Hoe werkt een batterij?

Celspanning

De elektrische Spanning over een cel is een materiaaleigenschap die wordt bepaald door het type actief materiaal waaruit anode en kathode bestaan. Veel elektrode-materialen worden in tabellen met een standaardpotentiaal vermeld. Dit is de basis voor de Celspanning. Zo heeft bijvoorbeeld een NiCd-cel 1,2 volt en een lithium-ioncel 3,6 volt.

Wanneer de cel wordt belast, krijg je een lagere Spanning en wanneer de cel wordt opgeladen, krijg je een hogere Spanning. Er worden verschillende begrippen gebruikt: rustspanning, nominale Spanning, werkspanning, eindspanning, laadspanning. Voor een loodaccu is bijvoorbeeld de rustspanning 2,1 volt, de nominale Spanning 2,0 volt, de werkspanning 2,0 – 1,75 volt, de eindspanning 1,75 volt en de laadspanning 2,5 volt.

capaciteit

De capaciteit van een cel wordt bepaald door de hoeveelheid actief materiaal en is de totale hoeveelheid elektriciteit in de elektrochemische reactie, uitgedrukt in Coulomb (As) of ampère-uur (Ah). Dat wil zeggen het aantal elektronen dat bij volledige ontlading van de anode naar de kathode stroomt.

Energie

De elektrische Energie van een cel is de Spanning vermenigvuldigd met de capaciteit en de eenheid voor Energie is wattuur (Wh). Zo heeft een lithiumcel met een Spanning van 3,5 volt en een capaciteit van 3 Ah een Energie van 10,5 VAh of Wh. Vaak worden celeigenschappen tussen verschillende Batterijen vergeleken op basis van de Energie die de cellen hebben per gewichtseenheid of per volume-eenheid. Gebruikelijk zijn waarden voor hoeveel Energie er in één kilo cel of één liter cel past. De eenheid heet energiedichtheid en heeft de eenheid Wh/kg of Wh/liter.

Effect

Het Effect van een cel wordt berekend als de Spanning vermenigvuldigd met de stroom en wordt gemeten in de eenheid watt (W). Het Effect is tijdsafhankelijk. Als de cel met een hoge stroom wordt ontladen, krijg je een hoog Effect, maar de capaciteit wordt snel verbruikt en de ontlading duurt niet zo lang. Als een lithiumcel zoals hierboven met 3 A wordt ontladen, krijg je een Effect van 10,5 W en kan de ontlading een uur duren. Als dezelfde cel met 10 A wordt ontladen, krijg je een Effect van 30 W, maar de ontlading kan dan slechts ongeveer 15 minuten duren.

In cellen is er een inwendige weerstand die volgens de wet van Ohm een stroomafhankelijk spanningsverlies veroorzaakt. Het spanningsverlies over de cel tijdens ontlading is ook belangrijk voor het Effect. Ook Effecten kunnen per gewichtseenheid of per volume-eenheid worden vergeleken; de vermogensdichtheid heeft dan de eenheid W/kg of W/liter.

Celanalogie

De elektrische eigenschappen van een cel zijn te vergelijken met twee watertanks die met een buis zijn verbonden. De Spanning is dan het drukverschil tussen de tanks (hoogteverschil) en de capaciteit is de hoeveelheid water die uit de ene tank in de andere wordt geleegd. De stroom is de waterstroom door de buis die de tanks met elkaar verbindt. De Energie is het totale werk dat de hoeveelheid water en het drukverschil kan verrichten. Het Effect is het momentane werk dat het water verricht. Hoge stroom (Effect), veel water met een buis met grote diameter.

Serie- en parallelschakeling.

Cellen worden vaak tot een Batterij samengekoppeld wanneer die gebruikt moet worden, bijvoorbeeld in een auto. Als de cellen in serie worden geschakeld, neemt de Spanning toe; dan verbind je de pluspool met de minpool van de volgende cel, enzovoort.  Zes in serie geschakelde loodcellen van 10 Ah geven 12 volt, 10 Ah. Als de cellen parallel worden geschakeld, neemt de capaciteit toe; dan verbind je pluspool met pluspool en minpool met minpool. Zes parallel geschakelde loodcellen geven 60 Ah en 2 volt.

In de analogie met de watertanks worden 6 stuks in serie geschakeld door elk tankpaar boven elkaar te plaatsen; de druk (Spanning) neemt toe met de hoogte. Als 6 tankparen op hetzelfde niveau staan met een gemeenschappelijke buis, heb je een parallelschakeling, meer water (capaciteit).

 

Algemeen over primaire Batterijen

Primaire Batterijen, of niet-oplaadbare cellen, worden gebruikt in elektrische apparatuur zoals zaklampen, muziekspelers, hoortoestellen, klokken, speelgoed, communicatieapparatuur, enzovoort. Primaire Batterijen zijn eenvoudig te gebruiken, hebben een redelijk goede Energie- en vermogensdichtheid, zijn betrouwbaar en hebben redelijke kosten.

Primaire Batterijen zijn er in de vorm van kleine knoopcellen tot grote cellen die als noodstroom worden gebruikt. Veelgebruikte primaire cellen zijn Wegwerpbatterij van de typen AA, AAA, C en D.

Het meest voorkomende type primaire Batterij is de Alkalinebatterij; dit is het type Batterijen dat je tegenwoordig in alle winkels kunt kopen en dat wordt gebruikt in consumentenproducten zoals camera’s, flitsers, muziekspelers, radio’s, zaklampen en dergelijke.

Vroeger werden bijna uitsluitend brunstensbatterijen gebruikt, die de voorloper zijn van de Alkalinebatterij. Een ander type primaire Batterijen dat steeds gebruikelijker wordt, zijn knoopcellen. Zoals de naam al aangeeft, is de Batterij uitgevoerd als een knoop of samengesteld uit meerdere cellen tot een Batterij. Knoopcellen worden gebruikt in klokken, rekenmachines, elektronisch speelgoed en in hoortoestellen.

