|
Trefwoorden |
Batterijen en accu's Inleiding In veel elektronische apparatuur worden batterijen of accu's toegepast, vaak om deze onafhankelijk van het elektriciteitsnet te kunnen gebruiken. Naast dit soort toepassingen vinden we deze vorm van energieopslag ook terug indien apparatuur moet worden beveiligd tegen het uitvallen van deze netspanning of om informatie vast te houden indien de netspanning voor korte of langere duur wordt uitgeschakeld. In die gevallen vinden we de accu en batterij terug in een externe beveiligingsunit (uninterruptable power supply, UPS), geheugen batterij of back-up voor de (interne) klok. Ook de wekker op het nachtkastje heeft vaak zo'n back-up batterij, al dan niet zelf aan te brengen. Omdat er veel verschillende soorten batterijen en accu's in omloop zijn, is het nuttig om deze eens dichterbij te bekijken. De term 'batterij' wordt in Nederland meestal wordt gebruikt als aanduiding voor een enkelvoudig, droog, galvanisch element dat niet herlaadbaar is. Het begrip 'accu' wordt in Nederland het meest toegepast voor één of meer wel herlaadbare elementen. Met opzet wordt hier de 'batterijen' als enkelvoudige element aangeduid, omdat dit woord verder meestal naar een verzameling elementen verwijst, hetzij galvanische elementen, stukken geschut of misschien wel kippen. Om de verwarring compleet te maken wordt in het buitenland het woord 'batterij' juist gebruikt ter aanduiding van een verzameling herlaadbare elementen. Dit buitenland begint al meteen in Vlaanderen, waar een auto accu, de 'batterij' wordt genoemd. In een batterij en accu wordt binnen de cel het elektrische potentiaalverschil opgewekt ten gevolge van een intern elektronen (en ionen) transport. Bij een batterij is dit een eenmalige gebeurtenis, maar bij een accu kan de situatie in een regeneratieproces weer naar de uitgangspositie worden teruggebracht, waarna het systeem opnieuw kan worden gebruikt voor het leveren van energie. Beide systemen zijn in principe afgesloten van de omgeving en alle processen vinden plaats binnen de afgesloten ruimte. Een andere vorm van elektrische energie opwekking vindt plaats in de brandstofcel, die vooral de laatste jaren een grote ontwikkeling doormaakt. Het ionen- en elektronen transport vindt hier plaats door een van buiten af toegevoerd medium, dat daarbij verbruikt wordt. Het medium kan bestaan uit een gas of een vloeistof, waarbij de energieleverantie van de cel stopt zodra de toevoer van dit medium wordt beëindigd. Dit andere type van energievoorziening wordt in dit artikel even buiten beschouwing gelaten.
De geschiedenis van het galvanische element als leverancier van elektrische energie begint eigenlijk pas goed rond het jaar 1800, met de zuilvormige elementen van Alessandro Volta. Deze waren het vervolg op de eerdere ontdekking van de samentrekking van een vochtige spier van een kikker onder invloed van het contact met metalen door Luigi Galvani. Naar hem werd later het 'galvanische' element genoemd als bron en opslag van elektrische energie. Meer diepgaand onderzoek van Alessandro Volta leverde de achtergrond van de samentrekkingen van de kikkerpoot in contactpotentialen, die aanwezig zijn tussen verschillende metalen en die een stroom hiertussen kunnen laten vloeien indien er in een vochtige omgeving voldoende ionen beschikbaar zijn als bron voor elektronen die deze elektrische stroom 'dragen'. Uit dit onderzoek kwam de later naar hem vernoemde 'spanningsreeks van Volta' voort, een tabel waarin de contactpotentialen tussen verschillende metalen zijn opgenomen. Deze spanningsreeks is tevens de achtergrond van allerlei schade door corrosieverschijnselen in de scheepvaart en bij metalen leidingen in de grond. Via het onderzoek aan contactpotentialen kwam Volta op de ontdekking van het 'galvanische element' dat in zijn uitvoering bestond uit een houder met een koperen en een zinken plaat en een vochtige doek daartussen, die in een zoutoplossing was gedrenkt voor de levering van de ionen en elektronen voor het interne stroomtransport. De klemspanning van dit element was 0,8 V. Een Volta-'zuil' bestaat dan uit een aantal van deze elementen in serie, waardoor er een bruikbare spanning ontstaat, die bovendien een redelijk constante stroom kan leveren.
In zijn onderzoek heeft Alessandro Volta ook het begrip elektrische stroom gedefinieerd, hoewel deze term pas gangbaar is geworden na het onderzoek en de publicaties van André Marie Ampère. Deze laatste mocht daarvoor zijn naam geven aan de eenheid van stroomsterkte. De definitie van de eenheid van potentiaalverschil in de 'volt' is dan weer naar Volta genoemd. Eén van de gevolgen van de beschikbaarheid van deze redelijk hanteerbare bron van elektrische energie in de vorm van de Volta zuil was overigens de ontwikkeling van de telegraaf in de eerste helft van de 19e eeuw en het verdere onderzoek aan elektriciteit en elektrische verschijnselen, die zulke immense gevolgen heeft gehad voor onze tijd en dit nog steeds, en steeds meer, heeft.
