Batterijen voor draagbare apparaten | Technisch Weekblad
Nieuws

Batterijen voor draagbare apparaten

Met nieuwe batterijtypen slaagt men er steeds weer in te voldoen aan de toenemende vermogensvraag van nieuwe applicaties. De vermogensvraag is eerst hoog, maar zakt vervolgens snel terug

Voordelen

Batterijen maken mobiele, draagbare, snoerloze apparatuur mogelijk. Ze zorgen voor onafhankelijkheid van omgeving en netspanning (geen gedoe met stekkers in verschillende landen).

Batterijfunctie is onafhankelijk van tijd en plaats beschikbaar.

Apparaten die werken met een spanning onder de 40 V behoeven geen elektrische/veiligheidskeuring. Netapparatuur moet altijd gekeurd en gecertificeerd worden.

Snoerloze apparaten mogen ook gebruikt worden in ‘natte’ omgevingen zoals de badkamer (scheren onder de douche); met netapparatuur is dat levensgevaarlijk.

Nikkelcadmium batterijen gaan vaak vijftien jaar mee, en overleven meestal de apparatuur waarin ze worden toegepast.

Lithium-polymeer batterijen kunnen vrij worden vormgegeven, al naar gelang de (beperkte) ruimte in draagbare consumentenelektronica.

 

Nadelen

Het is een zeer dure vorm van energie. Een kWh uit het lichtnet kost 0,25 euro. Een kWh uit een knoopcel – voor een horloge 10.000 tot 100.000 euro. Zo’n knoopcel levert 20 mWh en kost twee euro.

De hoeveelheid energie is beperkt; batterijen kunnen leeg zijn op een ongelegen moment.

Batterijen vragen veel ruimte. Om1 cm3 zink met 1 cm3 bruinsteen, samen met elektrodes, draadjes, stroomgeleiders en isolatie onder te brengen in een batterij, is een bus nodig met een volume van 10 cm3 of meer Het ontwikkelen van nieuwe batterijtypen kost veel tijd, van uitvinding tot eerste toepassing in een consumentenproduct vijfentwintig jaar. De NiMh-batterij dateert van 1984, maar vindt pas nu op grotere schaal toepassing.

Lege batterijen zijn chemisch afval. Er is een inleverplicht. In Nederland wordt ongeveer 45 procent van de gebruikte batterijen bij de reguliere kanalen ingeleverd. De rest verdwijnt in het huisvuil. Dat levert jaarlijks duizenden tonnen chemisch afval op.

 

Mogelijkheden

Er is een enorme behoefte om elektrische energie op te slaan.

Voor draagbare applicaties bestaan inmiddels voldoende en goed bruikbare mogelijkheden, maar er is een sterke drive naar grotere capaciteiten.

Door elektronificatie van apparaten worden steeds meer functies afhankelijk van batterijen. Waar de keus is: wel of niet snoerloos, is de batterij aan de winnende hand in het geval van bijvoorbeeld scheerapparaat en tandenborstel. Bij de elektrificatie van voorheen mechanische functies zoals blikopeners en messen lukt het duidelijk minder. Van Deutekom: ‘Als snoerloos maken meer kost dan 10 à 15 procent van de productiekosten, dan werkt het niet’.

Batterijen worden steeds vaker tijdens de productie van draagbare apparatuur meegemonteerd in de elektronica.

 

Bedreigingen

Batterijen vormen momenteel op een enkele uitzondering na de enige manier om elektrische apparatuur snoerloos te maken. De brandstofcel wordt vaak genoemd als alternatief voor batterijen. Dit vooral vanwege de superieure energiedichtheid (10.000 Wh/l voor de brandstof). Maar er kleeft een belangrijk nadeel aan de brandstofcel: het is geen gesloten systeem. Voor aanvoer van de brandstof zullen er waarschijnlijk waterstofcapsules komen, maar voor aanvoer van zuurstof en afvoer van water is een open verbinding nodig. De brandstofcel is in zijn huidige vorm nog niet geschikt voor draagbare applicaties: ‘te groot, te duur, te onbetrouwbaar’, stelt The Economist (16-3-02).

Bepaalde toepassingen van batterijen, bijvoorbeeld in haardrogers en krultangen, kunnen ook met (camping)gaspatronen worden vervuld.

 

 

Met dank aan:

ing. H.J.H. van Deutekom

 

 

***Kader***

Techniek

De behoefte aan elektrische energie van draagbare apparatuur zoals laptops, pda’s en gettoblasters groeit harder dan wat batterijen kunnen leveren, zo meldde The Economist onlangs op gezag van de Boston Consulting Group. Het vermogen van batterijen neemt jaarlijks met acht procent toe, terwijl de vermogensvraag

van mobiele applicaties met zo’n 25 procent per jaar groeit.

