Test oplaadbare alkaline batterijen


Fotografie » TechTalk » Batterijen » Primaire » Test oplaadbare alkaline batterijen

Alkaline batterijen kunnen een beperkt aantal keren opgeladen worden. Ik test hier deze batterijen, en vergelijk de oplaadbare alkaline batterijen met gewone alkaline batterijen.

Alle alkaline batterijen kunnen opnieuw opgeladen worden, maar experts zijn het erover eens dat het opladen enkel mogelijk is als er aan bepaalde voorwaarden voldoen wordt. De drie belangrijkste voorwaarden zijn

Een bezoeker van deze site heeft mij gewezen op het feit dat er "oplaadbare alkaline batterijen AA 1.5V 4200mAh" bestaan, zie link. Ik heb direct een setje gekocht.

Een eerste meting geeft aan dat de spanning 1.60V bedraagt, wat in de richting van alkaline batterijen wijst. Er zijn geen accus die zo'n spanning hebben. Een indikatie van de capaciteit ontbreekt eveneens, wat kenmerkend is voor niet oplaadbare batterijen.

Er zijn geen aanduidingen op de cellen: geen capaciteit, geen laadstroom, niets. De batterijen worden zonder handleiding verkocht. We vermoeden dat deze cellen verkocht worden als vervanging bij bepaalde toestellen die oorspronkelijk met dergelijke alkaline batterijen uitgerust werden. Het betreft kleine meteo-stations met een mini-zonnepaneel. Het verbruik van zo'n meteo-station is laag (een paar mA) en het zonnepaneel zorgt dat de batterijen overdag bijgeladen worden. Toch moeten de cellen na een paar jaar vervangen worden.

Soorten batterijen:
Het is mogelijk de samenstelling en de hoeveelheid aktief materiaal te wijzigen om specifieke kenmerken te bekomen. Dit was vooral het geval met saline batterijen (niet-alkaline), die door talrijke fabrikanten gemaakt werden. Er waren duidelijke verschillen tussen een Varta en een Wonder batterij. "Heavy Duty" batterijen hadden minder mangaandioxyde (slechte geleider) en konden dus een hogere stroom leveren. Dit ging echter ten koste van de capaciteit.

Alkaline batterijen worden allemaal in dezelfde fabriek gemaakt en krijgen dan een etiket van het ene of andere merk. Er zijn geen significante verschillen meer. Zelfs het verschil tussen een oplaadbare alkaline batterij en een niet oplaadbare alkaline batterij vallen niet op, zoals uit de test zal blijken.

Eigenschappen van alkaline batterijen

De batterijen hebben een spanning die constant vermindert (een ingenieur weet direct dat dergelijke batterijen een slecht rendement hebben). NiMH en lithium accus hebben een spanning die nagenoeg constant blijft gedurende de volledige ontlading.

Men kan bepalen of een alkaline batterij leeg of vol is door zijn spanning te meten: een nieuwe batterij heeft een spanning van 1.60V, een cel die 50% vol is heeft een spanning van 1.40V.

De batterijen hebben een relatief hoge inwendige weerstand, en die stijgt constant bij de ontlading. Als de batterij stroom moet leveren dan zakt zijn spanning, en de spanningsval wordt groter en groter naarmate de cel leeg geraakt. Uiteindelijk weigert het toestel nog te werken, terwijl er nog scheikundige energie in de batterij zit.

Test van oplaadbare alkaline batterijen

De eerste test werd uitgevoerd met een ontlaadstroom van 100mA. Dit komt overeen met het verbruik van een draagbare radio. Ik had ook een test willen uitvoeren met een hoge ontlaadstroom van 500mA (kenmerkend voor een flitser), maar deze batterijen met hun oplopende inwendige weerstand zijn daarvoor niet geschikt.

Omdat de minimale ontlaadstroom van mijn tester 100mA bedraagt, had ik eerst gedacht de cel gedurende een uur te ontladen, en die dan laten rusten voor de rest van de dag. Dit zou dan overeenkomen met het normaal gebruik van een draagbare radio die ongeveer een uur per dag gebruikt wordt. Deze test heb ik echter niet gedaan, omdat de pauze geen invloed heeft op de uiteindelijke capacteit. Moderne batterijen moet je niet meer laten rusten zodat ze recupereren.