Na Volta werd het galvanische element verder ontwikkeld door vele onderzoekers waaronder Becquerel in 1829 (naar wiens kleinzoon de eenheid van radioactief verval werd genoemd), Meidinger en Daniël in 1836, Bunsen in 1842 (dezelfde man van de Bunsen brander) en Leclanché in 1868. Deze laatste heeft de voorloper van de droge batterij ontwikkeld door toevoeging van bruinsteen (MnO2) bij de positieve elektrode. Verder bestond dit element uit een koolstaaf en een zinken bakje, dat later de buitenkant van de batterij is geworden. Vanwege de uitvinder en de samenstelling staat deze cel dan ook bekend als het Leclanché element. In een batterij wordt chemische energie omgezet in elektrische energie. Hoewel een batterij in theorie uit een oneindige variëteit aan materialen kan worden geconstrueerd, zijn er in de praktijk maar een beperkt aantal materialen die hiervoor in aanmerking komen. Een aantal bekende zijn: zink met mangaan-dioxide, zink met kwik oxide, lithium met mangaan dioxide, lood met lood peroxide en cadmium met nikkel oxide. Door de materialen aan de minpool van de batterij kunnen elektronen worden vrij gemaakt, terwijl door de stoffen rond de pluspool juist elektronen kunnen worden gebonden. Indien een verbruiker (motortje, lampje) op de batterij wordt aangesloten, zullen de aan de minpool vrijgemaakte elektronen via deze verbruiker naar de pluspool gaan en daar worden vastgelegd. De stroom door de verbruiker doet hierin een zeker vermogen ontstaan, dat gelijk is aan de stroom door deze verbruiker, vermenigvuldigd met de spanning er overheen, dus de klemspanning van de batterij. De chemische reacties aan de plus- en minpool, die zorgen voor deze elektronen 'generatie' en 'opname', verlopen meestal via een aantal tussenstappen en zijn specifiek voor de gebruikte materialen. Bij niet-oplaadbare batterijen zijn deze processen éénmalig, meestal omdat de constructie zich niet leent om de mechanische veranderingen op te vangen die tijdens het laadproces ontstaan. Door toepassing van speciale laadtechnieken die hiermee rekening houden kan soms toch enige lading opnieuw worden opgeslagen, maar hier dient voorzichtig mee te worden omgegaan wegens de mogelijkheid van batterij lekkage of zelfs ontploffingsgevaar. Accu's, of oplaadbare batterijen zijn juist geconstrueerd om de chemische processen omkeerbaar te maken, al varieert het aantal malen dat dit proces kan worden herhaald sterk per type. Voor de meest gangbare typen moet gerekend worden met enkele tientallen laad- en ontlaad cycli, met een gemiddelde tussen vijftig en honderd maal. Een uitzondering vormen de lithium accu's, die honderden malen kunnen worden herladen. Afhankelijk van het type zal de klemspanning van de batterij of accu meer of minder dalen tijdens het gebruik. Dit is voor elektronische schakelingen doorgaans minder gewenst, reden waarom bij de vervaardiging van de galvanische elementen wordt gestreefd naar een zo constant mogelijke klemspanning tijdens de levensduur. Sommige typen zijn daarom juist bekend door hun kleine spanningsverandering tijdens de bruikbare periode. Omgekeerd zal bij herlaadbare batterijen de klemspanning langzaan toenemen tijdens het laadproces. Bij de meeste accu's zal deze langzame toename veranderen in een (kleine) snelle stijging wanneer de accu vol raakt. Ook weer afhankelijk van het type zal deze snelle toename in het millivolt tot enkele tientallen millivolt bereik liggen, maar is m.b.v. daarvoor geschikte schakelingen toch eenduidig vast te stellen, waarmee een betrouwbare indicatie wordt verkregen ter beëindiging van het laadproces. De meeste accu's kunnen betrouwbaar worden geladen met een stroom rond 1/10 van de nominale capaciteit. Zo kan een accu met een capaciteit van 25 Ampère-uur prima worden geladen met een constante stroom van 2,5 Ampère, gedurende ca 12 uur, omdat deze laadprocessen geen perfect rendement hebben. Er bestaan ook accu's die ontworpen werden om (veel) sneller te herladen, met laadstromen van 2 tot 5 maal de nominale capaciteit aan toe. Tijdens zo'n laadproces kunnen hoge temperaturen optreden en hier zal steeds rekening mee moeten worden gehouden in de vorm van temperatuur bewaking, beveiliging en bestendigheid van de behuizing. Desondanks moet terughoudend worden omgegaan met snelladingen omdat zo'n sterk laadregime niet bevorderlijk is voor de levensduur en alleen moet worden toegepast als dit echt noodzakelijk is. In alle andere gevallen heeft een 'standaard' laadregime de voorkeur. Voor de grootste levenduur gedijen de meeste accu's het best op een stroom/spanning regime. Hierbij wordt de accu geladen met een (liefst gepulste) stroom van de hier boven aangegeven waarde totdat deze geheel geladen is. Op dat moment wordt overgeschakeld op een gelijkspanning, gelijk aan de accuklemspanning bij volle lading. Deze gelijkspanning hoeft overigens geen grote stroom te kunnen leveren. Onder deze condities kan de accu voor lange tijd worden bewaard, totdat weer energie wordt gevraagd door een gebruiker. Met een dergelijk laad/conserveringsregime kan de levensduur met tientallen procenten worden verlengd, zeker onder 'UPS' condities. Ook weer afhankelijk van het type hebben batterijen en accu's een