Oplaadbare batterijen

Oplaadbare batterijen (in technische termen worden ze secundaire batterijen genoemd) combineren een hoge ontlaadstroom met de eigenschap dat ze opnieuw geladen kunnen worden. De lithium-ion batterijen zijn de meest moderne batterijen.

De lithium-ion batterijen gebruiken een andere technologie dan die van de NiMH (Nickel-metaalhydride). Deze batterijen met een hoge celspanning (3.6V) hebben een gemiddelde capaciteit: het is de hogere celspanning die ervoor zorgt dat de opgenomen energie hoger is. Ze worden vaak gebruikt omwille van hun laag gewicht (lithium is een zeer licht metaal). Het laag soortelijk gewicht van lithium gekoppeld aan de hoge klemspanning betekent: een hoog vermogen voor weinig gewicht (hoge energiedensiteit).

De batterijen gebruiken hetzelfde laadprocédé als de loodbatterijen (float charge), maar zijn heelwat meer kieskeurig voor wat betreft de laadspanning dat stabiel op een tiende volt moet zijn (en afhangt van de celtemperatuur). De celtemperatuur moet bewaakt worden en het laden moet aan een lagere stroom gebeuren als de cel warm wordt.

Lithium batterijen behouden goed hun lading (minstens een paar maanden), behalve indien de batterijen in het toestel blijven. Door de constante kleine ontlaadstroom lopen de batterijen leeg en kunnen zelf te ver ontladen worden. Lithium batterijen bewaar je best half-geladen buiten het toestel en in een koude omgeving.

Hoe hoger de klemspanning, hoe gevaarlijker de batterij. Dit blijkt een constante te zijn die ook opgaat voor andere batterijtypes: Nickel-ijzer batterijen die de laagste spanning hebben zijn ook de meest stabiele.

Er bestaat niet één type lithium batterij, maar minstens 6:

• Lithium Cobalt Oxide LCO)
  Deze batterijen hebben een hoge capaciteit, maar een beperkt aantal laadbeurten.
  Deze batterijen worden vaak in smartphones gebruikt.
  Als men het over een "lithium batterij" heeft, dan bedoelt men meestal dit type.
  Cobalt is een zwaar vervuilend metaal en deze batterijen moeten gerecycleerd worden.
  Spanning: 3.6V, 500 laadbeurten, stroom begrensd tot 1C, lading beperkt tot 0.7C (volledige lading in 3 uren), opgeslagen energie: 200Wh/kg

• Lithium Manganese Oxide (LMO)
  Kan een hoge stroom leveren en worden daarom gebruikt voor electrisch gereedschap (draadloze boormachines, enz).
  Spanning: 3.7V, 300 laadbeurten, ontlading: 5C, lading 0.7C, energie: 125Wh/kg

• Lithium Iron Phosphate (LFP)
  Meer stabiele batterijen, maar met een lagere werkspanning. De grondstoffen zijn goedkoop. Gebruikt in electrische scooters en fietsen
  4 cellen kunnen een loodaccu (6 cellen) vervangen (vervangbatterijen voor motoren, marine toepassingen enz).
  Spanning: 3.2V, 1500 laadbeurten, ontlading 10 à 25C, lading 1C, energie: 120Wh/kg
  Detailbespreking van lithium-ijzer-fosfaat batterijen

• Lithium Titanate (LTO)
  Lage capaciteit maar lange levensduur, kan een hoge stroom leveren, zeer veilig en wordt daarom voornamelijk in electrische auto's gebruikt.
  Spanning: 2.4V, 5000 laadbeurten, ontlading: 10C, lading 1C, energie: 75Wh/kg

• Lithium Nickel Manganese Cobalt Oxide (NMC),
  Lithium Nickel Cobalt Aluminum Oxide (NCA)
  Het gebruik van verschillende legeringsmetalen zorgt voor betere eigenschappen: hogere stroomdensiteit of hogere capaciteit.
  Spanning: 3.6V, 500 à 1000 laadbeurten, 200Wh/kg.

Lithium wordt in verschillende betterij-types gebruikt (een aantal van die batterijen zijn niet-oplaadbaar) vanwege de hoge reactiviteit van lithium (kijk naar de indexpagina batterijen voor de verschillende types).

De normale lithium-ion batterijen (dus LCO-type) houden niet van hoge stromen (zowel laden als ontladen), dit is de reden waarom externe flitsers nickel-metaalhydride batterijen gebruiken: deze kunnen wel de hoge stroom aan. Zelf merkflitsers gebruiken standaard NiMH batterijen, terwijl ieder fabrikant wel een eigen type accu (meestal lithium) heeft voor zijn fototoestellen.

Een voordeel van de lithiumtechnologie is dat de batterij snel tot 50% capaciteit geladen kan worden (in 30 minuten), dan verloopt het laden trager en trager. In 30 minuten heb je reeds een batterij die voldoende geladen is om bruikbaar te zijn.

De levensduur van lithiumbatterijen is beperkt (voornamelijk LCO en gerelateerde types): lithium is een zeer reaktief metaal dat de inwendige van de batterij aantast. De batterijen verouderen van zodra ze geproduceerd zijn. Een reserve-batterij kopen voor je camera is zinloos als je die niet gebruikt (je kan die wel afwisselend gebruiken met de eerste batterij en zo de totale werkduur van je camera verhogen). Dankzij de evolutie van de technologie is dit minder een probleem, maar ik weet uit ervaring dat de eerste lithium-batterijen eerder een flop waren wat betreft robustheid. Tegenwoordig blijkt dit opnieuw een probleem te vormen in toestellen die de batterijen zwaar belasten en diep ontladen (smartphones): de levensduur van een batterij is beperkt tot minder dan een jaar.

