Recharging ins and out

Dutch.

3-7V-digital-battery-Camera-For-font-b-Sigma-b-font-BP41-BP-41-BC-41

Waarom moeten we smartphones nog steeds zo vaak opladen?

Bijna wekelijks krijgen we de mooiste beloftes over de toekomst van de batterij, ondertussen moeten we minstens dagelijks onze smartphone opladen. NUtech zoekt uit wat we de komende jaren mogen verwachten van onze accu’s.

De batterijduur mag bij eigenlijk iedere telefoon, tablet en laptop beter. Sommige smartphones gaan een stuk langer mee dan anderen, maar uiteindelijk moeten al onze elektroniche producten nog te vaak aan de lader. Regelmatig schrijven wij verhalen met koppen als Wetenschappers verdubbelen capaciteit batterij en Nieuwe krachtige accu in enkele minuten opgeladen.

Klinkt veelbelovend, maar is het ijdele hoop? Wij vroegen het prof. dr. Peter Notten, hoogleraar Energy Materials and Devices aan de Technische Universiteit Eindhoven en batterijenonderzoeker dr. Marnix Wagemaker van de Technische Universiteit Delft.

Ontwikkeling duurt lang

“Amerikanen zijn over het algemeen sterk in claims de wereld in helpen”, zegt Notten. “De claims die universiteiten als MIT doen zijn echter vaak een onderdeel van een geheel. Wanneer je een batterij razendsnel kan opladen, wil dat niet zeggen dat die eigenschap in de praktijk ook overeind blijft.”

Wagemaker trekt eenzelfde conclusie. “In de batterijtechnologie duurt het altijd vrij lang om van een theorie tot een werkbare praktijk te komen”, aldus Wagemaker. “Er moet veel worden getest, een bruikbare batterij die in zes seconden kan opladen is gewoon geen realistisch systeem. Het zal best zo zijn dat het in een experimentele omgeving lukt een batterij zo snel te laden, maar of het praktisch en bovendien veilig is, betwijfel ik.”

Snelladen trekt namelijk een behoorlijke wissel op de onderdelen van een batterij, waardoor de levensduur wordt verminderd en onderdelen beschadigd kunnen raken. Dat kan onder meer leiden tot kortsluiting, ontploffingsgevaar en lekken door het opzwellen van onderdelen.

De claims over batterijen zijn dus geen leugens en ze worden volgens Notten gedaan omdat ze waar zijn. Tegelijkertijd zijn het beslist geen ontdekkingen die we over een half jaar al in onze telefoon kunnen gebruiken. “MIT is goed in PR, wat overigens niet per se negatief bedoeld is — in ons vakgebied zijn we in toenemende mate afhankelijk van financiering van onderzoeken door bedrijven”, aldus Notten.

Toename

Dat komt grotendeels omdat het op- en ontladen van batterijen een chemisch proces is. “Nieuwe ideeën over batterijen beginnen altijd als gedachte-experiment”, aldus Notten. “Maar zo’n idee laat zich niet één op één vertalen naar de realiteit. Daar gaan veel experimenten aan vooraf.”

Een mooie vergelijking is die met de processor. In 1965 deed Gordon Moore, medeoprichter van chipfabrikant Intel een voorspelling: “het aantal transistors in een processor verdubbelt door de technologische vooruitgang elke twee jaar”. De wet gold tot zeker 2011, inmiddels is die exponentiële groei wat afgenomen. Moore kon die voorspelling relatief veilig doen omdat de werking van de processor niet verandert naarmate het aantal transistors (die elektrische stroom versterken) toeneemt en fysiek kleiner wordt.

Met andere woorden: het recept voor de processor laat zich vrij goed schalen. Bij batterijen is dat jammer genoeg niet het geval. “Ik heb als vuistregel een toename in capaciteit van zo’n 5 tot 7 procent per jaar”, zegt Notten. Wagemaker spreekt zelfs van “tot nu toe historisch elke veertig jaar een verdubbeling”. Niet bepaald waar we op hoopten, maar wel de realiteit.

Nieuwe stappen in de batterijtechniek beslaan vaak één van de onderdelen van een accu, om echt bruikbaar te zijn moet een hele batterij worden getest, en dat kost tijd.

Hoe werkt een accu?

De werking van de lithium-ion-batterij, het type oplaadbare batterij dat in je telefoon, tablet, laptop maar ook elektrische auto zit, is tegelijkertijd simpel en complex. Zo’n batterij heeft namelijk maar een paar onderdelen, waarbij de elektroden als het ware de spil vormen.

Aan de ene kant van de batterij is dat de negatieve elektrode waarin veel lithium in is opgeslagen in de opgeladen toestand, vaak in grafiet.  Aan de andere kant van de batterij zit de positieve elektrode waar lithium graag in opgeslagen zou willen worden. Wanneer je zo’n batterij oplaadt bewegen de positief geladen lithium-ionen zich van de positieve elektrode  door een vloeistof naar de negatieve elektrode aan de andere kant; de grote oversteek.

In veel gevallen is de positieve elektrode gemaakt van ijzer, mangaan, kobaltrijke oxiden of fosfaten omdat daar een relatief hoge energiedichtheid mee te bereiken is. Vuistregel: hoe dichter en dikker de elektroden, hoe meer energie de batterij kan opslaan, maar hoe langer het duurt om hem op te laden.

