Hoe werkt een batterij?

Smartphones, horloges en wagens: veel van de voorwerpen waarmee we dagdagelijks in contact komen, maken gebruik van batterijen. De batterij die in je horloge zit, is echter niet dezelfde als de accu die je smartphone aanstuurt en ook in je wagen wordt een ander soort batterij gebruikt. Ondanks de verschillende grondstoffen waaruit de batterijen bestaan, maken ze gebruik van hetzelfde basisprincipe: chemische stoffen in de accu’s worden omgezet tot elektrische energie. Op de volgende pagina’s leggen we uit wat de verschillen zijn tussen de batterijen in je smartphone, horloge en wagen. Ook kom je te weten hoe een accu werkt en aan welke ontwikkelingen we ons nog in de toekomst mogen verwachten.

Kikkerbillen

De eerste batterij kent zijn oorsprong in Italië, in de tijd dat fysici Alessandro Volta en Luigi Galvani experimenten uitvoerden met elektriciteit. Galvani ontdekte in 1780 dat spieren in een kikkerpoot samentrokken onder invloed van statische elektriciteit; een fenomeen dat later galvanisme genoemd zou worden. Toen hij in 1786 een kikkerpoot die aan een metalen haak hing, aanraakte met een metalen staaf zag hij dat de kikkerpoten ook zonder het aanleggen van elektriciteit samentrokken. Hij dacht dat dit fenomeen werd veroorzaakt door dierlijke elektriciteit, welke volgens hem bij mensen en dieren van de hersenen via de zenuwen naar de spieren vloeit om bewegingen op te wekken.

Volta weerlegde deze theorie echter. Hij dacht dat de stuiptrekking werd veroorzaakt doordat Galvani de kikkerpoten met twee verschillende soorten metalen aanraakte. Om dit te bewijzen bouwde de Italiaanse fysicus een opstelling met kommen gevuld met een zoutoplossing. Draden liepen steeds van de ene kom naar andere, waarbij van elke draad één uiteinde uit koper en het andere uiteinde uit zink bestond. Zodra de twee uiteindes elkaar raakten, vloeide er stroom doorheen de draden. Volta perfectioneerde zijn uitvinding verder door tussen glazen staven koper- en zinkplaatjes, gescheiden door een in zout water gedrenkt stukje karton, op elkaar te stapelen. De ‘zuil van Volta’ wordt aanzien als de allereerste batterij.

Elektronegativiteit

Zoals Volta proefondervindelijk ontdekte, kan je een batterij creëren door gebruik te maken van twee metalen. De twee metalen worden de elektrodes van een batterij genoemd en maken gebruik van elektronegativiteit. Deze chemische maat geeft aan hoe hard een atoom elektronen naar zich toetrekt. Door twee verschillende metalen met elkaar te verbinden, zullen de atomen in verschillende mate proberen elkaars elektronen naar zich toe te trekken. Eén van de metalen zal hier beter in slagen, waardoor alle elektronen in zijn richting zullen vloeien. Op deze manier wordt er stroom opgewekt. Bij de zuil van Volta zal er stroom vloeien van zink naar koper, aangezien ze een elektronegativiteit van respectievelijk 1,65 en 1,9 hebben.

Elektrolyt

Bij het begin van het chemische proces hebben beide elektrodes geen lading. Toch wordt de elektrode waar de elektronen naartoe zullen stromen de positieve pool genoemd, oftewel de kathode; de negatieve pool wordt anode genoemd. Eenmaal de metalen met elkaar verbonden zijn en elektronen uitwisselen, zal de kathode stilletjesaan negatief worden. Toch blijft dezelfde benaming aangehouden. In het voorbeeld van de zuil van Volta zal zink te allen tijde de negatieve pool (anode) en koper de positieve pool (kathode) genoemd worden.

Indien er enkel gebruik gemaakt wordt van twee verschillende metalen zou je batterij erg snel uitgeput zijn. Het metaal met de grootste elektronegativiteit wordt immers stilletjes aan negatiever. Eenmaal de afstotingskracht van de elektronen groter is dan de elektronegativiteit van het metaal zullen er geen elektronen meer vloeien tussen de twee materialen en stopt de productie van stroom.