Historisch gezien is zink heel gebruikelijk geweest als anodmateriaal in primaire Batterijen en komt het bijvoorbeeld voor in brunstensbatterijen, zilveroxide-zinkbatterijen en Zink-luchtbatterij. De laatste tijd is ook metallisch lithium, dat de hoogste energiedichtheid en de hoogste Spanning van alle metalen heeft, veelgebruikt als anodmateriaal. Als kathodemateriaal worden verschillende metaaloxiden gebruikt, zoals mangaan- en zilveroxide, terwijl het elektrolyt meestal waterig is.

De Spanning van een zinksysteem ligt rond 1,5 volt en voor lithiumsystemen boven 3 volt. Voor primaire Batterijen is de energiedichtheid ontwikkeld van ongeveer 50 Wh/kg tot meer dan 500 Wh/kg.

Belangrijke eigenschappen naast Spanning en energiedichtheid zijn levensduur, kosten, temperatuur- en vermogenseigenschappen.

Levensduur of Zelfontlading is ook belangrijk, omdat primaire cellen vaak in de apparatuur blijven zitten of lange tijd worden opgeslagen. De levensduur tussen verschillende Batterijtypen kan variëren van een jaar tot wel twintig jaar. Ook de temperatuureigenschappen verschillen per type; vaak verslechteren de eigenschappen bij lage temperatuur en bij hoge temperatuur kan de cel beschadigd raken. De vermogenseigenschappen variëren sterk tussen de verschillende typen; de Zink-luchtbatterij, die zuurstof uit de lucht als kathode gebruikt, is gemaakt voor zeer kleine vermogens met lage stroom gedurende lange tijd.

Algemeen over secundaire Batterijen

Lood-zuur (PbA), nikkel-metaalhydride (NiMH), nikkel-cadmium (NiCd) en lithium-ion (Li-ion) zijn de meest voorkomende typen oplaadbare Batterijen. De toepassingsgebieden variëren sterk, van kleine Batterijen in consumentenelektronica, mobiele telefoons enzovoort tot grote stationaire installaties van industriële Batterijen, bijvoorbeeld noodstroom in kerncentrales. Onderzeeërs gebruiken Batterijen voor de aandrijving onder water; deze Batterijen hebben tot 10 MWh Energie. In een installatie in Fairbanks in Canada wordt gesproken over ’s werelds grootste Batterij als noodstroom voor de stad als de stroomvoorziening vanuit Anchorage zou uitvallen. De Batterij heeft meer dan 60 MWh Energie en kan een vermogen van 46 MW leveren gedurende 5 minuten. De Batterij is geleverd door de Zweedse fabriek SAFT in Oskarshamn.

Voor oplaadbare Batterijen zijn de cycluseigenschappen een belangrijke eigenschap; met cycling wordt een ontlaad- en een laadcyclus bedoeld. Vaak wordt de Levensduur aangegeven in het aantal cycli dat een Batterij kan ondergaan.

Tegelijkertijd vereisen oplaadbare Batterijen vaak enig onderhoud; sommige loodaccu’s vereisen dat je water bijvult na een bepaalde gebruiksperiode. In een oplaadbare cel met een waterig elektrolyt kan ontleding van water een nevenreactie zijn. Dan wordt water gesplitst in zuurstofgas en waterstofgas, die uit de cel worden geventileerd. Dit water moet dan worden aangevuld. Er worden onderhoudsvrije cellen ontwikkeld waarbij het waterverbruik wordt geminimaliseerd of in de cel wordt gerecombineerd.

Loodaccu’s zijn nog steeds het dominante systeem en de auto-accu is de meest voorkomende Batterij. Andere veelvoorkomende toepassingen zijn motor accu, vrachtwagenaccu’s, tractiebatterijen voor vorkheftrucks in magazijnen, stationaire Batterijen als noodstroom in tele- en elektrische installaties en UPS-Batterijen voor ononderbroken stroomvoorziening.

Het is tegenwoordig verboden om NiCd-accu als huishoudbatterijen voor consumentenelektronica te verkopen, dus kleine NiCd- Batterijen. NiCd-accu voor industriële doeleinden worden nog steeds geproduceerd en verkocht. Fabrikanten van grote industriële Batterijen hebben controle over de inzameling en recycling van de Batterijen, terwijl huishoudbatterijen vaak bij het afval belanden en in het milieu terechtkomen.

Als milieuvriendelijk alternatief zijn NiMH-accu ontwikkeld. Deze worden tegenwoordig op grote schaal gebruikt in consumentenelektronica zoals handgereedschap, scheerapparaten enzovoort. Een ander groot toepassingsgebied van NiMH- Batterijen is in hybride voertuigen.

Lithium-ionbatterijen zijn het Batterijsysteem waarvan productie en gebruik het snelst toenemen. Tien jaar geleden waren NiMH-Batterijen gebruikelijk in mobiele telefoons en laptops; tegenwoordig is dat vrijwel 100% lithium-ion. Dankzij de hoge Energie-inhoud wordt de lithium-ionbatterij gebruikt in bijna alle consumentenelektronica: smartphones, tablets, fotoapparatuur enzovoort. De huidige tablets zouden nauwelijks mogelijk zijn geweest zonder deze Batterijen. Tegelijkertijd wachten en bereiden de grote Batterijproducenten zich voor op de doorbraak in de elektrificatie van voertuigen met hybride voertuigen, plug-in hybrides en elektrische voertuigen. De elektrificatie van voertuigen betekent zeer grote productievolumes. Ook deze ontwikkeling is gebaseerd op de lithium-ionbatterij. De jaarlijkse toename van het productievolume ligt op 15 – 20% en de kosten dalen met 5 – 10% per jaar.

Verschillende Batterijtypen

Brunstensbatterij

Droge cel, zink-grafiet of Leclanché zijn allemaal namen voor hetzelfde elektrochemische systeem, de brunstensbatterij.

