Batterij (elektrisch)

Uit Wikipedia, de vrije encyclopedie
Ga naar: navigatie, zoeken
Diverse batterijen: 3R12, R20, R14, R6, R03, R61, 8R23, 6R61, knoopcellen
Batterijen

Een batterij is een elektrotechnische component en spanningsbron, het is een combinatie van een of meerdere elektrochemische cellen, die worden gebruikt voor de omzetting van opgeslagen chemische energie in elektrische energie. Dat kan weer als elektrische energie - stroom - geleverd worden. Historisch wordt een aantal parallel of in serie geschakelde elektrochemische cellen, Leidse flessen of condensatoren een 'batterij' genoemd, in de volksmond heeft de enkele cel van de batterij de naam van het geheel overgenomen. Een auto-accu is een oplaadbare batterij, maar deze wordt in Nederland, in tegenstelling met Vlaanderen, gewoonlijk geen "batterij" genoemd.

Het symbool voor een batterij in een elektrisch schema is als volgt:

Battery symbol1.svg

Het + en - teken worden vaak weggelaten omdat men aan de grootte van de "platen" in de tekening kan zien welke zijde de + en welke de - is. Een ezelsbruggetje is dat voor het "+" teken twee keer zoveel streep nodig is als voor het "-" teken.

Een PP7-batterij van 9 volt

Werking[bewerken]

Bij een batterij worden via een chemische reactie aan de min-pool elektronen vrijgemaakt, terwijl aan de plus-pool op hetzelfde moment via een andere chemische reactie elektronen worden gebonden. Via een op de batterij aangesloten component (bijvoorbeeld een lampje) kunnen nu de elektronen vanaf de min-pool, door het lampje, naar de plus-pool stromen.

Bij een oplaadbare batterij zijn de chemische processen omkeerbaar: door het aanleggen van een elektrische spanning kan men een elektronenstroom in omgekeerde richting forceren en zullen de chemische reacties dan omgekeerd verlopen: er wordt dus energie opgeslagen.

Een niet-oplaadbare batterij maakt gebruik van chemische processen die op deze manier niet omkeerbaar zijn, zodat een eenmaal ontladen batterij niet meer opnieuw opgeladen kan worden. Wel zijn er in het verleden niet onverdienstelijke pogingen tot herladen gedaan met bijzondere technieken.

Een 22,5V-batterij

Een batterij bestaat uit een of meer elektrochemische cellen. De cellen kunnen parallel of in serie geschakeld zijn, of een combinatie daarvan. Parallel geschakelde cellen leveren dezelfde elektrische spanning als een enkele cel, maar kunnen een grotere elektrische stroom leveren. In serie geschakelde cellen leveren een hogere spanning, maar kunnen dezelfde stroom leveren als een enkele cel. Veel in de praktijk gebruikte batterijen, zoals de 9-volt batterij in consumentenelektronica en de 12-volt accu in auto's bestaan uit in serie geschakelde cellen. Zowel bij de serieschakeling als bij de parallelschakeling is de opgeslagen energie in de batterij gelijk aan de som van de opgeslagen energie in de afzonderlijke cellen. Een batterij waarvan de reagerende bestanddelen tijdens de werking nog kunnen worden aangevoerd heet een brandstofcel, zie aldaar.

De spanning aan de klemmen van een batterij, de klemspanning, is afhankelijk van de ladingstoestand, de inwendige weerstand en de belasting van de batterij. Bij belasting heeft een batterij een lagere spanning dan onbelast doordat de geleverde stroom een spanningsval veroorzaakt over de inwendige weerstand. De inwendige weerstand kan veranderen door ontlading en veroudering van de batterij.

Geschiedenis[bewerken]

De bakermat[bewerken]

De term 'batterij' werd voor het eerst gebruikt door Benjamin Franklin in 1748 als aanduiding voor een rij elektrisch geladen glasplaten (het woord battery is een militaire term voor in een rij opgestelde artillerie). In die tijd had een batterij vooral amusementswaarde en geen of nauwelijks praktische toepassingen. Andere onderzoekers maakten batterijen van parallel geschakelde Leidse flessen. Er werd veel onderzoek gedaan naar de geneeskrachtige werking van elektriciteit, maar dat leverde weinig op. (De defibrillator werd pas in 1932 uitgevonden door William Bennett Kouwenhoven.)

