Geheugen effekt

Het geheugeneffekt kan optreden als bepaalde batterijtypes slechts gedeeltelijk ontladen worden.

Het geheugeneffekt treed op als een accu geregeld ontladen wordt tot een bepaald niveau. Na een aantal cycli heeft de accu blijkbaar deze capaciteit onthouden en zal niet verder ontladen willen worden. Dit is de algemene beschrijving van het fenomeen, maar wat gebeurt er precies in de cel?

Er wordt veel over het geheugeneffekt gesproken, terwijl dit effekt in de praktijk nauwelijks invloed heeft. Een ander effekt dat een grotere rol speelt (Peukert) wordt nooit vermeld, misschien omdat de fabrikanten daardoor geen extra dure intelligente laders kunnen verkopen. Het geheugen effekt treedt enkel op bij NiCd cellen, in zeer beperkte mate bij NiMH cellen en absoluut niet bij andere batterijtypes.

Hoe ontstaat dit fenomeen? We kunnen stellen dat de aktieve materie een kristalstruktuur heeft. Bij het laden wordt de kristalstruktuur weer opgebouwd. We laden een accu op die tot 50% ontladen is geweest. De aktieve materie wordt weer opgebouwd, maar de delen die nog geladen waren vormen grovere kristallen (dit kan het best met een tekening voorgesteld worden). De grovere kristallen zijn minder efficient, ze hebben een hogere inwendige weerstand en de celspanning wordt ook lager, namelijk 1.08V in plaats van 1.2V.

Een accu die altijd half ontladen wordt zal een dubbele kristalstuktuur krijgen: een deel dat altijd aan de reactie deelneemt en een deel dat niet deelneemt aan de laad-en ontlaadcycli. Van dit deel worden de kristallen langzamerhand groter en minder efficient omdat ze nooit afgebroken worden.

Als de accu ontladen wordt, dan wordt eerst het aktieve deel ontladen, met een normale ontlaadspanning. Als dit deel uitgeput is, dan levert het luiere gedeelte stroom. De spanning zakt vrij abrupt van 1.2V naar 1.08V (zie grafiek, rode curve).

In het algemeen zal de rode curve een minder uitgesproken vorm vertonen, omdat het in de praktijk niet gebeurt dat een accu altijd precies tot dezelfde waarde ontladen wordt. Het geheugen effekt werd voor het eerst waargenomen bij kunstmanen die rond de aarde cirkelen, en dus constant een vaste laad- en ontlaadcyclus ondergingen. Men gebruikt dus beter de benaming "lazy battery syndrome" in plaats van "memory effect".

Dit effekt is van weinig belang voor de normale toepassingen waar nog NiCd accus gebruikt worden (taslampen, goedkope boormachines en scheerapparaatjes...). De lagere spanning heeft enkel tot gevolg dat er wat minder vermogen beschikbaar is. De accu levert nog steeds dezelfde stroom, de capaciteit (in mAh) is niet verminderd.

Maar bepaalde electronische systemen gebruiken de plotse spanningsval om te detecteren of de accu leeg is. Omdat de eerste spanningsval optreedt voordat de accu echt leeg is zal de electronica het toestel vroeger uitschakelen om de batterijen te sparen. Maar door deze vroegtijdige uitschakeling wordt de "geheugenfunktie" bevestigd, want de electronica zal iedere keer het toestel te vroeg uitschakelen.

Een figuur recht toont de toestand van de electrode (het is de cadmium electrode die last heeft van het geheugeneffekt):

1. 100% geladen, de electrode bestaat uit metallisch cadmium
2. 50% ontlading, cadmium hydroxide wordt in het rood aangegeven (cadmium in "ontladen" toestand)
3. Bij de herlading wordt cadmium hydroxide weer omgezet in zuiver cadmium, maar het cadmium dat niet ontladen was ondergaat een lichte kristallisatie
4. Na een tiental ontladingen aan 50% en herladingen is de kristallisatie meer aanwezig, waardoor dit deel van de electrode lui geworden is ("lazy battery syndrome").
5. Het constant laden met een lage stroom bevordert ook de kristallisatie

Om het geheugeneffekt te vermijden moeten de accus nu en dan volledig ontladen worden, ideaal is een eindspanning van 0.9V, maar dit is enkel mogelijk als de lader/ontlader de cellen individueel kan meten. In het geval van een pack bestaande uit meerdere cellen wordt de minimale ontlaadspanning ingesteld op 1.0V om te vermijden dat één van de elementen te ver ontladen zou worden. Deze operatie moet enkel uitgevoerd worden om de 5 à 10 laadbeurten (en is eigenlijk niet nodig voor scheerapparaatjes, taslampen, enz).

Cellen die lui geworden zijn kunnen hersteld worden door een tweetal volledige laad- en ontlaadcycli uit te voeren met een voldoende hoge stroom (1C).

Een volledige ontlading is niet nodig voor de NiMH accus (die geen cadmium bevatten maar een mix van verschillende elementen). Indien je lader heel slim is en de cellen individueel kan monitoren kan je de procedure doen om accus die een tijd niet gebruikt zijn geweest weer op te frissen. Deze laders geven meestal ook de capaciteit van iedere cel aan.

Deze werkwijze mag zeker niet toegepast worden voor loodbatterijen (zelfs niet de speciale batterijen die gebruikt worden in marine-toepassingen). Iedere ontlaadbeurt (zeker als de batterij volledig ontladen wordt) vermindert de levensduur van de loodbatterij. Bij het ontladen nemen de electrodes sulfaat uit het zwaverlzuur op, waardoor die lichtjes gaan opzwellen. Uiteindelijk komt er electrodemateriaal los, waardoor de batterijcapaciteit terugvalt.

Een lithium accu hoeft ook niet volledig gecycleerd worden. Een lithium accu van het type LCO (de meest voorkomende type) kan 200 keer volledig ontladen worden (of 400 keer half ontladen worden): een cyclus gebruikt dus 0.5% van de levensduur van de accu.

Een lading met een lage stroom is ook niet goed voor NiCd accus: de lage laadstroom bevordert het ontstaan van grotere minder efficiente kristallen. Als je een lader van het type "0.1C gedurende 14 uur" gebruikt, is het belangrijk de lading te stoppen na 14 uur. De accu kan niet overladen worden en zal ook niet te warm worden, maar de accu wordt daardoor lui. Een "trickle charge" (float charge) is niet aangewezen voor dergelijke accus, de accus worden daardoor lui.