De brunstenscel werd in de 19e eeuw ontwikkeld, maar zag er toen heel anders uit, met glazen vaten en vloeibaar elektrolyt. De cel werd in de loop van de tijd ontwikkeld en de zinkmantel werd het vat en het elektrolyt werd in een massa opgenomen, waardoor men kreeg wat droge cellen worden genoemd. De droge cel is lekvrij en kan eenvoudig worden gehanteerd en vervoerd. De cel bestaat tegenwoordig uit een zinkbehuizing die ook de anode vormt. In de cel bevindt zich de kathode in de vorm van een massa bestaande uit mangaanoxide gemengd met kool en elektrolyt. De positieve pool is een koolstaaf die in de kathodemassa is gedompeld.

De meest voorkomende celvormen zijn de zogenaamde AA-cellen die worden gebruikt in muziekspelers, zaklampen enzovoort. Andere veelvoorkomende celtypen zijn AAA, C, D. De Spanning is 1,5 volt en de capaciteit van een AA-cel ligt tussen 0,4 en 1,7 Ah. De levensduur is tot 3 jaar. De cel werkt het best bij temperaturen tussen 20 en 30 ºC; als de temperatuur boven 50 ºC komt, raakt de cel beschadigd en verliest hij snel capaciteit; bij temperaturen onder -20 ºC levert de cel geen stroom.

 

Alkalinebatterijen

De Alkalinebatterij is een doorontwikkeling van de brunstensbatterij, waarbij de materialen in anode en kathode dezelfde zijn als in de brunstensbatterij .  De behuizing is een stalen omhulsel en in de behuizing bevindt zich eerst de kathode in de vorm van mangaanoxide en elektrolyt; de anode is hier een zinkpoeder dat in elektrolyt is gedrenkt. De stroom wordt via een messingpen naar de bodem van de cel geleid en de stalen behuizing en deksel vormen de positieve pool.

In vergelijking met de brunstensbatterij is de alkalische cel bijna twee keer zo duur, maar hij geeft aanzienlijk langere gebruiksduur. De meest voorkomende cellen zijn AA-cellen die worden gebruikt in muziekspelers, zaklampen enzovoort. Andere veelvoorkomende celtypen zijn AAA, C en D. De Spanning is 1,5 volt en de capaciteit van een AA-cel is tot 3 Ah. De levensduur is tot 6 jaar. De cel werkt het best bij temperaturen tussen 20 en 30 ºC; boven 50 ºC raakt de cel beschadigd en bij lage temperaturen verliest de cel capaciteit, maar hij heeft aanzienlijk betere eigenschappen dan de brunstenscel.

Zilveroxide

Knoopcellen bestaan in verschillende elektrochemische systemen, bijvoorbeeld alkalisch, kwikoxide en Zilveroxide als kathodemateriaal; alle hebben zink als anodmateriaal .  De knoopcel ziet eruit als een kleine knoop en bestaat uit een behuizing met een deksel. Het deksel vormt de minpool en staat in contact met de anodmassa. De behuizing staat in contact met het kathodemateriaal en is daarmee de pluspool.

De cel is gebruikelijk in micro-elektronica, bijvoorbeeld in speelgoed, computerspellen, klokken, geheugenchips en wenskaarten.

De Zilveroxidebatterij heeft een ontlaadspanning van 1,6 volt. Door meerdere cellen op elkaar te stapelen en met een kunststof omhulsel af te sluiten, bouwt men in serie geschakelde Batterijen met een hogere Spanning, bijvoorbeeld 6 volt, 12 volt of 15 volt. De cel wordt in verschillende groottes geproduceerd van 10 mAh tot 200 mAh. Zilveroxidecellen kunnen worden gebruikt binnen een relatief breed temperatuurbereik, -30 ºC tot +70 ºC. De levensduur is circa 2 jaar.

  

Lithium-batterijen

Lithium-batterijen (niet te verwarren met Lithium-ionbatterij) vormen een groep primaire Batterijen met lithiummetaal als anodmateriaal. Lithium kan worden gecombineerd met verschillende kathodematerialen en elektrolyten. Op deze manier worden cellen geproduceerd met verschillende aangepaste eigenschappen zoals hoge Energie, hoog vermogen of een breed temperatuurbereik.

Lithiumcellen worden in veel verschillende groottes geproduceerd, van kleine knoopcellen tot AA-cellen. Ze zijn er ook als 9-volts Batterij voor rookmelders.

De meest voorkomende cel heeft mangaanoxide als kathodemateriaal, hetzelfde als brunstensbatterijen en Alkalinebatterij, maar de anode is lithiummetaal in plaats van zink. Deze cel heeft een Spanning van 3 volt en een relatief breed temperatuurbereik, -30 ºC tot +60 ºC. De levensduur is tot 5 jaar, maar de Zelfontlading is hoog bij hoge temperatuur.

Een andere veelvoorkomende lithiumcel heeft ijzerdisulfide als kathodemateriaal; deze cel heeft een Spanning van 1,5 volt en is daarom een uitstekend alternatief voor Alkalinebatterij in energie-intensieve toepassingen, omdat deze cel aanzienlijk meer Energie bevat, tot 300 Wh/kg. Deze cel heeft ook een zeer lange levensduur, tot 20 jaar.

  

Zink-lucht

Knoopcellen voor hoortoestellen worden tegenwoordig geproduceerd met het elektrochemische systeem Zink-lucht. Hier staat de minpool in contact met de anodmassa, die uit een zinkpasta bestaat. Als kathode wordt zuurstof uit de lucht gebruikt, die via kleine gaatjes in de cel in contact komt met en reageert met de kathode. Hierdoor neemt het kathodemateriaal geen ruimte in de cel in, omdat het onbeperkt in de lucht aanwezig is, en kan in plaats daarvan de hele cel met anodmateriaal worden gevuld. Zo ontstaat een cel met een hoge energiedichtheid tegen relatief lage kosten.