In de periode 1780-1786 voerde Luigi Galvani zijn beroemde experimenten uit met spieren van kikkers, die samentrokken als hij er pennen van verschillende soorten metaal in stak. Zijn vriend Alessandro Volta, professor aan de universiteit van Pavia, bouwde op zijn experimenten voort en stelde vast dat een combinatie van twee metalen elektriciteit kon produceren ook zonder spierweefsel erbij te betrekken. Oorspronkelijk gebruikte Volta een reeks schalen met zoutoplossing, die hij met elkaar verbond door een metalen boogje, dat aan de ene kant bestond uit koper en aan de andere kant uit zink of tin. Later gebruikte hij een kolom van afwisselend koperen en zinken schijfjes, gescheiden door vilt dat in een zoutoplossing was gedrenkt, de zogenaamde Zuil van Volta. In 1800 maakte hij zijn uitvinding bekend. Deze kreeg toen ook de naam batterij.

Naar krachtigere en praktischere batterijen[bewerken]

Alkalinebatterijen voor schrikdraadapparaten

In 1836 vond de Engelsman John Daniell het Daniell element uit. Dit type batterij gebruikte twee elektrolyten, kopersulfaat en zinksulfaat, en was veiliger in gebruik dan de zuil van Volta.

De eerste praktisch toepasbare herlaadbare accu op basis van lood en zuur werd in 1859 ontwikkeld door de Franse uitvinder Gaston Planté. Dit principe wordt nog steeds gebruikt in auto-accu's.

In 1866 patenteerde de Fransman George Leclanché de natte koolstof-zinkbatterij. Deze bestond uit een koolstofstaaf, ingebed in mangaandioxide, gemengd met koolstofpoeder en gedrenkt in een ammoniumchloride-oplossing. Leclanché's batterij vond snel ingang in de telegrafie. In 1881 vond Carl Gassner de eerste commercieel succesvolle droge cel uit - een zink-koolstofcel. Batterijen op basis van zink en koolstof worden nog steeds gebruikt, hoewel zij tegenwoordig grotendeels vervangen zijn door alkalinebatterijen, die meer energie kunnen leveren.

In 1899 vond Waldemar Junger de eerste herlaadbare nikkel-cadmiumbatterij uit, waar hij in 1901 patent op kreeg. In 1901 kreeg Thomas Edison eveneens patent op een nikkel-ijzerbatterij.

In de Tweede Wereldoorlog ontwikkelden Amerikaanse onderzoekers een krachtigere batterij op basis van mangaan(IV)oxide en zink met een alkalische elektrolyt. Dit leidde rond 1950 tot de introductie van kleine alkalinebatterijen voor algemeen gebruik.

Momenteel onderzoekt men de mogelijkheid om zeldzame stoffen te vervangen door plantaardige stoffen. Bepaalde stoffen zijn afval bij de productie van papier. [1]

Gangbare soorten batterijen[bewerken]

Een vuurtorenbatterij

Batterijen kunnen worden onderverdeeld in oplaadbare en niet-oplaadbare batterijen. De oplaadbare batterij is een secundaire stroombron, de niet-oplaadbare batterij is een primaire stroombron. De eerste categorie wordt ook wel accu, de laatste ook wel wegwerpbatterij genoemd. Beide typen worden veel gebruikt.

Wegwerpbatterijen[bewerken]

Een wegwerpbatterij is bedoeld om eenmalig gebruikt te worden tot de erin opgeslagen elektrochemische energie is verbruikt. Dergelijke batterijen worden met name gebruikt in kleine draagbare apparaten die weinig energie verbruiken (bijvoorbeeld: afstandsbedieningen, horloges). Wegwerpbatterijen kunnen niet worden opgeladen. Dit toch proberen is zelfs gevaarlijk, aangezien er een chemische reactie kan optreden waardoor de batterij kan ontploffen.

