Oplaadbare batterij

Oplaadbare batterijen zijn elektrochemische cellen die stroom leveren voor onder andere zaklampen en andere draagbare apparatuur. In tegenstelling tot gewone batterijen kunnen ze worden opgeladen door er een elektrische spanningsbron op aan te sluiten, waardoor de chemische processen in de batterij zich in omgekeerde richting voltrekken vergeleken met het ontladen. Het zijn dus eigenlijk geen batterijen, maar batterijvervangende accu's. Dit betekent dat de afmetingen overeen moeten komen met de standaardbatterijen, alsook de spanning. De externe spanningsbron wordt batterijlader of kortweg lader genoemd.

De accutechnologie heeft de laatste decennia een enorme ontwikkeling doorgemaakt en mede daardoor zijn laptops en mobiele telefoons mogelijk geworden. Voor deze toepassingen worden accu's gebruikt met droge cellen die geheel zijn afgesloten.

Batterijvervanging

De eerste typen batterijvervangende accu's waren gebaseerd op nikkel-cadmium. Deze cel heeft een aanmerkelijk lagere spanning (1,2 V) dan de traditionele batterij gebaseerd op zink (1,5 V). De spanning bij gebruik van de zinkcel is echter in de praktijk lager. (Bijvoorbeeld, in een 4,5 volt zaklamp worden 3,5 volt lampjes gebruikt.) Hierdoor voldeed de nikkel-cadmiumcel redelijk. Voor veeleisende toepassingen waarvoor alkalinecellen worden aangeraden zoals digitale camera's, waren ze slecht bruikbaar. De nieuwere nikkel-hydrideaccu's hebben een iets hogere spanning (boven 1,4 V) en kunnen overal met succes worden ingezet. Overigens worden nikkel-cadmiumaccu's steeds minder gebruikt vanwege de grote giftigheid. De nieuwere lithium-ionaccu's kunnen helemaal niet als vervanging voor een batterij worden gebruikt, evenmin als lood-accu's, doordat de spanning veel te hoog is.

Soorten accu's

In volgorde van toenemende compactheid en prijs gaat het om:

Type	Kathode	Anode	Elektrolyt	Opmerking	Toepassingsvoorbeeld	Energie-dichtheid (Wh/kg)	Vermogens-dichtheid (W/kg)
Loodaccu (Pb)	lood(IV)oxide (PbO2)	lood (Pb)	Zwavelzuur	hoog belastbaar	auto's	30	75
Nikkel-cadmium (Ni-Cd)	nikkelhydroxide	cadmium	Pasta van KOH	hoog belastbaar, snel oplaadbaar; kwaliteit gaat achteruit als hij herladen wordt voor hij leeg is (geheugen-effect)	snoerloos gereedschap	45	200
Nikkel-metaalhydride (NiMH)	metaallegering	nikkel/metaalhydride	Pasta van KOH	hogere energiedichtheid, cadmiumvrij, tamelijk hoge zelfontlading	snoerloos gereedschap, laptops, mobiele telefoon	60	175
Nikkel-waterstof (NiH2)	nikkelhydroxide	platinazwart	Kaliumhydroxide	hoog belastbaar, hogere energiedichtheid, cadmiumvrij, lange levensduur	satelliet, ruimtesonde	75	?
Lithium-ion (Li-ion)	lithiumverbindingen	grafietmassa	Lithiumzout in oplossing	hoge energiedichtheid, lage zelfontlading, korte levensduur	laptops, modelvliegtuigen, mobiele telefoons	140	180
Lithium ion polymeer	lithiumverbindingen	grafietmassa	kaliumhydroxide	hoogste energiedichtheid (hoger dan li-ion), lage zelfontlading, korte levensduur	laptops, modelvliegtuigen, mobiele telefoons	130	300
Natriumzwavel (NaS)	natrium	zwavel	Aluminium- en natriumoxide	onbeperkt herlaadbaar, moet op hoge temperatuur worden gehouden	experimenteel	117 (400 Wh/dm³)	(53 W/dm³)
Lithium-zwavel-accu (Li-S)	lithium	zwavel	CF3LiO3S in C4H8O2S	relatief licht: 1 kg/l	elektrisch vliegtuig	350	350

Sommige apparaten (bijvoorbeeld telefoons) worden geleverd met een accublok volgens specificaties van de fabrikant. Vervanging is vaak duur. Zo'n accublok bevat echter vaak NiCd- of NiMH-accu's van het standaardformaat.