verschillende klemspanning. Deze kan variëren van 1,2 volt bij een volle cel voor sommige nikkel-cadmium (NiCad) uitvoeringen tot meer dan 3 volt bij lithium typen. Voor nog hogere spanningen worden cellen in serie geplaatst, steeds met gelijke karakteristieken per cel. Het type van de samenstellende delen herkent men dan aan veelvouden van de specifieke klemspanning; 4,5 volt werd samengesteld uit 3 (Leclanché) elementen van 1,5 volt, 9 volt uit 6 van deze elementen en 22,5 volt uit 15 elementen. Bij de meeste batterijen en accu's gaat de klemspanning wat omlaag tijdens de levensduur en ook tijdens de bewaartijd. Zoals eerder gemeld hangt de mate waarin sterk samen met het specifiek batterijtype, al worden de meeste galvanische elementen ontworpen voor een zo constant mogelijke klemspanning over de levensduur. Het is daarom niet goed mogelijk om de resterende lading van een batterij vast te stellen aan de hand van de klemspanning, zeker niet wanneer de batterij bestaat uit een aantal in serie geschakelde elementen. Ook de inwendige weerstand zal toenemen tijdens gebruik en dit kan wel een goede indicator zijn. De toestand van een batterij kan daarom het beste worden gemeten onder een zekere belasting, die bij voorkeur niet al te klein moet zijn. Voor een eerste indicatie kan daarom het beste (kort) worden gemeten welke (forse) stroom de batterij nog kan leveren; meet hiervoor bij voorkeur (bij) een stroom die overeenkomt met de capaciteit, b.v. 3 Ampère voor een (volle) AA-type alkaline batterij. Verschillende batterij typen kennen ook een verschillende zelfontlading, die per type sterk uiteen kan lopen. Zo hebben nikkel-metaal-hydride (NiMH) accu's doorgaans de hoogste zelfontlading, die de restlading al na ongeveer een maand doet teruglopen met een aanmerkelijk deel van de capaciteit. De lithium typen kennen de laagste zelfontlading, waarbij de restcapaciteit ook na meer dan een jaar nog nauwelijks is afgenomen. Andere typen vallen tussen deze twee uitersten, waarbij bewaartijden van een jaar tot aan het gebruik toch wel als maximum moeten worden gezien. Voor de levensduur van de batterij maakt het veel uit hoe deze wordt toegepast. Bij een relatief lage stroom, die met grotere tussenpozen wordt gevraagd, is b.v. ammonium-chloride de beste oplossing, terwijl voor grotere stromen die meer continu van aard zijn, de zink-chloride batterij het best op zijn plaats is. Dat is ook de reden waarom de meest optimale toepassing vaak op de batterij staat aangegeven; bij deze toepassingen levert de batterij de meeste energie (verlichting, speelgoed met motoren, communicatie (GSM) etc.). Toestellen die zowel voor batterijen als accu's geschikt zijn, werden ontworpen om te kunnen werken bij een zeker bereik aan klemspanningen, b.v. 2,4 - 3,2 volt bij toepassing van (twee) nikkel-cadmium accu's of alkaline batterijen. Deze tolerantie kan zijn verkregen in de schakeling zelf of door toepassing van spanningstabilisatoren of omvormers, die de aangeboden spanning eerst omzetten naar een constante waarde voor de inwendige elektronica. Dit laatste geldt zeker voor apparaten die ook in de auto moeten kunnen functioneren op het daar aanwezige boordnet (GSM, navigatie apparatuur). Leclanché element Het Leclanché
element, is ook bekent als zink / mangaan-dioxide batterij,
zink-kool batterij of droge batterij. Dit is ongeveer de oudste, industrieel
en op grote schaal vervaardigde batterij. In oervorm werd dit element vanaf
omstreeks
In moderne vorm bestaat het element uit een zinken bakje als omhulling en negatieve elektrode met mangaandioxide als positieve elektrode, aan te sluiten via de centrale koolstaaf. Als scheiding wordt een elektrolyt in de vorm van ammoniumchloride toegepast (NH4Cl2) of zinkchloride (ZnCl2). De eerste is superieur bij lage belasting over langere periode en is goedkoper in productie. De levensduur wordt verlengd wanneer perioden onder belasting worden afgewisseld met rust perioden, waarbij de batterij zich enigszins kan herstellen. Het tweede type wordt vooral toegepast wanneer grotere stromen over een kortere tijd moeten worden geleverd. Een herstel periode speelt hier een minder belangrijke rol bij de totale levensduur, hetgeen ook weer een verbetering is t.o.v. het meer conventionele type. De zelfontlading is echter weer wat hoger dan bij het eerste type. Uit figuur 1 blijkt duidelijk dat afdichting van de diverse compartimenten belangrijk is om een zo goed mogelijk lekvrij product te verkrijgen. De volledig geladen batterij heeft een klemspanning van 1,6 volt, die daalt tot juist beneden 1,3 volt aan het einde van zijn bruikbare leven. De energie dichtheid is met 80 Wh/kg de laagste uit de niet herlaadbare serie, maar steekt zeker niet ongunstig af bij de herlaadbare batterijen. Wanneer verder de nominale capaciteit wordt gesteld op 100% bij een omgevingstemperatuur van 20 ºC dan ligt deze op 120 % tot 130 % bij een temperatuur van 40 ºC, maar ook op ca 70 % bij 0 ºC De alkaline batterij In het begin van de jaren
'60 van de vorige eeuw werd de
'alkaline' batterij op de markt gebracht. Dit is ook een zink mangaan-dioxide batterij als het oorspronkelijke Leclanché element, maar met een wat andere constructie.