Om dit probleem van de baan te helpen, wordt er gebruik gemaakt van een elektrolyt: het natte kartonnetje in de zuil van Volta. Deze stof wordt tussen de twee metalen geplaatst en laat de verplaatsing van ionen toe. Doordat de kathode negatieve ladingen heeft verzameld, zal het positieve ionen aantrekken. De anode heeft daarentegen een gebrek aan elektronen, waardoor er ionen zijn ontstaan. Dit heeft tot gevolg dat ionen doorheen het elektrolyt naar de kathode zullen bewegen, waardoor beide elektrodes wederom neutraal zijn. Pas wanneer alle ionen naar de kathode zijn gevloeid, zal de batterij geen elektriciteit meer kunnen produceren.

Herlaadbaar

Alle batterijen kunnen in twee grote groepen gesorteerd worden, namelijk herlaadbare en niet-herlaadbare batterijen. Beide types accu zullen op eenzelfde manier ontladen als in voorgaande paragrafen is uitgelegd. Dankzij het verschil in elektronegativiteit tussen de twee elektrodes zullen elektronen vloeien doorheen een elektrisch circuit. Hierdoor ontstaan ionen aan de anode, welke doorheen het elektrolyt naar de kathode bewegen.

Bij herlaadbare batterijen kan je dit proces omdraaien door een externe stroombron aan te sluiten. De bron zal de elektronen dwingen om terug te keren naar de anode, waarna de ionen zullen worden aangetrokken door het metaal. De positieve ionen zullen hierdoor van de kathode naar de anode vloeien en de batterij zal weer opgeladen zijn.

Niet bij alle batterijen kan je het proces echter veilig en succesvol omkeren. Er zijn types batterijen waarbij gassen worden gevormd bij het omgekeerde proces, met ontploffingen tot gevolg. Ook bestaan er accu’s waarbij het aankoppelen van een externe stroombron kan leiden tot beschadiging van de behuizing of de scheiding die tussen de elektrodes wordt geplaatst om kortsluiting te voorkomen. Zelfs wanneer het opnieuw opladen van een batterij veilig kan gebeuren, is succes niet gegarandeerd. Omwille van de unieke materiaaleigenschappen van kathode en anode kan het zijn dat de ionen wel succesvol terugvloeien naar de anode, maar hier niet dezelfde chemische of fysieke samenstelling vormen. De batterij zal bijgevolg niet langer functioneren, of een sterk verlaagde capaciteit hebben.

Zink-koolstofcel

De zink-koolstofcel is de eerste commerciële droge batterij. De accu maakte zaklampen en andere draagbare toestellen mogelijk, doordat het in alle oriëntaties kan werken. Voortaan worden de batterijen voornamelijk gebruikt voor toepassingen die weinig energie vragen, zoals klokken, afstandsbedieningen en zaklampen.

In een zink-koolfstofcel wordt bruinsteen (MnO₂) als kathode gebruikt, met een centrale grafietstaaf eronder die als geleider fungeert. Het elektrolyt in de batterij bestaat uit ammoniumchloride of een zinkchlorideoplossing en de anode is een omhulsel van zink. Een zink-koolstofcel geeft een spanning van 1,5 volt en is niet herlaadbaar. Het is belangrijk dat je de batterij uit het toestel haalt wanneer deze leeg is, aangezien het zinken omhulsel langzaam opgelost wordt in het elektrolyt. Hierdoor ontstaan lekken, waaruit het corrosieve zinkchloride kan vloeien.

Alkalinebatterij

Nog een batterij die je niet kan opladen, is de alkalinebatterij. Deze accu levert 3,5 keer meer energie dan een zink-koolstofcel en wordt gebruikt in onder andere speelgoed en flitslampen van camera’s. Net als de zink-koolstofcel heeft een alkalinebatterij een anode die bestaat uit zink en een kathode gemaakt van mangaandioxide.

