werking van batterijen

Batterijen zijn een zeer dure vorm van energie. Een kWh uit het lichtnet kost 0,25 euro. Een kWh uit een knoopcel voor een horloge kost omgerekend gemiddeld 50.000 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. Om 1 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 batterij-typen kost veel tijd, van uitvinding tot eerste toepassing in een consumentenproduct duurt ongeveer 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.                   Lees verder…….

Natuurlijk hebben batterijen ook voordelen. 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. Eigenlijk zijn batterijen de enige manier om apparatuur draagbaar en snoerloos te maken. Als enige alternatief is er de brandstofcel, maar deze is in zijn huidige vorm nog niet geschikt. Dit komt omdat de afvoer van water vaak een probleem is, en de cel is nog steeds onbetrouwbaar en te duur.

De eerste batterij is in 1866 uitgevonden door de Franse ingenieur Georges Leclanche. Deze zink-koolstof batterij (ook wel zinkbruinsteen batterij) wordt nog steeds gebruikt. Voor het ontladen geldt devolgende reactie: Aan de zink zijde: Zn –> Zn²⁺ + 2e^–  en aan de Mangaanzijde MnO₂ + 2H2O + 2e^– –> 2MnOOH +2OH^– . De totale reaktievergelijking ziet er dan alsvolgt uit: Zn + 2MnO₂ +2NH₄Cl ?> 2MnOOH + Zn(NH₃)₂Cl₂. Mangaandioxide (MnO₂) geleid stroom slecht, zodat er koolstof doorheen wordt gemengd, voor een betere geleiding. In 1943 is van deze batterij een alkaline versie op de markt gekomen. D.w.z het ammoniumcloride wat als elektroliet fungeert in de gewone batterij bestaat bij de alkaline batterij uit (het loog) kaliumhydroxide (KOH). Verder werkt hij hetzelfde alleen de capaciteit (energiedichtheid per cm?) is hoger. De batterij gaat bij dezelfde afmetingen dus langer mee. Voor het ontladen geldt devolgende reactie: Aan de zink zijde: Zn + 2 OH^– ?> ZnO + H₂O + 2 e^–  en aan de Mangaanzijde:  2 MnO₂ + H₂O + 2 e^– ?>Mn₂O₃ + 2 OH^–  . Een ander type batterij is de knoopcel. Er zijn verschillende soorten.  Zink-lucht knoopcellen gebruikt men o.a. in hoortoestellen. Zink-Zilver en Lithium-Mangaandioxide knoopcellen kom je veel tegen in horloges en rekenmachines. Het grote voordeel van het Litium type is de grote capaciteit en het hoge voltage. Bovendien heeft dit type een zeer geringe zelfontlading waardoor ze lang houdbaar zijn ( 1% / jaar). Relatief nieuw is de Lithium-koolfluoride knoopcel, die, net als de Lithium-mangaandioxide, een organisch complex als elektroliet gebruikt. De Zink typen gebruiken kaliumhydoxide als elektroliet.

Van de oplaadbare of ook wel secundaire batterijen, was de Nikkel-Cadmium met kaliumhydroxide als elektroliet de bekendste. Deze zijn als gewone accu’s beschikbaar, alsmede de gesloten types, die veel in oplaadbaar gereedschap, mobieltjes en tandenborstels etc. gebruikt worden. Het nadeel is het geheugeneffect, en de grote zelfsontlading (10 % / maand). Erger is echter het gebruik van het zwaar milieu vervuilende metaal Cadmium. Inmiddels is het gebruik van Cadmium in batterijen dat ook verboden. Het betere alternatief is Nikkel-metaalhydide (NiMH) batterij met kaliumhydroxide als elektroliet. Deze heeft bovendien een twee maal zo hoge capaciteit als de NiCad batterij en geen last van het geheugeneffect. De zelfontlading is ongeveer de helft in vergelijking met de Ni-Cd (5% / maand). De reaktie vergelijking is alsvolgt: aan de anode : MH + OH^– ?> M + H₂O + e^– en aan de kathode : NiOOH + H₂O + e^– ?> Ni(OH)₂ + OH^–  . De anodes die in deze batterijen gebruikt worden bestaan uit een mengsel van metalen (V, Ti, Zr, Ni, Cr, Co, en(!) Fe). Sommige van deze metalen absorberen warmte bij de opname van waterstof en andere geven juist warmte af. Een goede (proefondervindelijke) samenstelling van deze metalen zorgt ervoor dat de batterij niet te heet wordt. De spanning van deze Nikkel batterijen is 1,2 Volt. Bij gewone batterijen is dit 1,5 Volt in volle toestand. Verder zijn er de Lithium-Ion en de Lithium-polymeer types, die een organisch, resp. een Li-complex als elektroliet gebruiken. Deze oplaadbare batterijen hebben een nog grotere energiedichtheid ofwel capaciteit dan de Nikkel-metaalhydride types.