Dit artikel werd oorspronkelijk gepresenteerd op Gesprek.
Als je de laatste tijd in je gereedschapsla hebt gekeken, heb je misschien de verschillende vormen, maten en soorten batterijen opgemerkt die je elektronische apparaten van stroom voorzien. Ten eerste zijn er ronde, niet-oplaadbare knoopcellen voor je horloges en kleine spullen. Er zijn ook populaire AA- en AAA-cilindrische batterijen voor rekenmachines, horloges en afstandsbedieningen. Dan heb je oplaadbare lithium-ionbatterijen in je laptops en telefoons. En vergeet de loodzuuraccu in uw auto niet.
Ik ben een professor die batterijen en elektrochemie studeert. Om te begrijpen waarom batterijen in zoveel verschillende maten en vormen verkrijgbaar zijn – en zoveel doeleinden dienen – kijk eens terug naar hoe batterijen door de jaren heen zijn ontstaan en geëvolueerd.
De eerste batterijen werden gemaakt in de 19e eeuw en waren vrij eenvoudig. Een van de eerste demonstraties was een reeks metalen schijven gedrenkt in zout water, waarvan de Italiaanse wetenschapper Alessandro Volta ontdekte dat ze een elektrische stroom produceerden. De eerste loodzuuraccu werd gemaakt van verschillende stukjes lood in een potje zwavelzuur. Moderne versies zijn niet zo verschillend. Ze zijn eenvoudigweg eenvoudiger te vervaardigen en bevatten verschillende additieven om de prestaties te verbeteren.
In alle gevallen werken batterijen op dezelfde manier: het spanningsverschil tussen twee verschillende elektroden produceert een elektrische stroom, die kan worden ontladen om het apparaat van stroom te voorzien. Oplaadbare batterijen kunnen deze stroom vervolgens omkeren om zichzelf op te laden. In de batterij gaat de elektrische stroom gepaard met de stroom van ionen door de vloeistof, de elektrolyt.
De passage van elk elektron in de stroom gaat gepaard met het transport van één ion door de elektrolyt. Elektroden die meer ionen kunnen opslaan, leiden tot batterijen die meer lading kunnen vasthouden en daardoor langer meegaan op één lading. Elektroden die zijn ontworpen voor snellere ionenopslag leiden tot sneller ontlaadbare batterijen voor toepassingen met hoog vermogen. Ten slotte leidt de mogelijkheid om volledig op te laden en te ontladen zonder kwaliteitsverlies tot batterijen met een lange levensduur.
Loodzuur batterijen
De loodzuurbatterij was de eerste oplaadbare batterij die in 1859 werd uitgevonden door Gaston Plante, die experimenteerde met loodplaten in een zure oplossing en ontdekte dat de stroom en opslag van elektrische stroom omgekeerd konden worden.
De loodzuuraccu moet groot genoeg zijn om voldoende lading te leveren om de auto te starten. Het moet ook bruikbaar zijn in koude klimaten en vele jaren meegaan. Omdat de elektrolyt een bijtend zuur is, moet de buitenkabel sterk zijn om mensen en auto-onderdelen tegen mogelijke schade te beschermen. Dit alles wetende, is het logisch dat moderne loodzuurbatterijen verstopt en zwaar zijn.
Alkaline batterijen
Aan de andere kant kunnen huishoudelijke apparaten zoals rekenmachines en digitale weegschalen het zich veroorloven kleinere batterijen te gebruiken, omdat ze niet veel hoeven te worden opgeladen. Dit zijn voornamelijk niet-oplaadbare alkalibatterijen die al tientallen jaren worden gebruikt. Gestandaardiseerde celgroottes zijn AAAA, AAA, AA, C en D, evenals knoop- en knoopcellen en vele andere. De afmetingen houden verband met de hoeveelheid lading die ze opslaan (hoe groter de batterij, hoe meer deze kan bevatten) en de afmetingen van de apparaten die ze van stroom voorzien.
Soms kun je alkalische batterijen vinden die in rechthoekige vormen worden verkocht, zoals gewone 9-volt-batterijen, maar als je de behuizing opent, zie je dat het slechts een paar cilindrische cellen zijn die met elkaar zijn verbonden. Cilindrische batterijen bestaan al zo lang en worden zo wijdverbreid gebruikt dat het simpelweg geen zin heeft voor bedrijven om iets anders te maken; het zou een investering vergen in het veranderen van hun productiefaciliteiten, iets wat ze liever niet doen.
Lithium-ion batterijen
Nikkel-cadmiumbatterijen waren de eerste veelgebruikte oplaadbare batterijen voor thuiselektronica en waren tot het einde van de 20e eeuw populair. Maar ze hadden hun valkuilen. Cadmium is zeer giftig en batterijen hebben last van een “geheugeneffect”, waardoor hun levensduur wordt verkort.
Lithium wordt al tientallen jaren onderzocht voor potentieel gebruik in oplaadbare batterijen vanwege zijn unieke eigenschappen als lichtgewicht metaal dat veel energie opslaat. Sony was in 1991 de eerste die een lithium-ionbatterij op de markt bracht.
Het bedrijf produceerde cilindrische cellen omdat deze het gemakkelijkst te vervaardigen waren. In de jaren negentig maakte Sony veel camcorders en banden, en beschikte daarom over veel roll-to-roll-productieapparatuur. Het lag voor de hand om deze apparatuur opnieuw te gebruiken om rollen batterij-elektroden te produceren, die worden gemaakt door films op koper- of aluminiumplaten te gieten en deze vervolgens in een “jelly roll” -cilinder te rollen.
De dikke behuizing van deze cilindrische cellen is mechanisch sterk en voor een extra veiligheidslaag zijn ze voorzien van een overdrukventiel. Zeer snel namen deze vroege lithium-ioncellen de markt voor draagbare elektronica over, vooral voor laptops en mobiele telefoons, omdat ze meer energie opsloegen en langer meegingen dan oplaadbare nikkel-cadmium-batterijen.
Factoren die batterijen vormen
Batterijen worden in bepaalde maten en vormen gemaakt om redenen van kosten en maakbaarheid, maar in andere gevallen vanwege verouderde productieprocessen. Ook de marktvraag speelt een rol.
Elektrische voertuigen kwamen bijvoorbeeld pas van de grond toen Tesla auto’s begon te maken met cilindrische lithium-ionbatterijen in plaats van de rechthoekige zak of prismatische cellen die door andere fabrikanten van elektrische voertuigen werden gebruikt. Zak- en prismatische cellen kunnen dicht bij elkaar worden gepakt, maar aangezien cilindrische cellen al in massa werden geproduceerd voor draagbare elektronica, kon Tesla in de jaren 2010 goedkopere elektrische voertuigen maken.
Welke vormen en maten batterijen in de toekomst zullen aannemen, hangt niet alleen af van de hoeveelheid energie die ze opslaan, maar ook van de markteconomie: hoe gemakkelijk het is om elk type cel te maken, hoeveel het kost om ze te maken, en wat ze kosten. gebruikt voor. En die factoren zijn een mix van innovatie en geschiedenis.
Openbaarmaking: Wesley Chang ontvangt financiering van SolidEnergy Systems en het Electric Power Research Institute.