Chemie van de batterij

Chemie van de batterij

Sinds de introductie van de laptop, de smartphone en de elektrische wagen zijn batterijen niet meer uit ons leven weg te denken. Vergeet snellere processoren of zelfparkerende auto’s: zonder goede batterij zijn ze waardeloos. Maar hoe werkt zo’n batterij nu net?
 
Het antwoord op die vraag hangt wat af van welke batterij je juist bedoelt. Een batterij steunt altijd op een chemische reactie om zijn lading te genereren, maar welke reactie dat net is, hangt af van het type batterij. Dus:
Wat zijn de belangrijkste soorten batterijen?

Laat ons even kijken naar je laptop of je gsm. Daar vind (of vond) je drie soorten terug: nickel cadmium (NiCad), Nikkel-Metaalhydride (NiMH) en Lithium-ion (Li-ion). Lithium-ion is tegenwoordig veruit het populairst. Kijk maar eens naar de batterij van jouw laptop of gsm: grote kans dat het een Li-ion batterij is.

Kijken we naar wagens, dan rijden elektrische wagens voornamelijk op lithium-ionbatterijen en een gewone wagen maakt gebruik van een loodzuurbatterij.

Wat zijn de belangrijkste verschillen?

Voor consumententoepassingen zoals smartphones, is gebruiksduur één van de belangrijkste eigenschappen. Autobatterijen moeten dan weer vooral een hoge elektrische stroom kunnen leveren om je auto op te starten.

Wat zijn de belangrijkste verschillen tussen batterijen?

Capaciteit: deze waarde wordt uitgedrukt in Wattuur per kilogram batterij en geeft de energie aan die een batterij kan leveren.
Zelfontlading: een batterij verliest ook kracht als hij niet wordt gebruikt. Sommige batterijen (zoals de Li-ion) verliezen bijna geen kracht, andere (zoals de NiCad) verliezen erg veel van hun opgeslagen energie als je ze gewoon op het schap laat liggen.
Geheugen: sommige batterijen kunnen zich ‘herinneren’ hoe ze zijn opgeladen. Voor alle duidelijkheid: dat is geen goede eigenschap. Als je NiCad-batterijen niet opgebruikt voordat je ze weer oplaadt, zullen ze de volgende keer minder lang stroom leveren. Dat komt doordat er dan binnenin een chemische reactie plaatsvindt die kristallen vormt in de batterij. Zo verliest die een deel van zijn mogelijkheid om energie op te wekken.
Het aantal cycli: geeft aan hoe vaak je een batterij opnieuw kan opladen voordat ze niet meer werkt. Het ene type scoort daar beter dan de andere. NiMH-batterijen werken bijvoorbeeld maar voor een 500-tal cycli. Helemaal niet aan te raden voor een laptop.

Waarom vinden we zoveel Li-ion batterijen in onze toestellen?

Li-ion batterijen vind je in onder andere laptops en smartphones en elektrische wagens. Wat maakt een li-ion batterij dan zo aantrekkelijk ten opzichte van andere batterijen?

  • Ze hebben een grote energiedichtheid. Ze kunnen dezelfde energie voorzien als een loodzuur batterij in een wagen, maar wegen drie keer zo weinig en zijn zes keer zo klein.
  • Eén li-ion cel, produceert meer vermogen dan een cel uit een loodzuur batterij.
  • Ze hebben bijna geen last van een geheugeneffect,
  • Ze laden snel op.
Wat is dan het nadeel?

Ze zijn nog steeds drie tot vier keer duurder dan andere batterijen. Daarom gebruiken fabrikanten in gewone wagens nog wel loodzuurbatterijen. De prijs daalt wel.


Wil je meer weten hoe zo’n Li-ion batterij werkt? Dan lees je hieronder

Hoe werkt een gewone batterij?


Laat ons eerst even vertellen hoe een gewone batterij werkt: je hebt een positieve pool en een negatieve pool. De positieve pool wil erg graag elektronen ontvangen, de negatieve pool wil ze kwijt.
Om te vermijden dat de batterij vanzelf ontlaadt, steken ingenieurs een elektrolyt tussen de twee polen. Zo kunnen de elektronen niet vanzelf van de ene naar de andere pool migreren.
Wanneer kunnen elektronen die reis wel maken? Als je er een apparaat op aansluit. Door dit apparaat aan te sluiten, geef je de elektronen een weg om via het apparaat van de negatieve naar de positieve pool te migreren. Zo wekken ze een stroom op die het apparaat kan gebruiken en zal de batterij ontladen.


Maar hoe werkt een lithium-ion batterij dan?

Een lithium-ion batterij bestaat uit verschillende cellen en elke cel bestaat op zijn beurt uit een soort sandwich van verschillende materialen. Op de figuur is één cel getekend. De buitenste lagen van de cel zijn een aluminium- en een koperplaat (nummers 1 en 6). Zij geleiden de elektriciteit.
De volgende laagjes zijn de kathode (positieve pool, nummer 2) en de anode (negatieve pool, nummer 5). In het geval van een Li-ion batterij bestaat de kathode uit een lithiumoxide en is de anode gemaakt van bijvoorbeeld grafiet.
Tussen de lithium- en grafietlaag, bevind zich nog een elektrolyt (nummer 3) en een scheidingslaagje (nummer 4) dat niets doorlaat, behalve kleine lithiumionen.
Als de batterij van je smartphone opgeladen is, zitten de positieve lithiumionen vast op de grafietlaag. Maar daar zijn ze niet graag: ze zouden het liefst op de lithiumlaag zitten.
Als je dan een apparaat aansluit gebeuren er twee dingen: ten eerste zien de elektronen een uitweg en migreren via het apparaat naar de positieve pool. Zo wekken ze een stroom op waarmee jij Candy Crush kan spelen. Ten tweede laten de lithiumionen los van het grafiet en reizen ze door het elektrolyt en via de scheidingslaag naar de lithiumlaag.
Eens alle lithiumionen naar de positieve pool zijn gemigreerd, is de batterij leeg. Door de batterij op te laden, gebeurt de tegenovergestelde beweging en worden alle elektronen en lithiumionen terug naar de negatieve pool gedwongen. Klaar voor een nieuwe oplaadcyclus.


Nog meer weten? Bekijk dan zeker even dit filmpje.

Lithium-ion batteries: How do they work?

Alles wat je altijd al wilde weten over de batterij!

Doe het experiment zelf :

Citroenbatterij

Een batterij maken

Reageer

Fijn dat je van je laat horen!