Hoe werkt een batterij? Alles over batterijen

Zonder batterijen hadden we geen auto’s, geen smartphones en geen Duracell-konijntjes. Batterijen maken een belangrijk onderdeel uit van ons leven en toch stellen we ons maar zelden de vraag hoe ze nu net werken. Hieronder beantwoorden we alle vragen die jij over batterijen kan hebben. We hebben het ook over de verschillende soorten batterijen en de geschiedenis van de batterij.

Werking van een batterij

Een batterij werkt op basis van een bijzonder mechanisme waaruit een potentiaalverschil voortkomt. Aan de minpool worden door een chemische reactie namelijk elektronen vrijgemaakt, terwijl aan de pluspool elektronen worden gebonden. Wanneer zij vervolgens met elkaar in verbinding worden gebracht, bijvoorbeeld door er een toestel op aan te sluiten, zullen de elektronen van de ene naar de andere pool bewegen en voor de nodige stroomvoorziening zorgen.

Wanneer de batterij eenmaal ontladen is, zal de reactie stoppen en kan er geen stroom meer vloeien. Bij oplaadbare batterijen is wel voorzien dat de chemische reactie ook omkeerbaar is, waardoor de batterij opnieuw kan worden opgeladen.

Geschiedenis van de batterij

De uitvinding van de batterij wordt vaak aan John Daniell toegeschreven, maar in de praktijk gaat de geschiedenis van de batterij verder terug. Zo was het Benjamin Franklin die in 1748 de term ‘batterij’ voor het eerst gebruikte. Toen bestonden er namelijk al batterijen, maar hadden ze vooral amusementswaarde en geen praktische toepassingen. Een voorbeeld daarvan is de Leidse fles die in 1746 in Leiden door Pieter van Musschenbroeck werd uitgevonden. Het bestond uit glazen flessen die met tinfolie waren bekleed en gevuld waren met water. Het zijn deze flessen die Benjamin Franklin gebruikte om met zijn vlieger bliksem op te vangen, waarmee hij voor eens en voor altijd bewees dat bliksem elektriciteit is.

In de jaren ’70 van de achttiende eeuw voerde Luigi Galvani met de Leidse fles experimenten uit op kikkers. Zijn experimenten met spierstimulatie via elektriciteit – hij dacht dat hij de dierlijke elektriciteit had ontdekt dat als een levenskracht alles liet bewegen –, draaiden niet meteen op iets uit. Zijn vriend Alessandro Volta bouwde echter verder op zijn onderzoek en bouwde uiteindelijk de Zuil van Volta. Het bestond uit een zink- en een koperplaat die gescheiden werden door karton dat in zout was gedrenkt. Deze elementen werden tussen glazen staven op elkaar gestapeld. Er wordt algemeen aangenomen dat dit de allereerste batterij is. Zolang het karton vochtig was leverde het ongeveer 0,8 tot 1,1 volt op.

Uitvinding van het daniell-element

Pas dan komt John Danniell op de proppen. In 1836 vindt hij namelijk het daniell-element uit. Het was een batterij die twee elektrolyten, kopersulfaat en zinksulfaat gebruikte. Deze batterij leverde een grotere elektrische stroom dan de Zuil van Volta, hield het langer uit en was ook veel veiliger in gebruik.

Ook na John Danniell stond de evolutie niet stil. Zo vond Gaston Planté in 1859 de eerste herlaadbare accu op basis van lood en zuur uit. Zijn uitvinding wordt nog steeds gebruikt in autoaccu’s. In 1881 vond Carl Gassner dan weer de zink-koolstofcel uit die tot op heden nog steeds wordt verkocht, al genieten alkalinebatterijen tegenwoordig wel de voorkeur. Deze alkalinebatterijen werden tijdens de Tweede Wereldoorlog door Amerikaanse onderzoekers uitgevonden.

Recente evoluties

Sindsdien blijft het uitkijken naar een grote revolutie, hoewel er wel degelijk nieuwe batterijen zijn ontdekt. Er wordt al langer onderzoek verricht naar zogenaamde superbatterijen die het nog langer zouden uithouden. Ook verricht men onderzoek naar het verduurzamen van batterijen, waarbij vervuilende chemische stoffen worden vervangen door plantaardige materialen. Het blijft echter moeilijk om tot een economisch levensvatbaar product te komen dat kan concurreren met de klassieke batterijen, laat staan voldoen aan de werkelijke noden van de consument.