Zo bestaat de buitenzijde b.v. uit een houder van blik, die niet mee doet aan
het proces, en is het dopje van de pluspool niet meer de aansluiting op de
centrale koolstaaf, die ook verdwenen is. De mangaan elektrode werd verder opgenomen
in een alkalische oplossing die nu geplaatst werd aan de 'buitenzijde' van de
zink elektrode en verder werd speciale aandacht besteed aan de afdichtingen.
Hierdoor ontstond een batterij die verkocht kon worden als 'lekvrij' en
bovendien met een heel lage zelfontlading.
Dit type kan uitstekend worden toegepast bij applicaties die maar af en toe wat energie moeten leveren en daarna weer een tijdje rusten, zoals in foto camera's, zaklantarens, afstandbedieningen, en veel meer van onze moderne draadloze 'handigheidjes'. Hoewel deze batterijen in principe kunnen worden opgeladen, moet dit liever niet worden geprobeerd met de standaard alkaline types. Deze zijn daar niet speciaal voor gemaakt en kunnen hierdoor spontaan gaan lekken of zelfs ontploffen. De volledig geladen batterij heeft evenals het Leclanché type een klemspanning juist beneden 1,6 volt, die omlaag gaat tot juist onder 1,1 volt in vrijwel ontladen toestand. De energie dichtheid is met 120 Wattuur/kg een stuk hoger dan het 'standaard' Leclanché type. Ook hier loopt de capaciteit sterk terug bij lagere temperaturen. De zink-kwik cel Een ander type batterij is de knoop cel in de vorm van de zink-kwik batterij, die tegenwoordig niet meer mag worden toegepast om milieu-technische redenen. Deze werd op de markt gebracht rond de jaren '40 en werd in een grote uitvoering vooral in militaire toepassingen gebruikt, ook al vanwege zijn heel lage zelfontlading.
Het kwikoxide met zijn hoge energiedichtheid is toegepast bij de positieve elektrode, meteen aan de metalen buitenzijde van de cel. Voor de negatieve elektrode is zink in poedervorm toegepast, aangesloten via de metalen afsluitkap aan de bovenzijde. Beide elektroden worden weer gescheiden door de sterk basische kaliumhydroxide (KOH) oplossing. De zink-kwik batterij heeft een klemspanning van 1,35 volt, die lang constant blijft en waarbij het ontlaadregime met variërende stromen en onregelmatig gebruik nauwelijks invloed heeft op de levensduur. Bij einde levensduur is de celspanning gezakt tot 1,3 volt. Dit cel-type is overigens minder geschikt voor hoge ontlaadstromen en werkt minder goed bij lage temperaturen. Ook na lange bewaartijd heeft de cel nog weinig van zijn lading verloren. Een variant met een mengsel van kwikoxide en mangaan dioxide is beter geschikt voor hogere stromen en heeft een klemspanning van 1,4 volt. De energie-inhoud valt met 100 Wh/kg tussen de standaard cel en de alkaline batterij.
De zink-zilver cel De zink-zilver batterij is goed
te vergelijken met het vorige type en ziet er in vele toepassingen ook hetzelfde
uit. Deze batterij werd begin jaren '60 van de vorige eeuw geïntroduceerd,
vooral vanwege de vraag naar een wat hogere klemspanning die hierbij op een
nominale waarde van 1,5 volt werd gebracht. De energie-inhoud kon worden
verhoogd tot 120 Wh/kg en is daarmee beter te vergelijken met het alkaline
type.