De Spanning ligt op 1,45 volt en de energiedichtheid is hoog, tot 500 Wh/kg. Omdat de cel afhankelijk is van zuurstof uit de lucht die in de Batterij moet komen, is de vermogensdichtheid laag; normaal is de stroom slechts enkele mA.

Loodaccu’s

Loodaccu’s worden al bijna 150 jaar geproduceerd en zijn het oudste oplaadbare Batterijsysteem. De anode bestaat uit metallisch lood en de kathode uit looddioxide. De Celspanning is 2 volt en de energiedichtheid is beperkt, circa 30 – 40 Wh/kg.

Loodaccu’s bestaan in een reeks varianten en worden vaak onderverdeeld in startaccu’s, tractieaccu’s en stationaire Batterijen.

Startaccu’s bestaan als kleine motor accu van 10 Ah tot grote vrachtwagenaccu’s van 250 Ah. Startaccu’s worden geoptimaliseerd voor het startvermogen van het voertuig, dat wil zeggen dat ze een hoge stroom gedurende korte tijd moeten leveren, ook bij veel graden onder nul, en dat Levensduur (meer dan 5 jaar) en kosten redelijk moeten zijn.

Tractieaccu’s worden gebruikt voor de aandrijving van vooral binnenheftrucks in magazijnlogistiek. Deze Batterijen worden opgebouwd uit onderling verbonden enkelcellen in stalen bakken, van 12 volt tot 120 volt en van 50 Ah tot 1500 Ah. Deze Batterijen zijn ontworpen voor cyclisch gebruik en kunnen tot 1500 ontlaad- en laadcycli doorstaan.

Stationaire Batterijen worden gebruikt voor noodstroom onder meer in telecommunicatie-installaties en elektriciteitsproductie. Dergelijke Batterijen worden deels opgebouwd met 12 volt groepsvaten, deels met enkelcellen tot Batterijen van 12 volt tot meer dan 400 volt met capaciteiten van 100 Ah tot 3500 Ah. Deze Batterijen zijn ontworpen om continu op lading te staan (onderhoudslading) en alleen te worden gebruikt bij uitval van de netspanning, wanneer een ontlading plaatsvindt.  Hier is de cyclingsbestendigheid niet belangrijk, maar is in plaats daarvan de eigenschap om gedurende lange tijd, tot 20 jaar, op lading te staan, geoptimaliseerd.

Zelfontlading betekent dat Batterijen regelmatig moeten worden opgeladen om niet beschadigd te raken en het systeem vereist enig onderhoud, zoals het bijvullen van water.

Loodaccu’s bestaan ook als onderhoudsvrije variant, AGM of gel genoemd. In deze Batterijen is het elektrolyt geïmmobiliseerd en in een intern proces worden zuurstof en waterstofgas gerecirculeerd zodat water bijvullen niet nodig is.

Nikkelmetaalhydridebatterijen / Nikkel-cadmiumbatterijen

Batterijen met nikkelmetaalhydride (NiMH) zijn een meer milieuvriendelijke ontwikkeling van Nikkel-cadmiumbatterijen (NiCd) doordat cadmium in de kathode is vervangen door een metaalhydride. Een metaalhydride is een legering van zeldzame aardmetalen die in staat is waterstofionen te absorberen.

NiMH-accu hebben tegenwoordig vrijwel alle toepassingen van NiCd-accu in consumentenproducten vervangen. Tegenwoordig is het verboden om NiCd-accu te verkopen voor gebruik in consumentenproducten. Als industriële Batterijen bestaan NiCd-accu nog steeds, omdat er controle is over de inzameling en recycling van gebruikte Batterijen. Met NiMH-accu is tegelijkertijd de prestatie verdubbeld ten opzichte van NiCd.

NiMH-accu worden tegenwoordig gebruikt in alarmsystemen, snoerloos handgereedschap en in veel militaire toepassingen. NiMH-accu werden al vroeg gebruikt in hybridevoertuigsysteem en dat is daarom nog steeds een groot toepassingsgebied.

Op de lange termijn verliest de NiMH-accu marktaandeel aan de Lithium-ionbatterij.

De anode bestaat uit nikkel en de kathode uit een metaalhydride. Het elektrolyt is waterig.

De Spanning ligt op 1,2 volt en de energiedichtheid is 80 – 100 Wh/kg. De cyclingsbestendigheid is meer dan 1000 cycli. De Zelfontlading is relatief hoog. De Batterij heeft ook een geheugeneffect, wat betekent dat de Batterij regelmatig diepontladen moet worden om de volledige capaciteit te herstellen.

Lithium-ionbatterijen

Lithium-ionbatterijen zijn een groep oplaadbare Batterijen waarin de lithium-ion zich tussen anode en kathode verplaatst bij het laden en ontladen. De kathode bestaat hier uit een lithiumhoudend metaaloxide en de anode uit een koolstofmateriaal, bijvoorbeeld grafiet. Door de hoge Celspanning kan er geen water worden gebruikt in het elektrolyt, dat in plaats daarvan is gebaseerd op organische oplosmiddelen. De elektrochemische activiteit is gebaseerd op een chemisch fenomeen dat intercalatie wordt genoemd. Hierbij dringt de lithium-ion door in holtes in het kristalrooster van het metaaloxide of het koolstofmateriaal en geeft of bindt elektronen.

Het lithium-ionsysteem is relatief nieuw en de ontwikkeling gaat met grote intensiteit op alle continenten door. Het doel van de ontwikkeling is om de prestaties verder te verhogen, de kosten te verlagen en de veiligheid te vergroten.

Dankzij de hoge prestaties van de lithium-ioncel is het mogelijk geweest om een reeks nieuwe producten te ontwikkelen, zoals dunne mobiele telefoons en tablets. Alle grote voertuigfabrikanten ontwikkelen tegenwoordig voertuigen met elektrische aandrijflijnen. Ook deze ontwikkeling is afhankelijk geweest van de hoge prestaties die de lithium-ioncel levert. De productiecapaciteit van lithium-ioncellen wordt in hoog tempo uitgebreid om aan de vraag vanuit de auto-industrie te voldoen.

