Hoe werken batterijen?
Batterijen voorzien onze moderne wereld van energie — van de smartphone in onze broekzak tot de elektrische auto's waar we mee rijden. Maar heb je je ooit afgevraagd wat er eigenlijk binnen in deze batterijen gebeurt? De wetenschap erachter is verrassend slim, met chemische reacties die opgeslagen chemische energie omzetten in de elektrische stroom die onze apparaten laat werken. Laten we daar wat dieper induiken!
De basisprincipes: hoe elektronen elektriciteit opwekken
Het magische aan batterijen is dat ze een stroom van elektronen kunnen creëren en beheersen. Chemische reacties (bekend als redoxreacties) in de batterij zorgen ervoor dat er zich een overschot aan elektronen ophoopt aan één kant van de batterij: de anode.
Net zoals de meeste deeltjes houden elektronen er niet van om samen op één plek te blijven. Daarom verspreiden ze zich automatisch naar gebieden met een gebrek aan elektronen, ook wel positief geladen gebieden genoemd — zoals de kathode aan het andere uiteinde van de batterij.
De elektronen kunnen echter niet zomaar van de anode naar de kathode bewegen, omdat de batterij een barrière heeft die dit voorkomt: het elektrolyt. In plaats daarvan moeten ze hun weg vinden via de schakelingen van het apparaat waarop de batterij is aangesloten.
Het proces van oxidatie en reductie
Een batterij levert alleen stroom wanneer de positieve en negatieve polen met elkaar verbonden zijn in een gesloten circuit. Dit activeert een redoxreactie: oxidatie bij de anode geeft elektronen af, terwijl reductie bij de kathode ze absorbeert. Een gemakkelijke manier om dit te onthouden is met het ezelsbruggetje “LEO the lion goes GER”: "Loss of Electrons is Oxidation, Gain in Electrons is Reduction".
Een separator in de batterij blokkeert de elektronen, maar laat ionen door. De elektronen kunnen de kathode dus alleen bereiken via het externe circuit, waar ze een apparaat (zoals een lamp) van stroom voorzien.
Binnen in de batterij bewegen ionen door het elektrolyt om de ladingsbalans te behouden terwijl de elektrodereacties doorgaan. Dit proces eindigt wanneer de reactieve materialen zijn uitgeput. Op dat moment kan de batterij geen bruikbare stroom meer leveren en wordt deze als leeg beschouwd.
Redoxreacties komen overal om ons heen voor, in allerlei vormen. Denk aan het langzaam ontstaan van roest op een tuinhek of aan de snelle, enorme energie-uitstoot wanneer een raketmotor wordt ontstoken. Elektronen verplaatsen zich van een hoge naar een lage concentratie, net zoals een bal die van een heuvel rolt: op zoek naar een lagere en stabielere energietoestand.
Welke chemische reacties zorgen ervoor dat batterijen werken?
Oxidatie en reductie worden ook wel 'halfreacties' genoemd. Ze vinden respectievelijk plaats aan de anode en de kathode, gefaciliteerd door het elektrolyt tussen hen in dat fungeert als een concentratiegradiënt.
Laten we alkalinebatterijen als voorbeeld nemen. Het zink (anode) verliest elektronen door oxidatie, die vervolgens worden opgenomen door de ionen in het elektrolyt kaliumhydroxide (kathode) door reductie. Deze oxidatie-reductiecyclus creëert een stroom van elektronen (elektrische stroom) van de anode, doorheen de schakelingen van het apparaat, naar de kathode.
Bij lithium-kobaltoxidebatterijen bestaat de reductie bij de kathode uit het combineren van kobaltoxide met lithiumionen om lithium-kobaltoxide (LiCoO2) te vormen. De halfreactie is:
CoO2 + Li+ + e- → LiCoO2
Bijna gelijktijdig vindt de oxidatie bij de anode plaats, wanneer het grafietintercalatieverbinding LiC6 wordt omgezet in grafiet (C6) en lithiumionen. De halfreactie is:
LiC6 → C6 + Li+ + e-
Deze twee halfreacties samen vormen een redoxreactie, zoals weergegeven in de chemische vergelijking hieronder. Lees je van links naar rechts, dan beschrijft het wat er gebeurt tijdens het ontladen van de cellen. Lees je van rechts naar links, dan zie je wat er gebeurt tijdens het opladen van de lithium-ionbatterij:
LiC6 + CoO2 ⇄ C6 + LiCoO2
Wat met oplaadbare batterijen?
In primaire batterijen bewegen de elektronen altijd van de anode naar de kathode. De chemicaliën in de batterij reageren slechts één keer om elektriciteit te produceren en zijn daarna opgebruikt.
In secundaire batterijen (ook wel oplaadbare batterijen genoemd) is deze reactie echter omkeerbaar. De chemicaliën kunnen opnieuw worden opgeladen door de stroom van elektronen om te keren, waardoor er weer een elektrische concentratie ontstaat aan de anode en het proces zich kan herhalen.
In een batterij wordt elektrische energie opgewekt via een chemisch proces. Je hebt verschillende grondstoffen nodig om dat proces mogelijk te maken. De grondstoffen in oplaadbare batterijen zijn vaak schaarser en vereisen meer verwerking. Ook is het productieproces zelf vaak duurder en trager. Dit verklaart deels waarom oplaadbare batterijen aanzienlijk duurder zijn dan hun niet-oplaadbare tegenhangers.
NiMH = NoRM
Hoewel oplaadbare batterijen tegenwoordig misschien heel normaal lijken, bestaat het concept al veel langer. In 1859 bouwde de Fransman Gaston Planté de eerste oplaadbare batterij: een loodzuurbatterij. Tegenwoordig zijn er ongeveer tien soorten oplaadbare batterijen. Een groot deel hiervan vind je niet in de winkel, maar wordt bijvoorbeeld gebruikt in satellietsondes of voor industriële toepassingen.
De meeste oplaadbare batterijen (we hebben het dan over de bekende AA- en AAA-types) zijn tegenwoordig voornamelijk nikkel-metaalhydridebatterijen (NiMH). Voorheen was nikkel-cadmium (NiCd) de standaard, maar dit type is tegenwoordig bijna volledig uitgefaseerd. Dat komt onder andere doordat deze batterijen hun capaciteit sneller verliezen.
Wanneer kies ik voor oplaadbare batterijen en wanneer niet?
Dat hangt ervan af waar je de batterijen voor wilt gebruiken.
Niet-oplaadbare batterijen
Voor energiezuinige apparaten (zoals een rekenmachine, klok of afstandsbediening) die relatief weinig stroom nodig hebben, is het vaak logischer om een primaire batterij te gebruiken. Ook voor apparaten die altijd klaar moeten zijn, zoals rookmelders en zaklampen, is het beter om primaire batterijen te gebruiken. Deze verliezen, in tegenstelling tot oplaadbare batterijen, weinig energie in de loop van de tijd (de zogenaamde 'zelfontlading').
Oplaadbare batterijen
Voor apparaten die in korte tijd veel energie verbruiken of die vaak en intensief worden gebruikt, kun je beter oplaadbare batterijen gebruiken. Denk aan apparaten zoals spelconsoles, muziekspelers, het favoriete speelgoed van je kind, walkie-talkies en digitale camera's.