Een van de laatste ontwikkelingen op het gebied van accu’s is de introductie van de thuisbatterij. Op zo’n thuisbatterij kan stroom worden opgeslagen om deze later te gebruiken. Het komt tegemoet aan het feit dat zonnepanelen vooral energie opwekken wanneer consumenten niet thuis zijn. Door deze energie op te slaan, kunnen ze uiteindelijk zelfvoorzienend worden. Hierbij wordt voorkomen dat energie aan energieleveranciers moet worden verkocht voor lage tarieven en later aan duurdere prijzen opnieuw moet worden ingekocht. Daarnaast biedt een thuisaccu ook zekerheid bij stroomuitvallen. Toch zijn er aan een thuisaccu ook nadelen verbonden. Het vergt namelijk een extra investering en bovendien treedt er extra energieverlies op door de opslag en de omzetting.

Soorten batterijen

We kunnen grofweg een onderscheid maken tussen wegwerpbatterijen en oplaadbare batterijen. In beide gevallen is de werking gebaseerd op chemische reacties. Afhankelijk van de gebruikte materialen kan de batterij uiteenlopende eigenschappen hebben. Tevens kunnen we een onderscheid maken in functie van het formaat van de batterij.

Wegwerpbatterijen

Bij wegwerpbatterijen is de elektrochemische reactie niet omkeerbaar. Dit wil zeggen dat ze niet kunnen opladen en na verloop van tijd moeten worden vervangen. Dit is een belangrijk nadeel ten opzichte van oplaadbare batterijen. Toch hebben ze ook een belangrijk voordeel. Ze kunnen namelijk met een lagere zelfontlading worden geproduceerd. Hierdoor gaat er minder energie verloren wanneer de batterij gewoon in de kast ligt. Over het algemeen worden wegwerpbatterijen voornamelijk gebruikt voor apparaten die een beperkte hoeveelheid energie gebruiken, zoals kinderspeelgoed of afstandsbedieningen.

Zink-koolstofcel

De zink-koolstofcel is de batterij die door Carl Gassner werd uitgevonden. Het bestaat uit een massa van bruinsteen, een omhulsel van zink en een geleidende grafietstaaf. Het levert een nominale spanning van 1,5 volt, maar ze kunnen wel in serie worden geschakeld om een hogere spanning te bereiken. Deze batterijen worden onder meer gebruikt in wekkers en afstandsbedieningen. Een belangrijk nadeel is dat deze batterijen kunnen lekken. Het omhulsel van zink lost namelijk langzaam op, waarna zinkchloride uitlekt. Daarom hebben ze aan belang verloren en zijn ze grotendeels vervangen door alkalinebatterijen.

Alkalinebatterij

De alkalinebatterij maakt gebruik van het alkalische kaliumhydroxide, zinkpoeder, mangaandioxide en grafiet. Het levert ongeveer 3,5 keer meer energie dan de zink-koolstofcel. Dit komt omdat een alkalinebatterij zinkpoederpasta bevat en geen zinkomhulsel zoals de zink-koolstofcel, waarbij de zinkpoederpasta een veel groter zinkoppervlakte heeft. Daarnaast zijn alkalinebatterijen in normale omstandigheden veilig in gebruik, maar ze zullen uiteindelijk ook beginnen te lekken.

Een minpunt is de milieu-impact bij de productie ervan. Er is namelijk mangaandioxide nodig dat voornamelijk uit Zuid-Afrika moet worden geïmporteerd. De alkalinebatterijen kunnen wel worden gerecycled. Het zink wordt onder meer gebruikt voor daken en van het chemische afval worden er slakken gemaakt voor in de wegenbouw.

Zilveroxidebatterij

Zilveroxidebatterijen maken enerzijds gebruik van zilveroxide en anderzijds van zinkpoederpasta, net zoals ook alkalinebatterijen dit gebruiken. Ze leveren een nominale celspanning van 1,55 volt op. Deze kleine knoopcellen worden onder meer gebruikt in horloges.