Er is tegenwoordig een verband tussen kwaliteit en prijs van lithium-ioncellen. Cellen met goede prestaties zijn nog steeds duur.

De cel heeft een Spanning van 3,2 tot 3,8 volt en een energiedichtheid tot 200 Wh/kg.

De cyclingsbestendigheid varieert tussen 500 – 5000 cycli, afhankelijk van het toepassingsgebied en de kwaliteit.

Er zijn lithium-ioncellen die lithiumpolymeer worden genoemd; dit is echter hetzelfde systeem, maar het elektrolyt is vervangen door een ionengeleidend polymeer of een gel.

Gebruik van Batterijen

Het is belangrijk dat Batterijen op de juiste manier worden gebruikt en dat je de aanwijzingen van de fabrikant volgt. Onjuist gebruik kan brand en lekkage veroorzaken, schade aan apparatuur en letsel.

Hieronder volgen enkele algemene tips om Batterijen op de juiste manier te hanteren.

• Let er goed op dat je de juiste polariteit op de apparatuur aansluit; alle cellen en Batterijen moeten met polen zijn gemarkeerd. Dit is vooral belangrijk bij grotere Batterijen. Verkeerd aansluiten kan letsel en schade aan de apparatuur veroorzaken.
• Batterijen kunnen grote hoeveelheden Energie bevatten. Bescherm de polen van de Batterij met poolbescherming om het risico op kortsluiting te verkleinen. Dit is vooral belangrijk wanneer je met metalen gereedschap in de buurt van de Batterijen werkt. Let bij kleine Batterijen op sleutels, paperclips enzovoort.
• Batterijen kunnen bijtend zuur bevatten. Gebruik handschoenen, beschermende kleding, veiligheidsbril en gelaatsbescherming.
• Sommige Batterijen kunnen in bepaalde situaties knalgas afgeven. Zorg voor voldoende ventilatie. Er mag geen open vuur of vonken aanwezig zijn.
• Onderhoudsladen van oplaadbare Batterijen als ze niet worden gebruikt; vooral loodaccu’s doen het goed als ze opgeladen zijn.
• Laad nooit een primaire cel op. De cel kan exploderen.
• Bewaar Batterijen bij lage temperatuur en lage luchtvochtigheid, bij voorkeur in de originele verpakking.
• Vervang alle Batterijen in de apparatuur tegelijk; meng geen oude en nieuwe cellen of cellen van verschillende fabrikanten. De zwakste schakel bepaalt de capaciteit.
• Haal de Batterijen uit de apparatuur als die lange tijd niet wordt gebruikt. Er kunnen kleine lekstromen optreden die de Batterij langzaam ontladen.
• Open of demonteer nooit een cel of een Batterij. Dit kan letsel veroorzaken, zoals bijt- of brandwonden.
• Gooi nooit cellen of Batterijen in open vuur; er is explosiegevaar.
• Zorg dat kinderen geen cellen of Batterijen in handen krijgen. Als een kind een knoopcel heeft ingeslikt, neem dan contact op met het antigifcentrum.

Ontlading

Het doel van de Batterij is om elektrische Energie op te slaan die onder gecontroleerde omstandigheden kan worden afgegeven via een ontlading. Bij ontlading stroomt een stroom elektronen van de anode via een belasting naar de kathode. De grootte van de stroom bepaalt hoe lang de ontlading kan doorgaan. Bij hoge stroom wordt de ontlaadtijd korter en bij lage stroom wordt de ontlaadtijd langer. Voor een cel van 10 Ah kun je de cel met 10 A gedurende 1 uur ontladen. Met een stroom van 20 A zou je in het ideale geval in 0,5 uur ontladen en met een stroom van 5 A in 2 uur.

Vaak wordt de C-factor gebruikt om laad- en ontlaadstroom te schalen. Een Batterij van 10 Ah die met 1C wordt ontladen, wordt met 10 A gedurende een uur ontladen. Een Batterij van 10 Ah die met 2C wordt ontladen, wordt met 20 A gedurende 0,5 uur ontladen. Dezelfde Batterij die met 0,5C wordt ontladen, wordt met 5 A gedurende 2 uur ontladen.

Door inwendige weerstand en interne processen in de cel nemen de capaciteit en de Energie die de cel kan leveren af bij toenemende stroom. Wanneer de cel met een ontlaadstroom wordt belast, daalt de Spanning over de cel; hoe hoger de stroom, hoe groter de spanningsval. Een cel die 10 Ah levert bij 1C, levert misschien slechts 9,5 Ah bij 2C. In de figuur worden ontladingen voor verschillende C-factoren voor een NiMH-cel getoond. Dit fenomeen wordt nog duidelijker als je naar de Energie kijkt.

 

De temperatuur heeft ook invloed op de capaciteit. Bij lage temperatuur verlopen alle chemische reacties langzamer en dit betekent dat Spanning en capaciteit afnemen. In de figuur hieronder worden Spanning en capaciteit tussen -20 ºC en +60 ºC voor een lithium-ioncel weergegeven.

 

Vaak wordt een cel voor een specifiek doel ontworpen. Ontlading in een fotoflitsunit trekt een hoge stroom (hoog vermogen) gedurende korte tijd. Deze cel moet dan een hoge stroom aankunnen zonder grote spanningsval en wordt vaak vermogenscel genoemd. Een radio trekt een lage stroom en kan lang worden gebruikt (hoge Energie). De cel moet veel Energie bevatten en wordt vaak energiecel genoemd. Andere voorbeelden van verschillende optimalisaties van Batterijen zijn enerzijds een hybride auto die hoge stromen bij korte acceleraties moet aankunnen; hier wordt een vermogenscel gebruikt. Een elektrische auto daarentegen moet een zo groot mogelijke actieradius hebben en hier wordt een energiecel gebruikt.