De klemspanning zakt snel als de cel belast wordt. Vanaf het begin van de ontlading zakt de klemspanning naar 1.40V. De rustpauses blijken geen invloed te hebben op de ontlaadcurve: de spanning stijgt weer als de belasting wordt weggenomen, maar zakt direct weer als de cel opnieuw belast wordt. De vroegere cellen met saline technologie konden zo'n pauze best gebruiken om de nominale capaciteit te halen.

De ontlaadcurve komt overeen met die van een normale alkaline batterij. Na de 4 oplaadbare alkaline batterijen getest te hebben doe ik de test opnieuw, maar nu met vier GP ultra cellen, n Panasonic batterij en vier Energizer Industrial en Max. Uit de ontlaadcurve kan je niet afleiden met welk soort batterij je te maken hebt. De scheikundige samenstelling moet in ieder geval nagenoeg identiek zijn.

Deze eerste test met een piek-ontlaadstroom werd niet gebruikt voor de capaciteitsmeting (die op 550mAh bleef steken), maar wel meegeteld bij het aantal cycli.

De inwendige weerstand is relatief hoog en mijn lader zal weigeren de cellen opnieuw op te laden (mijn lader weigert alle alkaline batterijen op te laden als ze al redelijk ontladen zijn). Maar ik beschik over een trage lader (50mA) met spanningsbeperking (1.70V). Eenmaal de limiet bereikt zakt de laadstroom zoals bij een loodaccu in "float charge". De mensen die met alkaline batterijen werken hanteren allemaal de limiet van 1.70V.

Eindspanningen

De eindspanning bij de ontlading werd vastgelegd op 1.25V om de verschillende batterijen te kunnen vergelijken: het is geen absolute waarde waaronder je niet mag gaan. Bij de eerste ontlading betekent dit dat de batterij 60% van zijn nominale capaciteit ontladen mag worden, maar bij de tweede of derde ontlading wordt deze minimale spanning al bereikt bij een ontlading van 30%.

Als de batterij ontladen wordt tot 1.25V, kan kan deze drie vijfmaal opnieuw geladen worden. Wordt de batterij ontladen tot 1.15V, dan kan deze n of tweemaal opnieuw opgeladen worden.

De eindspanning bij de oplading is vast op 1.70V. Deze spanning kan je gebruiken als je zelf een lader bouwt. Als je een fijnregeling voorziet (en je beschikt over een nauwkeurige voltmeter, dan kan je een laadspanning van 1.75V instellen.

Opeenvolgende ontladingen

De oplaadbare alkaline batterijen zijn opnieuw geladen tot 1.70V. In rust bedraagt de spanning ook 1.70V, dus meer dan de spanning van een nieuwe batterij.

In vergelijking met de eerste ontlading is de spanning bij de aanvang 0.1V hoger, maar dit verschil verdwijnt snel. Uiteindelijk is de spanning ongeveer 0.05V lager bij eenzelfde ontladingsniveau.

De ontlaadspanning zakt bij iedere cyclus. Een voorbeeld: na 3 uur is de spanning gezakt tot 1.285V bij de derde ontlading, 1.260V bij de vierde ontlading en 1.245V bij de vijfde ontlading. De limiet (minimale spanning) wordt dus sneller en sneller bereikt.

De bruikbare capaciteit is eerder beperkt (als men van plan is de batterijen opnieuw op te laden) en zakt verder bij iedere cyclus: 1150mA bij de tweede ontlading, 700mAh bij de vierde ontlading en 630mAh bij de vijfde ontlading.

Een te sterke ontlading blijkt dodelijk te zijn. Een van de cellen heeft een bruikbare capaciteit van 490mAh bij de vierde ontlading omdat bij de derde ontlading de spanning even onder de 1.25V was gezakt. Batterijen met een bruikbare capaciteit van minder dan 500mAh worden als versleten aangezien (dat is ongeveer 1/4 van de nominale capaciteit).

Uit ervaring is gebleken dat als de spanning niet meer tot boven 1.5V gebracht kan worden (zelfs na 24 uur oplading), de batterij niet meer bruikbaar is (de beschikbare capaciteit is dan te laag geworden).