Kwik-zinkbatterij

De kwik-zinkbatterijen gebruiken zink en kwik(II)oxide, een uiterst toxische en anorganische verbinding van zuurstof met kwik. Het laat zich kenmerken door een lage zelfontlading en het heeft een hoge capaciteit. Ze kunnen tot tien jaar lang ontladen en hun werking is temperatuuronafhankelijk. Daarom worden ze onder meer in pacemakers en gehoortoestellen gebruikt. Echter, kwik is ongelofelijk slecht voor de gezondheid en het milieu en daarom zijn deze batterijen intussen in de meeste landen verboden.

Oplaadbare batterijen

Bij een oplaadbare batterij kunnen de chemische processen zich ook in de omgekeerde richting voltrekken, waardoor de batterij kan worden opgeladen. Deze batterijen worden onder meer gebruikt in auto’s, smartphones en laptops. Er bestaan verschillende soorten oplaadbare batterijen die elk hun eigen toepassingsgebied, voordelen en nadelen hebben.

Loodaccu

De loodaccu is een galvanische cel zoals ze door Gaston Planté werd uitgevonden, de Franse natuurkundige die ook als eerste de fossielen van de naar hem vernoemde loopvogel Gastornis ontdekte. De loodaccu is het oudste soort oplaadbare accu dat nog wordt gebruikt. Het gaat om een accu van het natte type en daarom moet de accu altijd rechtop staan. Het levert een grote elektrische stroom, ze zijn hoog belastbaar en het heeft heel lage productiekosten, waardoor ze vaak in auto’s worden gebruikt.

Nikkel-cadmium-accu

De nikkel-cadmium-accu is een oplaadbare batterij van het droge type. Het is een vrij goedkope oplaadbare batterij en ze geven veel stroom af. Zeker bij zware elektromotoren zijn ze eigenlijk een ideale keuze, waardoor ze onder meer worden gebruikt in elektrisch gereedschap. Ze hebben daarbij een zelfontlading van ongeveer 10% per maand. Hun belangrijkste nadeel is dat ze het giftige cadmium gebruiken. Daarom worden ze toch steeds vaker vervangen door de nikkel-metaalhydride-accu.

Nikkel-metaalhydride-accu

De nikkel-metaalhydride-accu lijkt sterk op de nikkel-cadmium-accu, maar cadmium is vervangen door een waterstofabsorberende legering. Deze accu werd in 1989 uitgevonden door Stanford Ovshinsky. Door de unieke samenstelling kan het meer energie opslaan, maar het levert wel minder vermogen en het heeft een hogere zelfontlading die tot 20% kan oplopen. Het ontbreken van het giftige cadmium zorgt er wel voor dat ze steeds meer aan belang winnen. Ze worden onder meer gebruikt in laptops en smartphones.

Nikkel-waterstof-accu

De nikkel-waterstof-accu gebruikt waterstof in een drukvat dat tot 82,7 bar is gevuld. Deze accu’s hebben een ongelofelijk hoge levensduur van minstens 180 maanden, maar vaak veel langer. Hun goede elektrische eigenschappen maakt ze vooral interessant voor de ruimtevaart. Deze accu’s worden onder meer gebruikt in het ISS, de Mars Global Surveyor en de Hubble Space Telescope.

Lithium-ion-accu

De lithium-ion-accu wordt vaak in modelvliegtuigen en in elektrische auto’s gebruikt. Het heeft een zelfontlading van ongeveer 5 tot 10% per maand en een levensduur van 24 tot 36 maanden. Een belangrijk nadeel is wel dat deze accu’s nooit te ver mogen worden ontladen. Daarom moeten hun apparaten over een eigen regelsysteem beschikken dat dit moet voorkomen.

Lithium-ijzer-fosfaat-accu

De lithium-ijzer-fosfaat-accu of de LFP-accu is een accu die lithium-ijzer-fosfaat of LiFePO4 als kathode gebruikt. Het is een vrij recent ontwikkelde batterij. Het werd in 1996 ontdekt, maar lange tijd leken praktische toepassingen door de hoge intense weerstand niet mogelijk. Nadat dit euvel is weggewerkt, is het aan belang beginnen te winnen. Het heeft namelijk een lagere kostprijs, het is onschadelijk, het is veilig en het beschikt over een hoge specifieke capaciteit. Het wordt voornamelijk gebruikt in auto’s.