“Zie de ionen als bezorgers die een pakje afgeven, en later weer aannemen, in dit geval de lading”, legt Wagemaker uit. “De elektroden slaan deze ionen op, en hoe dikker deze elektroden zijn hoe lastiger het voor de ionen is om er doorheen te komen, net als dat het langer duurt om je door een grote mensenmassa heen te banen.  Toch willen we dikkere elektroden omdat we dan meer lading, en dus meer energie kunnen opslaan.”

De ionen willen veel liever in de positieve elektrode zijn in plaats van in de negatieve elektrode,  maar ze kunnen daar pas heen wanneer wij de batterij gebruiken waardoor de ladingscirkel rond is. Op dat moment levert de batterij elektronen (en dus stroom) waardoor de ionen naar de positieve elektrode kunnen.  Klinkt relatief simpel, waarom is er dan zo weinig vernieuwing?

Verbeteringen

We willen accu’s op twee hoofdvlakken verbeteren: we willen meer capaciteit en we willen sneller opladen. Als gezegd komt daar direct al een tegenstelling om de hoek kijken: een grotere capaciteit betekent in de regel een langere laadtijd. “In het huidige batterij-ontwerp kunnen we op twee manieren wat verbeteren”, zegt Wagemaker. “Ten eerste de toepassingen van nieuwe materialen, zoals silicium in plaats van grafiet. Dat vergroot de capaciteit en maakt meer ladingdragers mogelijk.”

“Daarnaast kunnen we de hoeveelheid actief materiaal per gewicht van de batterij verbeteren. Door de elektroden dikker en dichter te maken, is een potentiële toename met een factor twee te bereiken. Daarbij is de vormgeving van de elektroden een uitdaging, batterijen worden steeds dunner en abstracter van vorm”, aldus Wagemaker. “Maar het zijn stapjes, reken erop dat een verdubbeling in capaciteit historisch gezien veertig jaar duurt, maar met de huidige onderzoeksnelheid is dat vast sneller.”

Notten noemt zichzelf ondertussen cynisch. “Bij nieuwe technieken is het belangrijk om het geheel te onderzoeken. In principe kan er namelijk heel veel”, aldus de professor. “Bij elke nieuwe techniek is er wel een trade-off; het ene voordeel levert een ander nadeel op. Ik verwacht daarom de komende twintig jaar geen gigantische verbeteringen op het vlak van lithium-ion-technologie”, zegt Notten.

Nieuwe batterijtechniek

Een geheel andere batterijtechniek zal volgens Wagemaker ook niet snel de norm worden. “Lithium-ion blijft leidend wat betreft de energiedichtheid”, aldus de batterijonderzoeker. Hij wijst daarbij niet alleen op de chemische struikelblokken bij het evolueren van een batterij, maar ook op puur praktische.

Lithium-ion-batterijen worden namelijk op maat gemaakt voor een apparaat. Er moet worden bepaald hoeveel spanning het apparaat nodig heeft bij het opladen, hoeveel spanning die afgeeft bij gebruik en dat alles moet zo veilig mogelijk en zo duurzaam mogelijk gebeuren. Je wilt niet met een tikkende tijdbom in je broekzak lopen, en je wilt ook niet dat de batterij in je telefoon na een half jaar al uitgeput is.

In dat licht is het voor makers van mobiele apparaten daarom puur praktisch erg handig om een lithium-ion-batterij te gebruiken die zichzelf al heeft bewezen. Een volwassen techniek is goedkoper, veiliger en kan snel worden gemaakt. Er zijn tal van fabrieken die lithium-ion-accu’s produceren, allemaal volgens datzelfde basisrecept.

Als een nieuwe techniek zich in experimenten heeft bewezen, zouden fabrieken nog aangepast moeten worden, er zouden nieuwe materialen moeten worden ingekocht, de techniek zou in alle landen waar die op de markt komt goedgekeurd moeten worden. Dat zijn alleen al de praktische hordes die optreden zelfs wanneer een veelbelovende vondst inderdaad levensvatbaar blijkt. Gezien al die hordes willen fabrikanten graag zeker zijn van hun zaak, mede daarom zien we zo veel experimenten.

Kleine stapjes

Een mooie metafoor voor de gehele batterijtechniek: zelfs als het kan, is het nog maar zeer de vraag of het ook daadwerkelijk wat oplevert. Toch valt er ook volgens Notten nog genoeg te winnen. “Door de vloeistof in lithium-ion-batterij te verwisselen door een vaste stof krijg je een stabieler systeem”, aldus Notten. “Maar het is wel een endgame, gigantisch veel is er op het vlak van lithium-ion niet te winnen.”

Kleine stapjes dus, met veel, heel veel experimenteren. Een schrale troost, maar het helpt te weten hoe efficiënt de batterijen die we nu gebruiken eigenlijk al zijn. “Lithium-ion-batterijen hebben een energie-efficiëntie van meer dan 95 procent”, zegt Notten. “Bij niet-oplaadbare alkaline-batterijen ligt dat rond de 60 procent.”

Advertenties

Geef een reactie

Vul je gegevens in of klik op een icoon om in te loggen.

WordPress.com logo

Je reageert onder je WordPress.com account. Log uit / Bijwerken )

Twitter-afbeelding

Je reageert onder je Twitter account. Log uit / Bijwerken )

Facebook foto

Je reageert onder je Facebook account. Log uit / Bijwerken )

Google+ photo

Je reageert onder je Google+ account. Log uit / Bijwerken )

Verbinden met %s