Voor primaire cellen wordt de ontlading beëindigd wanneer de apparatuur niet meer naar tevredenheid functioneert; wanneer de zaklamp slecht brandt, is het tijd om de Batterijen te vervangen. Voor secundaire Batterijen is het gunstig om de ontlading te stoppen voordat de Spanning te ver daalt. Er wordt een eindspanning opgegeven voor de ontlading van de Batterij. Voor de loodaccu, NiMH en de lithium-ioncel zijn dat respectievelijk 1,75 volt, 1,0 volt en 3,0 volt.

Opladen

Voor verschillende Batterijtypen worden verschillende laadmethoden gebruikt. Elk Batterijtype vereist zijn eigen specifieke laadkarakteristiek en de aanbieders van Batterijen leveren vaak instructies voor hoe Batterijen moeten worden opgeladen. Volg altijd de instructies van de fabrikant.

Laad nooit primaire Batterijen op, zoals Alkalinebatterij of brunstensbatterijen; deze kunnen bij het laden exploderen.

Er worden verschillende begrippen gebruikt om het opladen van Batterijen te beschrijven.

• Standaardlading: de laadwijze die de fabrikant voorschrijft
• Onderhoudslading: lading om Zelfontlading tegen te gaan en de Batterij volledig geladen te houden.
• Eindlading: een laadcyclus wordt afgesloten met een lagere laadstroom om volledige lading te bereiken zonder temperatuurstijging en sterke gasvorming.
• Snellading: laden met hoge stroom gedurende korte tijd.
• Constante stroom-, vermogen- of spanningslading: laadkarakteristiek die details in het laadverloop beschrijft en een combinatie van meerdere kan zijn, bijvoorbeeld constante stroom gevolgd door constante Spanning.
• Inductief laden: elektromagnetische overdracht van Energie tussen Oplader en Batterij.
• Laadfactor: de verhouding tussen teruggeladen capaciteit en ontladen capaciteit.

De temperatuur is belangrijk voor correct opladen; bij lage temperatuur is de laadopname laag en is het moeilijk om te laden; bij hoge temperatuur is de laadopname goed, maar hoge temperatuur kan de cel beschadigen.

Batterijtype	Laadtemperatuur	Aanbevelingen
Loodaccu’s	-20 ºC tot +50 ºC	Laden met 0,3C of lager bij temperaturen onder 0 ºC. Verlaag de laadspanning met 3 mV/ºC boven 30 ºC
NiCd, NiMH	-20 ºC tot +65 ºC	Laden met 0,1C tussen -20 en 0 ºC. Laden met 0,3C tussen 0 ºC en 5 ºC Laden met 1C tussen 5 ºC en 65 ºC Laadopname bij 45 ºC is 70%
Lithium-ion	0 ºC tot +45 ºC	Mag niet bij min-temperaturen worden geladen. Goede laadeigenschappen bij hoge temperatuur, maar verkorte Levensduur bij temperaturen boven 35 ºC

Loodaccu’s worden vaak volgens een constante-spanningskarakteristiek geladen. Het laadproces start dan met de stroom die de lader kan leveren en wanneer de Spanning tot de spanningsgrens is gestegen, daalt de stroom. Sommige laders kunnen het laden afsluiten met een constante stroom voor egalisatielading. De loodaccu wordt herladen met een laadfactor van ongeveer 1,2 - 1,25 voor open cellen en 1,05 - 1,1 voor AGM- en gelaccu’s.

NiMH-accu en NiCd-accu worden vaak volgens een constante-stroomkarakteristiek geladen en beëindigd wanneer ofwel de Spanning of de temperatuur een bepaalde waarde heeft bereikt. Het laden start en verloopt dan met constante stroom totdat de Spanning een maximumwaarde heeft bereikt en gepasseerd of totdat de temperatuur een maximumwaarde heeft bereikt. De laadfactor is vaak 1,3 – 1,4.

Lithium-ionbatterijen worden op dezelfde manier geladen als loodaccu’s, met constante Spanning. Hier is de eindspanning belangrijk om overladen te voorkomen. Bij overladen kunnen lithiumcellen ernstig worden beschadigd met risico op brand of explosie. De eindspanning is verschillend afhankelijk van welk lithiumsysteem wordt geladen. De laadfactor voor lithium is laag, 1,01 - 1,03.

Cycling

Een belangrijke eigenschap van oplaadbare Batterijen is hoe vaak de Batterij kan worden ontladen en geladen voordat deze is versleten. Een ontlading met daaropvolgende lading wordt vaak een ontlaadcyclus of kortweg een cyclus genoemd.

Een Batterij in een mobiele telefoon wordt ontladen en geladen, dat wil zeggen gecycled, vaak één keer per dag. Een Batterij in een scheerapparaat of een camera misschien maar één keer per maand.

Een Batterij in een mobiele telefoon kan misschien twee jaar worden gebruikt voordat die moet worden vervangen; dit betekent dat de Batterij 500 – 700 cycli aankan voordat hij is versleten. Een Batterij in een elektrische auto moet meer cycli doorstaan om praktisch en economisch haalbaar te zijn, misschien 5 000 cycli.

De factoren die het aantal cycli beïnvloeden, zijn ontladingsdiepte, laad- en ontlaadprofiel en temperatuur. Vaak wordt de ontladingsdiepte beperkt tot 80% om het systeem niet te zwaar te belasten. Ontlading en lading met hoge stromen beïnvloeden de Levensduur. Cycling bij hoge temperatuur betekent extra belasting en vermindert het aantal cycli.

Oplaadbare Batterijen kunnen, afhankelijk van wat het belangrijkst is, worden ontworpen om verschillende aantallen cycli te doorstaan; een stationaire Batterij voor noodverlichting heeft daarom een andere constructie dan een Batterij voor een elektrische heftruck.