Een kenmerk van een versleten lithium batterij is dat de batterij luier wordt. De batterij kan moeilijker stroom leveren (de spanning zakt in elkaar) en de batterij wordt warmer bij het opladen. Het opladen duurt nog altijd even lang, maar de energie wordt niet opgeslagen maar omgezet in warmte. De warmteontwikkeling kan redelijk hoog zijn, zelfs voor batterijen die niet veel cyclussen doorlopen hebben. Daarom dat er een temperatuurbewaking op batterijpacks moet zitten.

Omdat lithium zo reaktief is kan het niet gebruikt worden in grote aggregaten: door de warmte-ontwikkeling bij het laden kan de batterij spontaan vuur vatten! Regelmatig komen er artikels in de pers: Notebookbatterij ontploft! GSM batterij onveilig! Als een kleine GSM batterij al spontaan vuur kan vatten tijdens het laden, wat zou er gebeuren als een batterij van een electrisch aangedreven auto vuur zou vatten? (met een capaciteit die minstens 3000X hoger is). Enkel bepaalde lithium-technologieën zoals LFP en LTO zijn geschikt voor gebruik in voertuigen.

Bij lithium-ion batterijen (meerdere cellen in serie) is er geen natuurlijke egalisatie (zoals bij cellen met een waterige electroliet), waarbij alle elementen tot de maximale capaciteit geladen worden. Bij een lithium-ion batterij mag iedere individuele cel absoluut niet overladen worden en moet er dus een electronisch systeem voorzien worden om de cellen te beveiligen (celbalancering).

De eerste lading van een nieuwe batterijpack moet langer duren (soms tot 8 uur naargelang de lader). Zo kan de controle-print in de batterijpack alle cellen mooi egaliseren.

Lithiumcellen die met niet-waterige electrolieten werken hebben andere opvallende kenmerken, als men die vergelijkt met bijvoorbeeld batterijen (loodbatterijen) en zink-koolstof primaire batterijen. Deze batterijen hebben een spanning die in elkaar zakt na een stroomafname, om dan opnieuw te stijgen als het gebruikte electroliet gemengd wordt met vers electroliet. Bij lithium-cellen moet er een stroom lithium-ionen tussen de electroden ontstaan en het electroliet vormt hier een zekere weerstand. Naargelang het type batterij is de wet van Peukert min of meer van toepassing.

Eigenlijk is de banaming polymeer verkeerd, want alle lithium-ion batterijen hebben een polymeerlaag als electroliet, maar de banaming polymeer of LiPO wordt specifiek gebruikt voor elementen die niet in een vaste container zitten.

LiPO batterijen zijn nog minder bestand tegen hoge stromen dan gewone lithiumbatterijen en worden daarom bijna uitsluitend gebruikt in GSM-toestellen en accessoires die relatief weinig verbruiken zoals oortjes. Bij de laad- en ontlaadbeurten komen de lagen los van elkaar en dit effekt is natuurlijk sterker aanwezig bij cellen die in een plastiekzak zitten.

LiPO-batterijen gaan nog minder lang mee dan lithiumbatterijen: een levensduur van 6 maanden is niet ongewoon (intensief gebruik, hoge temperaturen, te sterk ontladen, te lang opladen,...). Daarom geven fabrikanten van electronische apparatuur maar een waarborg van 6 maanden op de batterijen. Heel slim gezien van gsm-fabrikanten: een defekte batterij is de ideale gelegenheid om een nieuw toestel te kopen, want de dealer heeft vervangbatterijen (bijna) nooit op stock. En de vervangbatterijen kosten bijna evenveel als een nieuw toestel.

Probeer maar es zelf de batterij van je iPod te vervangen! De meeste mensen kunnen geen twee weken wachten terwijl de batterij van hun smartphone vervangen wordt (gebeurt reeds tijdens de wettelijke waarborgperiode). Zo ben je eigenlijk verplicht een nieuw GSM te kopen, terwijl de waarborg op het toestel nog niet verlopen is!

De BMS print zorgt er simpelweg voor dat de celspanning niet te ver kan oplopen door als een cel volgeladen is de extra stroom om te leiden (passieve celbalancering). De batterijlader moet wel een correcte maximale spanning leveren van 14.40 à 14.60V bij LFP.

Koop je losse cellen, dan moet je dus zo'n management systeem bijbestellen. De BMS-print moet aangepast zijn aan de technologie: de maximale spanning voor een LCO-cel is niet dezelfde als voor een LFP of een LTO-cel. Er bestaan dergelijke printen voor 2 of meer cellen.

Sommige BMS printen beschermen de batterij ook bij een te verre ontlading. Dat zijn de printen waarbij de algemene stroomdraden ook over de print lopen. De bescherming gebeurt door de stroom volledig te onderbreken als de spanning onder een bepaalde waarde zakt. Niet alle BMS printen hebben een dergelijke bescherming, want dit betekent dat de volledige batterijstroom (dit tot meer dan 20A kan oplopen zelfs voor kleien batterijpacks) door de print moet lopen.

De egalisatieschakeling moet aangepast zijn aan de maximale laadstroom, niet aan de capaciteit van de accu, aangezien de schakeling de laadstroom over de cellen moet verdelen. Beveiligingsschakelingen (die de stroom onderbreken als de spanning te laag wordt) moeten berekend zijn op de maximale te leveren stroom (en die kan heel hoop oplopen).

-