Lithium-ion-polymeer-accu

De lithium-ion-polymeer-accu is een variant op de lithium-ion-accu. Het laat zich kenmerken door een lage zelfontlading en een hoge energiedichtheid. Bovendien kan het heel snel opladen (vaak niet langer dan 90 minuten), maar de levensduur is wel vrij kort. Ook heeft het geen last van het zogenaamde geheugeneffect. Deze batterijen worden onder meer in laptops en modelvliegtuigen gebruikt.

Natrium-zwavel-accu

Een natrium-zwavel-accu is een accu die voor grootschalig gebruik is ontworpen. Het werkt op basis van vloeibaar natrium en zwavel. Het heeft een hoge energiedichtheid, het gebruikt goedkope grondstoffen en het kan onbeperkt op- en ontladen. Daartegenover staan echter een aantal belangrijke nadelen, zoals brandgevaar en een hoge corrosiviteit. Bovendien moet deze accu constant op een temperatuur tussen 300 en 350°C worden gehouden, zelfs wanneer het niet wordt gebruikt. Het is vooralsnog een experimentele batterij waarbij het aantal praktische toepassingen beperkt is.

Lithium-zwavel-accu

Een lithium-zwavel-accu is een accu met een beperkte zelfontlading. Het wordt vooral gebruikt omwille van de lage soortgelijke massa van zwavel en lithium, waardoor het gewicht van de accu beperkt blijft. Het aantal commerciële toepassingen blijft momenteel beperkt. Het wordt onder meer gebruikt in onderzoeksprojecten naar permanent vliegende lichte vliegtuigen die overdag opladen met zonnepanelen en ’s nachts op hun batterijen rekenen. Onder andere Sony heeft wel al aangegeven dat ze commercialiseerbare lithium-zwavel-batterijen op de markt willen brengen.

Formaat van een batterij

Batterijen komen in uiteenlopende formaten en bij het vervangen van batterijen dient hier dan ook rekening mee te worden gehouden. In het batterijenvak van het apparaat is dit meestal weergegeven.

AA-batterij

De AA-batterij wordt ook wel eens een penlite of een mignon-batterij genoemd. Soms wordt het aangeduid met de internationale LR6- of HR6-code. Deze batterijen werken op basis van de lithium- of de alkalinetechniek en hebben een diameter van 14,5 mm en een hoogte van 50,5 mm. Ze worden onder meer gebruikt voor afstandsbedieningen en draadloze toetsenborden.

AAA-batterij

De AAA-batterij heeft een diameter van 10,5 mm en een hoogte van 44,5 mm. Het is dus iets kleiner dan de AA-batterij en het wordt onder meer gebruikt in hoofdtelefoons en speelgoed. Ze worden ook wel eens potloodbatterijen genoemd. Deze batterijen maken net zoals AA-batterijen gebruik van de lithium- en alkalinetechniek.

C-batterij

De C-batterij is een vrij zeldzame batterij en wordt ook wel eens de babybatterij genoemd. Het heeft een diameter van 26,5 mm en een hoogte van 50 mm. Deze vrij dikke batterijen worden onder andere gebruikt in meetapparatuur en zaklampen, maar soms ook in speelgoed.

D-batterij

De D-batterij heeft een diameter van 34,5 mm en een hoogte van 61,5 mm. Deze batterij wordt ook wel eens een monobatterij genoemd. Het lijkt op een C-batterij, maar is nog een tikkeltje dikker. Deze batterijen worden zelden gebruikt in consumentenelektronica. Onder meer Maglites, professionele zaklampen die extreem krachtig zijn, maken van deze batterijen gebruik.

N-batterij

De N-batterij is een van de kleinste batterijen die er zijn en wordt ook wel eens een ladybatterij genoemd. Deze kleine batterij heeft een hoogte van 29 mm en een diameter van 11,5 mm. Deze kleine batterijen worden onder meer gebruikt in sensoren, klokken en alarmsystemen.

9V-blokbatterij

De 9V-blokbatterij, verkrijgbaar in alkaline- en lithiumuitvoering, is een batterij voor apparaten die veel energie verbruiken en die continu stroom vergen. Voorbeelden daarvan zijn rookmelders en draadloze microfoons. Deze batterijen zijn rechthoekig en meten 26,5 x 17,5 x 48 mm.