Voor lithiumbatterijen is de cyclingsbestendigheid vaak gekoppeld aan de kwaliteit en de prijs van de cel. Een Batterij in een mobiele telefoon kan 500 keer worden gecycled, maar er zijn lithiumbatterijen van hoge kwaliteit die 5 000 keer kunnen worden gecycled.

Zelfontlading

Alle Batterijsystemen hebben een zekere Zelfontlading. Dit komt doordat er langzame nevenreacties in de cel plaatsvinden. Vaak hangen deze nevenreacties samen met verontreinigingen in elektrolyt en elektrode-materiaal en zijn ze daarmee deels een kwaliteitskwestie. Het effect van Zelfontlading is dat de capaciteit bij opslag van de cel langzaam afneemt. Dit betekent dat alle Batterijen bederfelijk zijn en daarom worden Batterijen van een datum voorzien. Voor primaire cellen spreekt men in plaats daarvan over houdbaarheid. Na het verstrijken van de houdbaarheid is de cel versleten. Een secundaire cel kan en moet opnieuw worden opgeladen om de Zelfontlading te compenseren. Stationaire Batterijen die als noodstroom in bijvoorbeeld telecommunicatie-installaties staan, worden continu onderhoudsgeladen om de Zelfontlading te compenseren.

Een loodaccu die op voorraad staat, moet om de drie maanden worden geladen om volledig geladen te blijven. Een Batterij van het type NiMH of NiCd heeft een hoge Zelfontlading en moet elke maand worden geladen om volledig geladen te blijven. Lithium-ionbatterijen kunnen een lage Zelfontlading hebben.

Het is altijd verstandig om oplaadbare Batterijen op te laden voordat je ze in gebruik neemt.

Temperatuur

De prestaties bij ontlading, opladen en opslag van de cel worden beïnvloed door de temperatuur. Alle chemische reacties in de cel worden door de temperatuur gestuurd en dit geldt ook voor de elektrochemische reacties in de cel. Bij hoge temperaturen verlopen de reacties sneller en neemt de capaciteit in de cel toe. Er is echter een maximum- temperatuur; boven deze temperatuur raakt de cel beschadigd.

Iedereen weet waarschijnlijk dat het moeilijker is om de auto te starten als het -20 graden is op een winterochtend dan op een warme zomerdag. Dit komt ten eerste doordat de Batterij bij lage temperatuur minder capaciteit levert. Ten tweede verlopen ook de laadreacties trager bij min-temperaturen, wat er vaak toe leidt dat de laadstatus van een startaccu in de auto in de winter over het algemeen laag is.

Veel lithium-ionbatterijen mogen niet bij min-temperaturen worden geladen, omdat de cel dan beschadigd raakt. Om er zeker van te zijn dat de Batterij volledig wordt geladen, moet je die bij 20 graden opladen.

Ook de Zelfontlading wordt door de temperatuur gestuurd, zodat de cel sneller zelfontlaadt bij hoge temperaturen. Het is daarom gunstig om een Batterij bij lage temperatuur op te slaan.

Geschiedenis

Batterijen en elektrochemische cellen werden al rond het begin van onze jaartelling gebruikt. Bij opgravingen buiten Bagdad in Irak vond men een aardewerken kruik die een elektrochemische cel bleek te zijn. Men denkt dat deze cel werd gebruikt om edelmetaal op sieraden te galvaniseren. De cel was opgebouwd uit koper en ijzer en had wijn of azijn als elektrolyt.

In het begin van de 19e eeuw begon de ontwikkeling en het begrip van wat we tegenwoordig als cellen en Batterijen gebruiken. De stapel van Volta bestond uit meerdere koperen en zinken schijven (de elektroden) die op elkaar waren gestapeld met leer of papier als poreus materiaal (separator) tussen de metalen. Het poreuze materiaal werd gedrenkt in zoutoplossing, loog of een alkalische oplossing (elektrolyt). Halverwege de 19e eeuw werd de brunstensbatterij ontwikkeld door de Fransman Leclanché. Deze cel bleek zeer bruikbaar en wordt nog steeds gebruikt en is de oorsprong van de huidige Alkalinebatterij.

Zweden heeft een trotse traditie in Batterijontwikkeling en Batterijproductie. Waldermar Jungner ontwikkelde verschillende elektrochemische systemen: nikkel-ijzer, zilver-cadmium en vooral nikkel-cadmium. De nikkel-cadmiumcel is nog steeds een van de meest betrouwbare Batterijsystemen. Jungner studeerde aan de KTH in Stockholm en richtte het bedrijf Svenska Ackumulator Aktiebolaget Jungner op, dat nog steeds Nikkel-cadmiumbatterijen produceert in Oskarshamn. Aan de westkust, in Nol bij Göteborg, werden loodaccu’s geproduceerd en in Ängelholm werden brunstensbatterijen geproduceerd onder de naam Tudor, met de kat met negen levens als merk.

In de 20e eeuw ging de ontwikkeling van nieuwe Batterijsystemen verder. De behoefte aan draagbare communicatieapparatuur tijdens de Tweede Wereldoorlog resulteerde in de kwikoxidebatterij, die lijkt op de brunstensbatterij maar hogere prestaties heeft. De brunstensbatterij werd doorontwikkeld tot de Alkalinebatterij met hogere prestaties en lage kosten. Toen werden ook knoopcellen met Zilveroxide geïntroduceerd als stroomvoorziening voor micro-elektronica. Lithium als elektrode-materiaal werd eerst geïntroduceerd in primaire cellen en daarna als lithium-ioncellen, oplaadbare cellen. Lithium is het metaal dat de hoogste elektrochemische Spanning geeft en tegelijk het lichtste metaal is. Dit betekent dat lithiumcellen zeer goede prestaties kunnen leveren.