Loodaccu

Zie Loodaccu voor het hoofdartikel over dit onderwerp.

Het oudste type accu, dat nog steeds gebruikt wordt, is de loodaccu, ook wel lood-zwavelzuurbatterij of lood-zuurbatterij genoemd. Doordat de spanning niet overeenkomt met die van standaard batterijen kan deze niet gebruikt worden als vervanger van een eenmalige batterij. Deze is van het natte-celtype en bevat vloeistoffen in niet-afgesloten containers, zodat de accu te allen tijde rechtop dient te staan. De ruimte waarin hij zich bevindt moet goed geventileerd worden, vanwege de explosieve combinatie van zuurstof en waterstof die vrijkomt als de accu wordt overladen. De lood-zuuraccu is ook relatief zwaar in verhouding tot de hoeveelheid energie die hij kan leveren. De energiedichtheid van dit soort accu is het laagst van alle oplaadbare accu's: 30 Wh/kg. Ook de vermogensdichtheid is het laagst: 75 W/kg accu. De energiedichtheid geeft aan hoeveel energie er per kilogram accu opgeslagen kan worden. De vermogensdichtheid staat voor de arbeid per seconde die de accu per kilogram kan leveren. Bij deze accu beide niet veel. Desondanks wordt dit type accu veel gebruikt, vooral vanwege de lage productiekosten en de grote elektrische stroom die hij kan leveren. Een duurder type lood-zuurbatterij, de gelbatterij, bevat een elektrolyt die is geïmmobiliseerd in de vorm van gel.

Nikkel-cadmium (NiCd)

Zie Nikkel-cadmium-accu voor het hoofdartikel over dit onderwerp.

De NiCd-accu is een droge accu. Dit betekent dat er geen vloeistoffen in de accu aanwezig zijn. Het grootste nadeel van de NiCd-batterijen is het gebruik van het giftige cadmium.

De NiCd-batterijen hebben last van het zogenaamde geheugeneffect: wanneer een NiCd-batterij steeds opgeladen wordt, terwijl de batterij nog niet goed ontladen was, dan neemt uiteindelijk de capaciteit af. De twee grootste voordelen van cadmiumaccu's zijn: Goedkoper dan andere accu's en de hoogst af te geven stroom. Cadmiumaccu's zijn veel beter te gebruiken in bijvoorbeeld elektrisch gereedschap met een zwaar belaste elektromotor. De energiedichtheid van NiCd-accu's is laag: 45 Wh/kg accu. Daarentegen is de vermogensdichtheid van dit soort accu's het hoogst: 200 W/kg. Vanaf 2006 werden steeds minder NiCd-batterijen gebruikt en won NiMH terrein.

Nikkel-metaalhydride (NiMH)

Zie Nikkel-metaalhydride-accu voor het hoofdartikel over dit onderwerp.

De NiMH-batterijen hebben veel minder last van het geheugeneffect zoals NiCd-batterijen. De NiMH-batterijen kunnen echter minder goed tegen te lage en te hoge temperaturen. Bij lage temperaturen verliest de batterij zijn lading en bij hoge temperaturen raakt de batterij beschadigd. Bij welke temperatuur dat gebeurt hangt sterk af van het merk en de kwaliteit. Een NiMH-batterij kan beter niet volledig ontladen worden. Bij elektronische apparatuur is dat geen probleem, doordat deze apparatuur zichzelf tijdig uitschakelt, maar bij een zaklantaarn met een gloeilampje kan de batterij volledig ontladen worden. Bij goed gebruik gaat de NiMH-batterij veel langer mee dan een NiCd-batterij. De energiedichtheid van Ni-MH accu's ligt tussen die van NiCd-accu's en Li-ionaccu's in: 60 Wh/kg. De vermogensdichtheid is het laagst van de 3 soorten: 175 W/kg.