Er bestaan twee typen van uitvoering; met monovalent zilver en divalent zilver, waarbij de eerste in grotere aantallen wordt vervaardigd, maar de tweede een wat hogere capaciteit heeft, bij verder gelijkblijvende klemspanning. Ook dit type heeft een heel lage zelfontlading en is, evenals de zink-kwik batterij bedoeld voor lage ontlaadstromen en heeft dan dezelfde constante klemspanning gedurende de levensduur. Een volle batterij heeft een klem spanning van een kleine 1,6 volt, die terug loopt tot juist onder 1,5 volt bij einde levensduur. De zink-lucht cel Een volgend type is de zink-lucht batterij, die verschilt van de vorige types omdat hierbij maar één van de elektrodes in de cel is aangebracht; de andere wordt gevormd door zuurstof uit de lucht. De cel begint dan ook pas te werken nadat een papiertje is verwijderd dat de lucht toevoer gaten afgedekt houdt.
Door deze constructie kan binnen hetzelfde volume ongeveer twee maal zoveel negatieve-elektrode inhoud worden aangebracht, waardoor de levensduur sterk wordt verlengd t.o.v. het vorige type. De zeer klein gehouden gaatjes tezamen met de speciale constructie van de 'lucht' elektrode laat lucht toe, maar verhindert de doorgang van water en kooldioxide, waarmee lekkage wordt voorkomen. Vroeger werd dit type in grotere uitvoeringen toegepast maar de 'knoop' uitvoering is van meer recente datum en wordt veel in gehoorapparaten toegepast, juist vanwege de relatief lange levensduur. Een volle cel heeft met ruim 1,2 volt een wat lagere klemspanning dan het vorige type, waarbij de spanning over de levensduur nog weer constanter is; bij einde levensduur is deze teruggelopen tot juist beneden 1,2 volt. De energie- inhoud is met 120 Wh/kg weer mooi hoog en ook dit type is bedoeld voor kleine ontlaadstromen. De lithium batterij De lithium batterij is als nieuwkomer een beetje een buitenbeentje met een klemspanning van 3 volt per cel of hoger, afhankelijk van het materiaal van de tweede elektrode. Deze hogere spanning komt door toepassing van het metaal lithium i.p.v. zink, zoals bij elke vorige batterij. Hierdoor heeft deze cel de hoogste energie inhoud van alle tot nu toe besproken typen en heeft ook het laagste gewicht bij dezelfde inhoud.
De lithium cel heeft vele verschijningsvormen, waarvan figuur 6 maar een voorbeeld is; ook de 'knoop' cel voor back-up energie van de klok-chip in computers is bekend. Door toepassing van het lithium zal deze batterij na afdanking het milieu minder belasten, al zal de verwerking op een zorgvuldige wijze moeten plaats vinden omdat lithium nogal krachtig reageert wanneer het met water in aanraking komt. Dat is ook de reden dat deze batterijen vooral niet beschadigd mogen worden. Mede dankzij deze hogere spanning is de energie-inhoud met 150 Wh/kg voorlopig de hoogste uit het rijtje, terwijl ook het gewicht wat lager is dan de andere bij hetzelfde volume. De toegestane ontlaadstromen zijn wat lager maar de zelfontlading is zo klein, dat deze batterij ook na jaren in opslag nog over voldoende capaciteit kan beschikken. Een lithium-mangaanoxyde type heeft een klemspanning van juist boven 3 volt bij volle lading, die terug loopt tot 2,5 volt aan het einde van zijn bruikbare leven. Meer over de diverse verschijningsvormen en andere informatie over batterijen is te vinden op internet, zoals ook hier. Alkaline accu Gaan we nu over naar de oplaadbare batterijen, die we in het Nederlands aanspreken met 'accu'. De herlaadbare alkaline batterij zien we niet zo vaak, waarschijnlijk omdat de laadstromen niet te hoog mogen zijn en ook de ontlaadstromen beperkt moeten blijven. De herlaadbare typen hebben een iets gewijzigde constructie t.o.v. de eerder besproken alkaline batterijen, een iets lagere capaciteit en een hogere zelfontlading, die overigens met ca 0,01 % per dag nog steeds een van de laagste is in deze serie. Helaas kunnen ze maar 20 tot 50 maal worden herladen, hetgeen overigens nauwelijks minder is dan de andere, klassieke oplaadbare batterijen. De energie-inhoud is met 100 Wh/kg echter een van de hogere bij een klemspanning van 1,3 volt. Nikkel-cadmium accu Daarbij steekt de nikkel-cadmium accu (NiCad), die ook al op de markt is sinds begin van de twintigste eeuw, met zijn 60 Wh/kg toch maar povertjes af. Ook de zelfontlading van dit type is niet erg laag en vaak is de energie-inhoud binnen een maand al flink terug gelopen. Verder moet gewaakt worden tegen te lange bewaartijden in ontladen toestand omdat dan zogenaamde 'whiskers' kunnen groeien; dat zijn dunne naalden van kristallijn metaal, die door het elektrolyt heen groeien en de accu inwendig kortsluiten. Soms helpt het om zo'n gesneuvelde accu weer tot leven te wekken door er een flinke elco over te ontladen, maar de kans dat dit lukt is kleiner dan 50 %.