Het werk om de CO₂-uitstoot van het wagenpark te verminderen heeft geleid tot de ontwikkeling van hybride voertuigen, waarbij Batterijen een essentieel onderdeel zijn. Toyota introduceerde zijn eerste hybride auto eind jaren 90. Deze ontwikkeling zorgde voor grote ontwikkelingsinspanningen aan de Batterijkant. Als resultaat werden nikkelmetaalhydridebatterijen en Lithium-ionbatterij ontwikkeld.

Het probleem van het gehalte aan zware metalen in Batterijen, zoals kwik, cadmium en lood, heeft de ontwikkeling ook beïnvloed. Sinds milieueigenschappen steeds belangrijker zijn geworden, zijn kwik en cadmium in principe uit consumentenbatterijen verwijderd.

Toekomst

De ontwikkeling van verschillende Batterijen gaat door. Tegenwoordig vindt onderzoek op het gebied van Batterijen vooral plaats binnen de lithium-ionchemie; dit gebied is nog steeds een relatief nieuw Batterijsysteem. Nieuwe kathode-, anode- en elektrolytmaterialen worden ontwikkeld en getest. Het doel van de ontwikkeling is om de prestaties te verhogen en de kosten te verlagen.

Mobiele telefoons, tablets en laptops gebruiken tegenwoordig uitsluitend Lithium-ionbatterij. De huidige smartphones zouden er niet zo uitzien als de Lithium-ionbatterij niet had bestaan.

Een sterke drijfveer in de ontwikkeling is tegenwoordig de behoefte van de auto-industrie om de CO₂-uitstoot van het wagenpark te verminderen. Alle grote voertuigfabrikanten ontwikkelen voertuigen met elektrische aandrijflijnen, zoals hybrides, plug-in hybrides en elektrische voertuigen. Naarmate de behoefte van de auto-industrie aan Batterijen toeneemt, nemen de productievolumes toe en neemt de druk op lagere kosten toe. De Batterij-industrie bereidt zich nu voor door de productiecapaciteit uit te breiden om aan deze behoefte te voldoen. Deze ontwikkeling is mogelijk gemaakt door de ontwikkeling van Lithium-ionbatterij.

De huidige lithium-ioncellen hebben een Energie-inhoud tussen 150 – 200 Wh/kg. Met nieuwe elektrode-materialen en nieuwe elektrolyten wordt verwacht dat de Energie-inhoud zal toenemen tot 300 Wh/kg.

Er wordt ook onderzoek gedaan naar andere systemen waarbij lithium-lucht potentieel heeft voor nog hogere prestaties dan de huidige Lithium-ionbatterij, met name de energiedichtheid, die tot 500 Wh/kg zou kunnen oplopen. Zweden is bij deze ontwikkeling betrokken via onderzoek aan verschillende Zweedse universiteiten en hogescholen. De Universiteit van Uppsala behoort tot de wereldtop op dit gebied.

Milieu en recycling van Batterijen

Het milieugerichte werk rond Batterijen is al sinds het begin van de jaren 80 aan de gang. Toen begon men inzamelsystemen op te zetten om gebruikte Batterijen in te zamelen, terwijl fabrikanten werkten aan het milieuvriendelijker maken van Batterijen door milieugevaarlijke stoffen te vervangen door minder milieugevaarlijke alternatieven.

De omgang met Batterijen wordt geregeld in de Zweedse Batterieverordening SFS 2008:834.

Producentenverantwoordelijkheid voor Batterijen betekent dat degenen die Batterijen op de Zweedse markt importeren en verkopen, ervoor moeten zorgen dat de Batterijen worden ingezameld, verwerkt en gerecycled. Recycling kan zelfs winstgevend zijn, omdat veel Batterijen waardevolle metalen bevatten zoals koper, nikkel en zink. De verordening houdt ook in dat er strengere eisen zijn voor etikettering, lagere grenswaarden voor de zware metalen lood en cadmium en een verbod op draagbare cadmiumbatterijen.

Het werk om milieuvriendelijke Batterijen te ontwikkelen heeft er bijvoorbeeld toe geleid dat kwikoxidebatterijen voor hoortoestellen zijn vervangen door kwikvrije Zink-luchtbatterij en dat nikkelmetaalhydride in hoge mate nikkel-cadmium heeft vervangen.

Voor loodaccu’s, waarvan de belangrijkste toepassing startaccu’s voor voertuigen zijn, bestaat er vandaag geen redelijk alternatief. In plaats daarvan is een efficiënt inzamel- en recyclingsysteem ontwikkeld.

Gemeenten zijn verantwoordelijk om ervoor te zorgen dat Batterijen niet bij het huishoudelijk afval terechtkomen. Met informatie en recyclingstations met onder andere inzamelbakken voor Batterijen maken gemeenten de inzameling van alle typen Batterijen mogelijk. Gemeenten hebben vaak overeenkomsten met producentenorganisaties en de gemeenten zijn dan verantwoordelijk voor de inzameling van Batterijen, terwijl de producentenorganisatie verantwoordelijk is voor het afvoeren en recyclen.

Zo sorteer je Batterijen vandaag:

• Kleine Batterijen moeten worden ingezameld en in de dichtstbijzijnde inzamelbak voor Batterijen op de recyclingstations worden ingeleverd. Je kunt ze ook inleveren in sommige winkels, op milieustations en recyclingcentra.
• Auto-accu en vergelijkbare Batterijen lever je in bij het recyclingcentrum van de gemeente.
• Ingebouwde Batterijen in speelgoed, gereedschap, computerspellen, spelende wenskaarten enzovoort kunnen soms moeilijk te zien zijn.  Alle producten of apparaten die knipperen of geluid maken, hebben echter meestal een Batterij binnenin en moeten daarom als elektronisch afval op het recyclingcentrum worden ingeleverd.
• Er zijn nog enkele knoopcellen die kleine hoeveelheden kwik bevatten en technisch moeilijk te vervangen zijn. Wees daarom zorgvuldig en lever deze Batterijen in de inzamelbak voor Batterijen in.