De eerste NiMH-batterijen konden weinig stroom leveren en hadden een lage capaciteit. In de jaren 2000 tot 2006 verbeterde de capaciteit en de te leveren stroom sterk voor batterijen van dezelfde grootte. Er kwamen accucellen beschikbaar met een capaciteit van 15 Ah.

Doordat de gewone NiMH- en de NiCd-batterijen een vrij grote zelfontlading hebben, zijn deze niet geschikt voor apparaten die maar weinig stroom gebruiken (zoals afstandsbedieningen en klokken). Vanaf 2008 zijn er echter verschillende soorten van deze NiMH-batterijen met een veel lagere zelfontlading te koop, vaak aangeduid met de generieke Engelse term "low self discharge" of de afkorting "LSD", die wel voor dit type toepassing geschikt zijn. Voorbeelden van LSD-NiMH batterijen zijn de Recyko+ serie van fabrikant GP, de Eneloop-serie van fabrikant Sanyo, de Imedion-serie van Maha. Overigens kunnen de LSD-varianten gewoon in een standaard NiMH-lader opgeladen worden. Na een jaar zonder gebruik heeft een opgeladen LSD-NiMH-accu nog ongeveer 85 procent van de originele capaciteit beschikbaar, terwijl een normale NiMH tegen die tijd door zelfontlading helemaal leeg is.

Lithium-ion (Li-ion)

Zie Lithium-ion-accu voor het hoofdartikel over dit onderwerp.

De Li-ionaccu kan meer lading bevatten dan de NiCd- en de NiMH-batterij. Per kilogram accu kan de grootste hoeveelheid energie opgeslagen worden (140 Wh/kg). In het laboratorium kan bij een testopstelling de Li-ionaccu ook veel vaker opgeladen worden. Een duurdere constructie met een polymeer heeft nog betere eigenschappen. Met name de vermogensdichtheid ligt een stuk hoger: 300 W/kg. Dat betekent dat er veel energie in korte tijd geleverd kan worden.

In de praktijk blijkt de Li-ion echter kwetsbaar. Bij veel apparaten zit een Li-ionaccu vast ingebouwd. Indien de batterij stuk gaat, is het niet altijd rendabel om nog een nieuwe accu te kopen. Vanwege de chemische samenstelling is het mogelijk dat Li-ionaccu's bij een defect tot zelfontbranding komen. Daarbij komt zuurstof vrij waardoor er flinke steekvlammen kunnen ontstaan. Maar wanneer de originele lader voor de Li-ionaccu gebruikt wordt en de accu wordt gebruikt waar hij voor bedoeld is, is de kans op schade zeer klein. Een ander (minder bekend) nadeel is dat de Li-ionaccu zijn capaciteit al begint te verliezen, onmiddellijk nadat hij gefabriceerd is. Bij 25 graden Celsius is dit ongeveer 20 % per jaar en dit loopt op bij hogere temperaturen. Door dit chemisch verval gaat bijvoorbeeld een laptopaccu slechts 3 tot 5 jaar mee.

Natrium-zwavel (NaS)

Zie Natrium-zwavel-accu voor het hoofdartikel over dit onderwerp.

Deze heeft een vast elektrolyt en vloeibare elektroden. De elektroden zijn van natrium (min) en zwavel (plus). Het elektrolyt is van aluminium- en natriumoxide, Deze accu kan onbeperkt worden geladen en ontladen zonder dat de levensduur vermindert.

Een groot nadeel is echter dat de accu op een hoge temperatuur moet worden gehouden, minstens 300 graden, ook als de accu niet in gebruik is. De accu is daarom voorzien van weerstandsdraden die door de accu zelf gevoed moeten worden. Het spreekt vanzelf dat de accu hierdoor een hoge zelfontlading heeft.

Zie ook

• Accu (doorverwijzing).
• Batterijlader

Externe link

• www.electricitystorage.org Natrium-zwavel

  Zie ook de categorie met mediabestanden in verband met Electric batteries op Wikimedia Commons.