De nikkel-cadmium accu wordt gefabriceerd in veel verschillende vormen en afmetingen en de verschijning in figuur 7 is dan ook maar een voorbeeld. Ze zijn geschikt voor verhoudingsgewijze hoge stromen en worden daarom ook veel toegepast bij allerlei elektrische gereedschappen en als 'tractie batterij' bij industriële voertuigen voor binnen een gesloten ruimte. Het aantal laad- ontlaad cycli is met ca 100 x zeker niet slecht en ook bij lagere temperaturen voldoen ze nog steeds goed; onder niet te hoge belasting en bij 0 ºC beschikt de cel nog over ca 85 % van zijn capaciteit bij 20 ºC. Vroeger hadden NiCad cellen last van een 'geheugen' effect, waarbij de capaciteit terug liep wanneer de batterij te vaak niet helemaal ontladen was, wanneer deze opnieuw werd geladen. De batterij leek zich dan deze restlading te herinneren waarna de stroomleverantie de volgende maal sterk afnam op ditzelfde punt. De remedie hiertegen is de accu één of meerdere malen volledige te ontladen en herladen voordat deze weer in gebruik wordt genomen. Dit effect werd al geruime tijd geleden verholpen en komt tegenwoordig nauwelijks meer voor al heeft de herinnering hieraan een taai leven. Een groot voordeel van dit type is verder de grote laad- en ontlaad-stromen die probleemloos kunnen worden verwerkt, ook bij lagere temperaturen, reden waarom NiCad's nog steeds veel worden toegepast, vooral bij kracht-gereedschappen. Wanneer bij snellading gebruik wordt gemaakt van reflectie lading, korte periodes van ontlading gedurende de oplaad periode, neemt de capaciteit nog wat toe en wordt de levenduur van de accu wat verlengd. De achtergrond hiervan is te vinden in de heropname van intern geproduceerd gas gedurende de reflex-perioden. De energie inhoud is met ongeveer 60 Wh/kg beter dan de loodaccu maar veel minder dan het lithium type. In volgeladen toestand is de klemspanning maximaal 1,35 volt, die terug loopt tot ca 1,15 volt bij volledige ontlading, een toestand die overigens niet te lang mag worden volgehouden. Nikkel-metaal-hydride accu
Omstreeks de jaren '80 van de vorige eeuw werd de nikkel-metaalhydride accu (NiMH) geïntroduceerd. Deze is nog steeds niet helemaal uitontwikkeld en daarom zijn er wat grotere kwaliteitsverschillen tussen de diverse merken dan bij de andere typen. De NiMH accu wordt algemeen beschouwd als veel belovend voor de toekomst, maar heeft nog zeker niet zijn optimale constructie bereikt. De energie inhoud is met 70 Wh/kg wat hoger dan de NiCad's en de klemspanning is met 1,25 volt weer vrijwel hieraan gelijk. Vanaf het begin heeft dit type geen last gehad van het geheugen effect, dus hiertegen worden ook geen maatregelen gevraagd. De NiMH cel kan grote stromen leveren maar heeft een nog hogere zelfontlading dan de NiCad's. Ze dienen op dit moment ook nog wat eerder te worden afgedankt omdat het aantal laad-ontlaad cycli duidelijk lager is dan bij NiCad. Omdat er geen cadmium in zit zijn ze daarbij wat minder milieu onvriendelijk maar dienen toch als gescheiden afval te worden verwerkt. Oplaadbare lithium accu De oplaadbare lithium accu is zo'n beetje de jongste loot aan de stam. Ook hier varieert de klemspanning tussen 2,8 en zo'n 4 volt per cel, afhankelijk van de tweede elektrode. De energie-inhoud is met 120 Wh/kg wat lager dan de lithium batterij maar toch de hoogste uit het rijtje van de herlaadbare elementen. De toegestane laad- en ontlaadstromen zijn wat lager dan bij de vorige twee en moeten bij dit type ook onder beter gecontroleerde omstandigheden plaats vinden. De zelfontlading is opnieuw erg klein, waardoor deze accu geschikt is voor toepassingen waar maar heel af en toe wat energie nodig is. Het aantal laad-ontlaad cycli is met ruim 500 veel hoger dan bij de andere types. Natuurlijk moet ook dit lithium element niet worden beschadigd en dient de ontmanteling onder speciale condities te gebeuren. De restmaterialen zullen echter het milieu nauwelijks belasten. Lood-zuur accu De open lood-zuur accu is een van de oudste typen herlaadbare batterij en dateert uit het midden van de 19e eeuw. De elektroden bestaan uit lood en loodoxide, met daartussen zwavelzuur, opgelost in water. Dit type accu kan relatief hoge stromen leveren en kan ook weer met hoge stromen worden geladen. De energie inhoud is echter het laagst van de groep herlaadbare elementen, bij een hoog gewicht voor vergelijkbare inhoud. Dat deze accu toch nog steeds veel wordt toegepast is dan ook