Wegwerpbatterijen zijn er in de volgende soorten:

Type Kathode Anode Opmerking Toepassingsvoorbeeld Energiedichtheid Vermogensdichtheid
Zink-koolstofcel Bruinsteenmassa Zinkbeker Elektrolyt: salmiakzout of zinkchloride Zaklamp, klok
Alkalinebatterij Mangaan(IV)oxidemassa Zinkpoederpasta Hogere energieopbrengst Discman, afstandsbediening 2 GJ/m3
Zink-lucht Lucht Zinkpoederpasta Milieuvriendelijk alternatief voor kwikbatterij Knoopcellen voor gehoorapparaten
Zilveroxide Zilveroxide Zinkpoederpasta Zeer kleine knoopcellen Horloge
Lithium-mangaanoxide Mangaan(IV)oxide Lithiumfolie Zeer hoge energiedichtheid Camera's, mobiele telefoons 4 GJ/m3
Kwik-Zink Kwik(II)oxide Zink Lage zelfontlading, in meeste landen verboden wegens milieurisico Hoortoestellen, fototoestellen, pacemakers

Oplaadbare batterijen[bewerken]

Nuvola single chevron right.svg Zie Oplaadbare batterij voor het hoofdartikel over dit onderwerp.

Oplaadbare batterijen (eigenlijk: accu) worden vele malen hergebruikt. Ze kunnen worden opgeladen door er een externe stroombron op aan te sluiten, waardoor de chemische processen in de batterij zich in omgekeerde richting voltrekken. De externe stroombron wordt batterijlader of kortweg lader genoemd.

Modellen[bewerken]

De afmetingen en elektrische eigenschappen van batterijen zijn gestandaardiseerd, zodat dezelfde batterij in verschillende apparaten kan worden gebruikt. In de volgende tabel zijn van veel soorten batterijen enkele gegevens opgesomd.

Merkwaardig genoeg wordt op eenmalige batterijen zelden een capaciteit vermeld. De capaciteiten in onderstaande tabel zijn berekend uit de afmetingen en de tabel hierboven.

Maten van oplaadbare batterijen [2]
Code Code Code Code Naam of toepassing Afmetingen Spanning Capaciteit (mAh)
Zink-kool Alkaline Lithium Lengte × diameter
Cilindervormig
CR1 CR1 13 × 15,5 mm 3 V 454
CR2 CR2 26 × 15,5 mm 3 V 900
CR123A CR123A 33,4 × 17 mm 3 V 1400
CR1/3N CR1/3A 10,8 × 11,6 mm 3 V 200
CR2/3 CR2/3 33,9 × 17 mm 3 V 1400
CR2 NP CR2 NP 60 × 11,6 mm 3 V 1200
23A 23A Voor afstandsbediening 28 × 10 mm 12 V 100
27A 27A 28 × 7,7 mm 12 V 60
476A 476A 25,2 × 13 mm 6 V 300
25A 25A 21,4 × 7,7 mm 9 V 60
N UM-5 LR-1, AM 5 Lady 30,2 × 12 mm 1,5 V 1300
AAAA E96 LR 61 42,5 × 8,3 mm 1,5 V 850
AAA R03, UM-4 LR 03, AM-4, MN2400 HP16 Micro, potlood, mini penlite 44,5 × 10,5 mm 1,5 V 1500
AA R6, UM-3 LR 6, AM-3, MN1500 HP7, L91 Mignon, penlite 51 × 15 mm 1,5 V 3330
C R14, UM2 LR 14, AM-2, MN1400 HP11 Engelse staaf, baby 50 × 26,2 mm 1,5 V 10.000
D R20, UM-1 LR20, AM-1, MN1300 HP2 Monocel 58 × 33 mm 1,5 V 18.000
V102 Vuurtorenbatterij 184 × 178 mm 12 V 1.500.000
Rechthoekig
1203, 3R12 3LR12, 3R12U Platte batterij 62 × 22 × 67 mm 4,5 V 11.300
PP3 F22, 6F22 6R61, MN1604 Negenvoltblokje 48,5 × 26,5 × 17,5 mm 9 V 1000
O15 Foto flitsbatterij 45 × 25 × 15 mm 22,5 V 400
PP7 61 × 46 × 46 mm 9 V 8000
4R25 PC908 100 × 67 × 67 mm 6 V 42.000

De betreffende Europese standaard is IEC 60086-1 Primary batteries - Part 1: General (BS397 in het Verenigd Koninkrijk). De betreffende Amerikaanse standaard is ANSI C18.1 American National Standard for Dry Cells and Batteries-Specifications.