Vergelijking met klassieke alkaline batterijen

Naast de 4 oplaadbare alkaline batterijen heb ik ook normale alkaline batterijen getest (deze batterijen werden gewoon in de handel gekocht). Het zijn 4 GP Ultra cellen en 4 Energizer Max cellen in blister. De GP Ultra batterij is “High performance for power hungry devices” en zou dus perfekt moeten scoren in mijn testen.

Op de site van GP zie je ontladingscurves met een weerstand van 10Ω, wat overeenkomt met een ontlaadstroom van 140mA om terug te vallen op 90mA op het einde van de levensduur van de cel.

Een eerste resultaat is dat er nauwelijks verschil is tussen een oplaadbare en niet-oplaadbare alkaline batterij (merk GP). Ik merk wel dat er meer variatie is tussen verschillende alkaline batterijen uit eenzelfde pack dan tussen de oplaadbare alkaline batterijen. Na 5 beurten zijn echter zowel de GP Ultra als de oplaadbare alkaline batterijen versleten.

De batterijen van Energizer kunnen slechts driemaal opnieuw opgeladen worden, zelfs in de beste omstandigheden (beperkte ontlading en gecontroleerde oplading). De eigenschappen van de batterijen zijn zo slecht geworden dat de cellen eigenlijk niet meer gebruikt kunnen worden.

Alkaline batterijen opladen?

Je kan evengoed normale alkaline batterijen opnieuw opladen, je hoeft geen specifieke "oplaadbare" alkaline batterijen te kopen. Bepaalde alkaline batterijen presteren goed, anderen niet, maar omdat "oplaadbaarheid" geen kenmerk is van alkaline batterijen is het niet zeker dat GP (die in de test goed presteert) ook goed zal zijn in een andere produktierun.

Het aantal cycli dat bereikt kan worden hangt af van de mate van ontlading: even onder de 1.25V gepasseerd kan de batterij zeer moeilijk terug opgeladen worden. Althans niet voldoende om die nuttig te gebruiken bij een volgende cyclus.

Uiteindelijk is het laden van alkaline batterijen weinig interessant omdat men vastzit aan dwingende beperkingen. Daarbij komt nog dat de eigenschappen van de batterijen alsmaar slechter worden.

En cel die slechtere eigenschappen heeft dan de anderen zal eerder de limietwaarde van 1.25V bereiken, terwijl de andere cellen nog boven deze waarde zitten. Daardoor zal bij de volgende ontlading dezelfde cel sneller uitgeput geraken, en het verschil wordt alsmaar groter omdat de cel altijd een lagere spanning bereikt. Oplaadbare alkaline batterijen hebben eigenschappen die beter op elkaar afgestemd zijn, waardoor er geen cel is die vroegtijdig sneuvelt.

Vergelijking met accus

Indien je oplaadbare batterijen nodig hebt, koopt dan echte oplaadbare batterijen (NiMH), geen alkaline batterijen, zelfs niet met het predikaat "oplaadbaar".

Zelfs bij de eerste ontlading van een alkaline batterij is de celspanning geen doorslaggevende faktor: bij een ontlading van 1/3 van de capaciteit (ongeveer 700mAh) is de celspanning van een alkaline batterij gezakt onder die van een NiMH oplaadbare batterij bij eenzelfde ontlading. Alkaline batterijen hebben wel degelijk een hogere celspanning, maar dit duurt niet!

Accus kunnen vaker opgeladen worden dan batterijen (1000 maal in plaats van 5 maal) en de eignschappen blijven langer goed. Er zijn geen dwingende regels wat het cycleren betreft.


Deze lader-tester kan ook gebruikt worden om alkaline batterijen te testen, de resultaten zijn echter onjuist door de meetmethode.

Werking van de tester

De tester die ik gebruik kan batterijen opladen, testen, ontladen, enz. De metingen zijn zeer betrouwbaar. Gemeten met een professioneel toestel dat zo'n 10.000€ kost zijn er geen verschillen.

