Uitlegparty: wachten op de batterij-doorbraak

Uitlegparty: wachten op de batterij-doorbraak

22-08-2014 10:37 Laatste update: 28-04-2018 04:14

Martijn Kuik

Niet na een dag alweer opladen? Wanneer is het zover?

Als je gedachten niet meteen afdwalen naar drummende roze konijntjes bij het lezen van het woord batterij denk je waarschijnlijk aan het opladen van je smartphone, tablet of laptop, of aan de accu van je auto. Er is vorig jaar een kleine poll gedaan door USA Today. Er werd consumenten gevraagd wat zij het liefst als nieuwste ontwikkeling voor hun smartphones zouden zien.

De overgrote meerderheid wilde niet een groter scherm of een hogere resolutie, meer geheugen of een nieuw operating system. De meerderheid wilde betere batterijduur. Een vergelijkbaar onderzoek door BRC Capital Markets onder 4000 consumenten had dezelfde uitkomst.

Li-ion batterij

We hebben het natuurlijk over de oplaadbare batterij. In veruit de meeste gevallen gaat het dan om de zogenaamde Li-ion batterij. Die werken volgens het principe dat de Li-ionen tijdens het ontladen van de anode van grafiet door het lithium-houdende elektrolyt terug naar de LiCoO2 kathode bewegen. BASF maakte een mooie visuele uitleg.

Lithium heeft atoomnummer 3 in het periodiek systeem, wat al aangeeft dat dit atoom heel erg klein is. Alleen waterstof (#1) en helium (#2) staan hoger. Grote ionen blijven makkelijker steken in het elektrolyt en verlagen daarom mogelijk de levensduur van de batterij. De plek in het periodiek systeem maakt Lithium een alkalimetaal en verraadt dat het vrij reactief is en makkelijk ioniseert. Zodoende is lithium een zeer geschikte kandidaat voor oplaadbare batterijen.

Uiteraard zijn er ook nadelen, maar die laten we voorlopig maar even in het midden. De keuze voor een LiCoO2-kathode (andere composities zijn ook mogelijk) zorgt ervoor dat een dergelijke batterij ongeveer 3,7 V over de contacten heeft staan.

De capaciteit van batterijen wordt uitgedrukt in Ah; in Ampère-uur, een eenheid van elektrische lading. Het onderstaand figuurtje laat de capaciteiten zien van de batterijen in alle iPhone-modellen en Samsung Galaxy's door de jaren heen.

Er is duidelijk te zien dat de capaciteit van de iPhone-batterij nauwelijks is toegenomen sinds de introductie ervan, zeven jaar geleden. Die van de Samsung Galaxy daarentegen is bijna verdubbeld in vijf jaar tijd. Als iPhone-gebruiker denk je dan natuurlijk: "Nou, da's ook lekker. Waarom stoppen die lui van Apple niet even een betere batterij in die telefoons van ze? Ze zijn duur genoeg."

Maar als we dan de grootte van de displays vergelijken zien we een interessante trend. Die suggereert namelijk dat de display-grootte ruwweg hetzelfde verloop vertoont als de batterijcapaciteit. Die trend is overigens ook zichtbaar als je iPads met de Samsung Galaxy-tablets vergelijkt. Dat is niet geheel onverwachts. Een groter display staat ruimte toe voor een grotere batterij en die heeft natuurlijk weer op zijn beurt een grotere capaciteit. Een recent gerucht over de iPhone 6 lijkt deze trend nog maar eens te bevestigen. De toekomstige 4,7 inch iPhone, die op 9 september wordt verwacht, zou een batterij krijgen met een capaciteit van 1810 mAh en het 5,5 inch model zou een batterij krijgen van 2915 mAh.

Waarom geen grote verbetering?

Maar waarom is er dan geen duidelijke kwalitatieve verbetering zichtbaar in zeven jaar handheld devices? Want dat is de crux van het verhaal: er is nauwelijks verbetering geweest. Een recente publicatie in het toonaangevende tijdschrift PNAS legt uit waarom. Waar chips steeds kleiner, sneller en energie zuiniger worden en Moore's law volgen, is daar bij batterijen geen sprake van. Elektronen in transistors zijn aanzienlijk kleiner dan ionen in een batterij.

Voor batterijen zijn ook nog eens anodes, kathodes, scheidingslaag en elektrolyt nodig. Die moeten ook nog eens veilig blijven en niet spontaan ontploffen. Daarbij wordt het grote potentieel van de batterij bepaald door chemische reacties, niet door het aanpassen van de structuur. Dus batterijen verkleinen of de zogenaamde energiedichtheid verhogen is extreem complex.

Jammer, maar helaas

De langere stand-by-tijd of beltijd van een smartphone is daarom ook niet het gevolg van een toename van de capaciteit van de batterij, maar voornamelijk het gevolg van het zuiniger worden van de processor, software en communicatietechnologie. Dat is best frustrerend. Het betekent bijvoorbeeld ook dat om een grotere actieradius te halen Tesla zijn auto's alleen maar zuiniger kan maken. Want de batterijen gaan voorlopig niet een fors grotere capaciteit krijgen.

Sterker nog, omdat Tesla op de hoogte is van dit dilemma is de Tesla Model S ook ontworpen voor een makkelijk batterij-omwisseltruc. Bij het speciale tankstations zijn de batterijen in 90 seconden om te wisselen. Kortom, een forse boost voor de batterij in je handheld device zit er in de nabije toekomst helaas niet in.

Dan maar sneller opladen

Het is ook daarom dat research zich tegenwoordig voornamelijk focust op het sneller opladen van batterijen en het verbeteren van de levensduur. Dan maar in 30 seconden even ergens je telefoon weer helemaal opladen in plaats van een nacht aan de oplader. En hoewel Li-ion-batterijen wel erg veel oplaadt en veel ontlaadcycli aankunnen, staan ze er niet om bekend dat ze een zeer grote levensduur hebben.

Android-schandaaltje

Hoe belangrijk maar vooral frustrerend de capaciteit van batterijen kan zijn, is misschien ook het mooist weergegeven in een klein maar voortdurend Android-schandaal. De consorten van Google worden er namelijk regelmatig van beschuldigd om een speciaal algoritme in hun versie van Android te hebben gestopt dat bepaalde functies tijdelijk verbetert tijdens zogenaamde benchmark-tests. Wat ervoor zorgt dat bijvoorbeeld ook de batterijen in Android-apparatuur in elk geval optisch erg goed voor de dag kwamen in vergelijkingstests.

Solid-state accu's

Er is nog wel een klein lichtpuntje: solid-state batterijen. Die kunnen meer energie opslaan dan gewone batterijen en worden stapje voor stapje goedkoper om te produceren, stelt machinefabrikant Applied Materials. Ze zullen eerst in hele kleine gadgets verschijnen, zoals smartwatches en andere wearables. Solid-state batterijen werken niet met vloeibaar elektrolyt, maar met een vaste stof, waardoor de batterijen veiliger worden. De capaciteit zou kunnen worden verdubbeld. Vanwege het vaste component kunnen de elektroden ook van lithium-metaal worden gemaakt, waardoor ze meer energie vasthouden. Hoe lang we moeten wachten voordat deze solid-state batterijen in gadgets zitten? Dat is nog niet duidelijk. Dat kan wel eens een paar jaar gaan duren.

PS: Tot die tijd raden we je onze juice packs aan in de Bright Store. Heb je altijd 100% extra capaciteit bij je!