Naast deze gangbare modellen is er een heel uitgebreid scala aan knoopcelen, batterijen in een ronde, platte uitvoering.

Milieu[bewerken]

De zware metalen kwik en cadmium, die in batterijen worden gebruikt, zijn schadelijk voor het milieu. Daarom moeten lege batterijen, en met name cadmium- en kwikbatterijen, niet bij het gewone afval worden gegooid, maar ingeleverd als klein chemisch afval of bij een inzamelpunt voor lege batterijen.

Op basis van de Europese richtlijn van 1991 (911157/EEG), mochten batterijen al niet meer dan 5 gewichtsprocenten kwik bevatten - met uitzondering van knoopcellen. Sinds die tijd zijn alternatieven als lithium-batterijen en zink-lucht knoopcellen beschikbaar gekomen. Daarom mogen van de Europese richtlijn in 1998 (981101/EG) knoopcellen nog maar 2 gewichtsprocenten kwik bevatten. Andere batterijen mogen helemaal geen kwik (minder dan 0,0005 gew.%) meer bevatten.

Producenten zijn verplicht te zorgen voor de inzameling van lege batterijen. Daartoe is in Nederland de Stibat en in België Bebat opgericht.

Regeneratie van loodaccu's[bewerken]

Door het voortdurend laden en ontladen van de batterijen begint het zuur in het elektrolyt te sulfateren. Deze kristallen zetten zich vast op de elektroden. Zodoende verliest de batterij twee van haar actieve componenten namelijk enerzijds het zuur, dat zich omzet in kristallen en niet meer actief is in het chemisch proces, en anderzijds de oppervlakte van de elektroden die bedekt worden door deze kristallen. Een Zweedse firma heeft een regenerator op de markt gebracht (Macbat) die door hoge stroompulsen de kristallen opnieuw omzet in zuur. Dit heeft als gevolg dat het soortelijk gewicht van het zuur in het elektrolyt opnieuw stijgt en bovendien worden zo de elektroden bevrijd van de gevormde kristallen. Met een jaarlijkse regeneratie zou de levensduur van de batterij kunnen verdubbelen van gemiddeld vijf jaar (ongeveer 1.500 cycli) tot 10 jaar (ongeveer 2.500 cycli). Ook batterijen die al een bepaalde leeftijd hebben en nog nooit werden geregenereerd kunnen volgens dit procedé nog 3 jaren meegaan. Doordat de capaciteit van de batterij opnieuw stijgt verhoogt men ook het rendement van de machine en daalt het elektriciteitsverbruik. Na een regeneratie dient men immers minder vlug opnieuw te laden. Dit procedé wordt op dit ogenblik enkel toegepast voor open-loodbatterij.

Trivia[bewerken]

  • Het is mogelijk om van een citroen of appel en twee geleidende pinnen een zwakke batterij te maken, waarop bijvoorbeeld een lcd-klokje kan werken. Hiertoe dienen de beide pinnen van verschillende metalen te zijn vervaardigd.
  • Jaarlijks worden in Nederland 393 miljoen batterijen verkocht (2011)[3]. Volgens een schatting van de Stichting Batterijen liggen er in Nederland ruim 85 miljoen lege batterijen in laatjes, doosjes en kasten.
  • Om te bepalen hoe ver de batterij leeg is, is het niet voldoende om te meten welke spanning de batterij nog afgeeft. Als een batterij lang niet gebruikt wordt, kan er namelijk kristalvorming in de batterij optreden, waardoor de inwendige weerstand toeneemt. Daardoor geeft de batterij nog wel de volle spanning, maar kan nauwelijks nog stroom leveren. Goede batterijtesters meten daarom de batterijspanning onder belasting.
  • Als een apparaat lang niet wordt gebruikt moeten de batterijen eruit verwijderd worden. Er bestaat een grote kans dat ze uiteindelijk gaan 'lekken', waardoor het apparaat kan worden vernield. Onherstelbare corrosie van metalen en van de elektronica kan het gevolg zijn.

Zie ook[bewerken]

Externe links[bewerken]

Bronnen, noten en/of referenties
Zoek dit woord op in WikiWoordenboek