vooral te danken aan de relatief eenvoudige fabricage en daardoor lage prijs per energie inhoud, en het gemakkelijke onderhoud. De hoge stroom capaciteit maakt de accu zeer geschikt voor kracht en tractie doeleinden en wordt daarom vooral in deze omgeving aangetroffen. In sommige gevallen kan het relatief hoge gewicht zelfs ten voordele worden aangewend als tegenwicht bij lift en hijswerkzaamheden. Afhankelijk van de mechanische constructie onderscheidt men de start accu (hoge stroom gedurende korte tijd), de stationaire accu (gemiddelde stroom gedurende langere tijd) en de tractie accu (grote stroom gedurende langere tijd). De laatste heeft de mechanisch meest robuuste constructie en is daarom relatief duur. Wanneer de accu geheel is ontladen, bestaan beide elektroden uit loodsulfaat (uit het zwavelzuur) en bestaat de tussen- vloeistof vrijwel geheel uit water; hiermee is de zuurdichtheid meteen een maat voor de ladingstoestand. In garages is een z.g. zuurweger dan ook nog steeds een regelmatig gebruikt instrument ter bepaling van de ladingstoestand. In ontladen toestand met de hoge water concentratie is er kans op bevriezingsgevaar bij temperaturen beneden 0 ºC. Ter voorkoming kan de accu in winterse situaties daarom beter niet geheel worden ontladen. Verder kan door verhoging van de zuurgraad de accu wat meer 'wintervast' worden gemaakt, al wordt hiermee het bevriezingspunt maar een beperkt aantal graden verlaagd. De klemspanning ligt rond 2,35 volt bij een volgeladen accu, die terug loopt tot ca 1,7 volt bij volledige ontlading. De energie inhoud is met 30 Wh/kg de laagste uit de serie. Naast het bevriezingsgevaar is de capaciteit verder sterk temperatuur afhankelijk. Wanneer we de capaciteit op 100 % stellen bij 20 ºC, zal deze bij 40 ºC zijn toegenomen tot ongeveer 125 %, al zal bij deze temperatuur de verdamping van de accuvloeistof vaker moeten worden gecontroleerd. Aan de andere kant is de capaciteit bij 0 ºC terug gelopen tot ca 70 %, hetgeen mede een verklaring is voor winterse startproblemen bij slecht onderhouden auto accu's. Dit open type lood-zuur accu hoort overigens niet thuis in de buurt van elektronische apparatuur. Bij het laadproces ontstaan kleine gasbelletjes die kunnen ontsnappen via de speciale ontluchtingsgaten die hiervoor in de afsluitdoppen zijn aangebracht. Met deze gasbelletjes komt echter ook een beetje zwavelzuur naar buiten, dat een verwoestende uitwerking heeft op connectoren en schakelaars. Niet voor niets zit deze accu in een auto dan ook in een goed geventileerd compartiment, buiten, bij de motor. Gesloten lood-zuur accu De gesloten lood-zuur accu is beter toepasbaar in een elektronische omgeving omdat hierin het accuzuur is opgenomen in een gel-vorm en verder hermetisch is afgesloten van de buitenwereld. Dit is een moderne uitvoering van deze accu en op de markt sinds medio jaren '70 van de vorige eeuw. Ook als gel-accu zijn er vele verschijningsvormen en is de uitvoering in figuur 8 dan ook maar één van de vele.
De elektroden bestaan ook weer uit lood en loodoxide, met daartussen een vloeistof van zwavelzuur en water. In de gesloten vorm is de vloeistof gebonden in een gel-vorm en zijn er in de constructie voorzieningen getroffen die volume veranderingen mogelijk maken tussen de geladen en ontladen toestand. Mocht de inwendige gasdruk te hoog worden, b.v. bij onjuiste toepassing, dan zorgt een (zelfherstellend) veiligheidventiel er voor dat er geen gevaarlijke situaties kunnen ontstaan (ontploffing). Het voordeel van de gesloten gel-accu is dat deze in elke positie kan worden toegepast en onderhoudsvrij is. Verder is de zelfontlading lager dan bij de open vorm, en ook voor de energie inhoud per gewicht is wat lager. Door de constructie is ook de robuustheid tegen overladen lager, en is de aanschafprijs hoger. De lood-zuur accu wordt in het algemeen vooral toegepast vanwege voor zijn grote betrouwbaarheid bij intensief gebruik en laat hoge laad- en ontlaadstromen toe, al is dat in de gel-vorm beduidend minder dan in de open vorm. In geladen toestand is de celspanning ca 2,3 volt, die terug loopt tot ca 1,8 volt bij volledige ontlading. De energie dichtheid is de laagste van alle oplaadbare batterijen met ca 30 Wh/kg. Het bruikbare aantal laad- en ontlaadcycli is een gemiddelde in de accu-reeks en ook de zelfontlading is niet bijzonder laag, al is deze beduidend beter dan bij de NiCad en NiMH typen. Vanwege de eenvoudiger