Het zink is bij een alkalinebatterij echter niet het omhulsel, maar zit als een poeder verpakt in de accu. Hierdoor is er een groter contactoppervlak, wat de hogere energie verklaart. Ook heeft een alkalinebatterij een ander elektrolyt, namelijk kaliumhydroxide. Aan deze alkalische substantie dankt de batterij zijn naam.

Lithium-ionbatterij

De kans is groot dat je al van lithium-ionbatterijen hebt gehoord. Deze accu’s worden immers in smartphones, laptops en andere consumentenelektronica gebruikt. Lihtium-ionbatterijen danken hun populariteit aan het feit dat ze erg veel energie bevatten en herlaadbaar zijn. Dat maakt de accu’s uitermate geschikt voor toestellen die veel energie verbruiken, zoals je laptop. De anode van een lithium-ioncel bestaat uit koolstof, terwijl de kathode van een lithiummetaaloxide is gemaakt. Het elektrolyt dat tussen de elektrodes zit bestaat uit organische carbonaatverbindingen, zoals ethyleencarbonaat, waaraan lithiumcomplexen zijn verbonden.

Lithium-ionbatterijen hebben als grote nadeel dat een kleine drukverhoging – je gaat bijvoorbeeld per ongeluk op je smartphone zitten- er al voor kan zorgen dat de scheiding tussen de anode en kathode niet langer naar behoren functioneert. Hierdoor zal een kortsluiting ontstaan en warmt de batterij steeds verder op tot de accu ontploft. Gemiddeld vertonen twee tot drie batterijen per miljoen dergelijke problemen. In sommige situaties, zoals bij de Samsung Galaxy Note 7, zorgt een fabricagefout ervoor dat dit percentage drastisch stijgt.

Loodaccu

Bijna alle hedendaagse wagens met verbrandingsmotor maken gebruik van een loodaccu. De batterij werd in 1859 uitgevonden door de Fransman Gaston Planté en was de eerste batterij die herladen kon worden door er een omgekeerde stroom doorheen te sturen. Wanneer de batterij volledig is opgeladen, bestaat de kathode uit lood, de anode uit looddioxide en het elektrolyt uit zwavelzuur.

Tijdens het ontladen begeven waterstofionen zich van de anode naar de kathode. Waterstofsulfiet zal bij beide elektrodes reageren, waardoor zowel de anode als kathode uiteindelijk volledig uit loodsulfaat bestaan. Eenmaal dit het geval is, zullen de reacties stoppen en is de batterij leeg.

Toekomst

Ondanks het feit dat de lithium-ionbatterij ondertussen 25 jaar oud is, is het momenteel de modernste batterijtechnologie die commercieel verkrijgbaar is. De accu’s hebben sinds 1991 kleine verbeteringen ondergaan, waardoor ze goedkoper zijn en meer energie in een kleinere behuizing kunnen stockeren. Echte innovaties aan de technologie zijn echter uitgebleven.

Dit wil niet zeggen dat wetenschappers met de duimen hebben zitten draaien. Op de achtergrond werken ze aan nieuwe technologieën, waarvan ze hopen dat die in de toekomst voor lange tijd toestellen van energie kunnen voorzien. Eén van de batterijtechnologieën die veelbelovend is, zijn solid-state batterijen. Zoals de naam doet vermoeden, is het elektrolyt in deze accu’s niet vloeibaar, maar vast. Dit voorkomt lekproblemen en laat batterijen met een hoge energiedensiteit (1.100 Wh/l) toe.

Nog een technologie met veel potentieel is de brandstofcel. In deze cellen wordt gebruik gemaakt van waterstof aan de anode- en zuurstof aan de kathodekant. Met behulp van een katalysator wordt het water opgesplitst tot twee waterstofionen en elektronen, welke naar de kathode zullen bewegen. Momenteel is de technologie nog niet even efficiënt als andere energiebronnen. Verschillende bedrijven en wetenschappers, waaronder Apple en Toyota, zien echter toekomst in brandstofcellen.