mailadres wordt niet gepubliceerd. Vereiste velden zijn gemarkeerd met *