‘Dat is een oud verhaal’, zegt batterij-technoloog ing. Huib van Deutekom. ‘Maar onder de streep valt het altijd nogal mee. De energiebehoefte van nieuwe draagbare applicaties is in het begin altijd hoog, maar zakt vervolgens vrij snel terug’. Het beperkte vermogen van batterijen vormt voor ontwerpers een extra drive om het energiegebruik van draagbare apparaten te beperken.

Batterijen zijn opgebouwd uit vier componenten: een positieve kathode en een negatieve anode (de notatie is andersom dan bij verbruikstoestellen), een elektroliet (vloeistof of pasta, zorgt voor verbinding tussen de twee elektroden), en een isolator (voor elektrische scheiding tussen de elektroden).

De verschillende typen batterijen voor draagbare applicaties zijn te verdelen in wel of niet oplaadbaar.

De eerste batterij dateert van 1866, toen de Franse ingenieur Georges Leclanché (1839 1882) de zinkbruinsteenbatterij uitvond.Van  deze eenmalig bruikbare batterij worden jaarlijks nog miljarden stuks geproduceerd, maar vanwege toenemende prestatie-eisen raakt dit type langzamerhand uitgerangeerd.

Van de zinkbruinsteenbatterij (ook wel: zinkkoolstofbatterij) is in 1943 een alkalische versie gemaakt, die hetzelfde werkt en eveneens niet oplaadbaar is. Daarbij is het zink niet ondergedompeld in een elektrolyt maar in een loog. Dit type heeft de hoogste capaciteit (energiedichtheid) van alle zinkbruinsteenbatterijen. Zeventig procent van alle in Nederland verkochte zinkbruinsteenbatterijen is van het alkalinetype.

Knoopcellen voor hoortoestellen – van het zinklucht-type – zijn in zeer kleine afmetingen en met hoge capaciteit beschikbaar. Horloges en rekenmachines gebruiken zilver-, lithiumen alkaline-knoopcellen.

Lithium wordt steeds vaker toegepast in batterijen, omdat lithiumcellen een hoge energiedichtheid, hoge werkspanning en groot vermogen hebben.Vanwege zeer geringe zelfontlading zijn ze bovendien lang houdbaar.Ze worden onder andere gebruikt in elektronische en telecom-apparatuur, en (digitale) fotoen videocamera’s.

 

Hoge belastbaarheid

De gesloten, oplaadbare nikkelcadmiumbatterij dateert van 1948. Ze worden toegepast in snoerloos gereedschap zoals accuboormachines, maar ook in tandenborstels en mobieltjes. Ze kennen een hoge belastbaarheid en korte oplaadtijd, en zijn bestand tegen relatief lage temperaturen. De zelfontlading is echter aanmerkelijk en er is een moeilijk kwantificeerbaar ‘geheugeneffect’ (door op te laden als de batterij niet leeg is neemt de capaciteit af). Aangezien het gebruik van cadmium, een zwaar metaal, inmiddels is verboden, zal dit type batterij de komende jaren verdwijnen.

Nikkel-metaalhydride batterijen zijn vergelijkbaar met het NiCd-type. Ze hebben echter een ongeveer twee keer hogere energiedichtheid en geen last van het geheugeneffect. NiMh-batterijen zijn daarom in opkomst en nu goed voor 25 procent van de markt.

Lithium-ion batterijen hebben een hoger energiedichtheid dan NiMh-batterijen, en geen geheugeneffect. Ze vinden vooral toepassing in fotoen video-apparatuur, laptops en mobiele telefoons.

Het nieuwste type zijn batterijen van lithium-polymeer. Ze paren een nóg hogere energiedichtheid aan ongekende elektrische en mechanische karakteristieken (elke vorm is mogelijk). Integratie van de batterij in het toestel wordt daardoor mogelijk.

De praktisch bruikbare energiedichtheid van batterijen is in de loop der jaren factoren omhoog gegaan. Deze ligt nu gemiddeld voor alle batterijen op 100 mWh/cm , of 100 Wh/l. Traditionele batterijen zitten daar ver onder, enkele tientallen Wh/l. De beste Li-ion en Li-polymeer batterijen ver er boven, 200 à 300 Wh/l.

In 2002 zijn in Nederland 220 miljoen batterijen verkocht.