constructie is de prijs in capaciteit per kg echter laag en in gel-vorm vrijwel onderhoudsvrij en daarom worden zo toch veel toegepast in industriële applicaties. Er zijn veel verhalen in omloop over hoe om te gaan met het laden en ontladen van accu's. Ook worden veel laad-apparaten op de markt aangeboden, die door het grote aanbod concurrerend moeten zijn en daarom zeker niet optimaal geschikt zijn om hiermee elk type accu, toezichtloos te kunnen laden. Vrijwel alle accu's kunnen worden geladen met een stroom die ongeveer 10 % bedraagt van de capaciteit. Een accu met een nominale capaciteit van 2 Ampere.uur kan dan geladen worden met 200 mA, en dit gedurende zo'n 12 uur omdat er bij het laadproces een zeker verlies optreedt. Wordt er nog langer doorgeladen, dan raakt de accu daarvan niet direct defect maar wordt toch de levensduur verkort. Goedkope laders hebben verder meestal een vaste laadstroom, die niet optimaal hoeft te zijn voor de specifieke situatie. Verder hebben deze laders meestal geen begrenzing in de tijd zodat de laadcyclus onder gecontroleerde omstandigheden moet plaats vinden. Sommige accu's zijn gemaakt om in veel kortere tijd te worden opgeladen, en hier zijn speciale snel-laders voor op de markt gebracht. Deze zijn vrijwel zonder uitzondering ook uitgerust met temperatuur bewaking omdat onder deze omstandigheden de accu temperatuur hoog kan oplopen. Zelfs bij deze snel-laad accu's is het toch niet raadzaam dit al te vaak te herhalen, omdat dit opnieuw de levensduur bekort. Wanneer snelladen niet noodzakelijk is, kan beter met een gematigd regime worden gewerkt. Vaak is tevoren niet bekend hoe ver de accu is ontladen wanneer met het laadproces wordt begonnen. De wat betere laders hebben daarom een voorziening waarmee de accu eerst helemaal wordt ontladen, voordat met de nieuwe lading wordt begonnen. Dit werkt vooral goed bij accu's met een geheugeneffect, dat daarmee meteen kan worden opgeheven. Zoals we eerder zagen bij alle herlaadbare elementen zal de klemspanning dalen tijdens het ontlaad proces. Bij sommige accu's is dit effect heel klein, zoals bij het nikkel metaal-hydride type, maar toch altijd aanwezig. Omgekeerd zal de spanning ook langzaam oplopen bij het laad proces. Wanneer de accu vol is neemt de klemspanning vrij plotseling nog wat toe met enkele, tot enkele tientallen millivolt, afhankelijk van het type. Deze relatief snelle spanningstoename kan daarom uitstekend worden gebruikt als indicator dat de accu echt vol is en dat het laadproces kan worden gestopt. Een professionele acculader heeft daarom ook zo'n delta-V / delta-T detectie mechanisme, samen met een temperatuur bewaking en een tijdmeting als laatste zekerheid. Ook bescherming tegen kortgesloten accu's en ompolen is vaak aanwezig. Op de markt zijn verschillende
IC's verkrijgbaar die speciaal zijn ontworpen voor professionele laders en
deze detectie en bewakingsmechanismen al aan boord hebben. Een voorbeeld van
dergelijke IC's zijn de TEA 1101,
2 en 4 van NXP, voorheen Philips Semiconductors, die speciaal zijn
ontworpen voor het bewaken van het laad en ontlaad proces van de meeste typen
accu's. Een ander goed voorbeeld van een veilige accu-lader
is te vinden op mijn web-site onder 'hardware en
accessoires', met als titel: "Automatische acculader en noodstroom voorziening".
Hier wordt ook het stroom/spanning regime toegepast voor een grote levenduur van het systeem. Er zijn veel meer typen accu's en batterijen op de markt dan in
voorgaand verhaal werden besproken en bovendien is er van elk types veel meer
te vertellen. Verder staan de ontwikkelingen op dit gebied niet stil er wordt
er op veel plaatsen in de wereld naarstig gezocht naar middelen om op een
efficiënte wijze, grote hoeveelheden elektrische energie op te slaan, bij een
gering volume en laag gewicht. Vooral vanuit de militaire hoek wordt hier al
vele jaren, veel onderzoeksgeld aan besteed en dat hier tot nu toe nog geen
grote doorbraken te melden zijn geweest, zegt toch wel iets over de
moeilijkheidsgraad van dit probleem. Gezien het grote aantal accu en batterij typen, de verschijningsvormen,
de belastingscurven de energie inhoud enz., enz.,
loont het de moeite om bij speciale toepassingen eerst te zoeken naar het
meest optimale type voordat met de constructie wordt begonnen. Bob J. van Donselaar. on9cvd@veron.nl Op WIKIPEDIA vond ik nog de volgende handige overzichten over batterij
types en capaciteiten
|
|