Om de ontlaadstroom in te stellen gebruikt de meter pulsstromen van 1000mA. Om een ontlaadstroom van 100mA te bekomen, zal de tester de batterij met een stroom van 1000mA ontladen gedurende 200ms en niets doen gedurende 1800ms. Uiteindelijk wordt de cel evenveel ontladen en heeft dit weinig invloed op de meting als accus ontladen worden (deze hebben een zeer lage inwendige weerstand)

Met alkaline batterijen heb je wel een probleem: vanwege de hoge inwendige weerstand is de klemspanning en de uiteindelijke capaciteit sterk afhankelijk van de ontlaadstroom. Bij een ontlaadstroom van 1000mA bedraagt de capaciteit minder dan 500mAh, bij een ontlaadstroom van 100mA bedraagt de capaciteit 1800mAh (de batterij wordt als "leeg" bestempeld als zijn klemspanning onder de 0.9V komt).

Een van de gevolgen van de meting door mijn tester is dat de gemeten spanning 0.2V lager is dan de nominale spanning. De tester wordt daardoor te vroeg uitgeschakeld en geeft een te lage capaciteit aan.

Om een meer betrouwbare meting te bekomen zal ik de batterijen ontladen volgens de geldende normen (ontlading met een gecalibreerde weerstand). maar dit zijn testen die zeer lang duren (zeker als je ook wilt weten of de batterijen opnieuw opgeladen kunnen worden). Maar ik kan echter meerdere batterijen terzelfdertijd testen omdat ik voldoende 1% gecalibreerde weerstanden van 1.0Ω, 10Ω, 100Ω et 1kΩ heb.


Ontladingscurve (volgens fabrikant) van AA GP Ultra alkaline batterijen

Mijn batterijtester (100mA) bestaat uit een LM10 (op amp met ingebouwde spanningsreferentie) en een 2N6660 (MOSFET), zie schema hieronder. De spanningsreferentie van 200mV wordt gebruikt om een spanning van 100mV te maken. De spanning over de belastingsweerstand is evenredig met de stroom. Deze spanning wordt vergeleken met de referentie en stuurt de MOSFET die als een variabele weerstand werkt.

De voeding kan zeer eenvoudig zijn, van 6 tot 9V (verbruik minder dan 1mA) Het is mogelijk twee cellen simultaan te testen (de dissipatie is beperkt tot 300mW, ruim onder het maximum van 700mW). De minimale spanning om 100mA te bereiken is 250mV.

Gebaseerd op dit ontwerp heb ik snel een programeerbare belastingsweerstand gemaakt, stroom instelbaar tussen 1 en 999mA. Om de nodige stroom te kunnen leveren werden er 4 2N6660 gebruikt. Het verbruik is zo laag dat een 9V blok volstaat.

Belastingsweerstand 10Ω

Belastingsstroom van 100mA

Bij de tweede grafiek werd er een belastingsstroom van 100mA gebruikt, dit komt overeen met een gemiddeld verbruik, bijvoorbeeld een radio op gemiddelde geluidssterkte. De verticale blokken geven de spanningsval aan tussen onbelast en eerste belasting en zijn een maat voor de inwendige weerstand van de cel. Hoe langer het blokje, hoe hoger de inwendige weerstand van de batterij, deze is gemiddeld 0.4Ω, deze van een akku is bijna nul.

Hier presteren de Energizer batterijen beter. De beginspanning is wat hoger en de cellen gedragen zich ook beter bij de tweede ontlading. Er is nog voldoende capaciteit bij de derde ontlading, maar onvoldoende bij de vierde ontlading.

De GP Ultra batterijen presteren hier minder goed. De capaciteit valt terug, zowel bij de tweede als de derde ontlading. Bij de derde ontlading is de bruikbare capaciteit teruggevallen tot 700mAh.

Ter vergelijking de ontladingscurve van een NiMH accu. Indien de spanning wat lager is, deze blijft nagenoeg constant gedurende de volledige ontlading (capaciteit van 2050mAh).

De test werd hier ook uitgevoerd met twee blisters (tweemaal vier cellen). In tegenstelling met de vorige test werden de batterijen ontladen tot 1.15V in plaats van 1.25V. Op het grafiek zie je ook de ontladingscurve van een lithium primaire batterij (1.5V batterij formaat AA). Ten gevolge van de relatief lage ontlaadstroom zijn de twee plateaus goed zichtbaar.

Het zijn geen oplaadbare lithium batterijen: deze cellen mogen niet opgeladen worden en de klemspanning is lager dan bij lithium-ion accus.

Paginas die volgens Google je zouden kunnen interesseren