Alkaline batterijen kunnen een beperkt aantal keren opgeladen worden. Ik test hier deze batterijen, en vergelijk de oplaadbare alkaline batterijen met gewone alkaline batterijen.
- dat de ontlading gestopt wordt bij een spanning van 1.25V (anders kan de batterij niet meer opnieuw opgeladen worden),
- dat de lading stopt bij een spanning van 1.70V (zodat de cel niet gaat gassen) en
- dat het laden met een lage stroom gebeurt (50mA voor een AA-batterij), zodat de batterij de electrische energie kan opnemen.
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
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
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 van de oplaadbare batterij 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, één 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 (reden: zie rechts "werking van de tester").
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
Als de batterij ontladen wordt tot 1.25V, kan kan deze drie à vijfmaal opnieuw geladen worden. Wordt de batterij ontladen tot 1.15V, dan kan deze één 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
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).
Vergelijking met klassieke alkaline batterijen
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?
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.
Eén 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
- Na 6 uur is de klemspanning van een nieuwe alkaline batterij gezakt onder die van een accu.
- Bij cyclus drie is de klemspanning van een oplaadbare alkaline batterij onder die van een NiMH cel gezakt na twee uur ontlading (250mAh).
- Bij de vijfde cyclus is de batterijspanning al onder de spanning van een NiHM gezakt na één uur.
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.
Werking van de tester
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 verschillende batterijtesters staan hier uitgelegd.
