Batterijen

1. Inleiding

Dit verslag gaat over batterijen. Batterijen zijn voorwerpen die door bepaalde chemische reacties in hun cellen elektrische energie opwekken. Deze elektrische energie wordt geleverd aan elektrische apparaten zoals een radio of een zaklantaarn. Dit wordt verder toegelicht in hoofdstuk 2.

Men stelt zich bij het woord ‘batterijen’ vaak een wegwerpbatterij voor: een klein, cilindervormig voorwerp dat je eenmalig kan gebruiken. Maar er bestaan ook oplaadbare batterijen, deze worden alleen vaak niet herkend als batterij, maar als accu. De meningen zijn er over verdeeld of een accu ook een batterij is, omdat ze erg verschillen van elkaar. Dit wordt verder toegelicht in hoofdstuk 3.

De essentie van batterijen gaat al ver terug. In 1748 werd de term ‘batterij’ namelijk al gebruikt om een rij elektrisch geladen glasplaten aan te duiden. Maar in die tijd was het vooral nog voor amusement en werd het nog niet praktisch gebruikt. De echte praktische batterij werd uitgevonden in 1800 onder de naam ‘Zuil van Volta’. Dit wordt verder toegelicht in hoofdstuk 4.

Er wordt de laatste tijd veel onderzoek gedaan naar batterijen omdat ze wellicht een beter alternatief zijn voor fossiele brandstoffen. Maar op dit moment zijn ze nog schadelijk voor het milieu, omdat er niet genoeg batterijen worden gerecycled en omdat het winningsproces van de materialen die in batterijen zitten milieuonvriendelijk is. Dit wordt verder toegelicht in hoofdstuk 5.

2. Soorten batterijen

Batterijen zijn op veel verschillende manieren op te delen. Ten eerste zijn er:

Dit zijn, zoals de naam zegt, batterijen die je maar één keer kan gebruiken en daarna moet weggooien (maar het is beter om ze naar een inzamelpunt te brengen!). Ze worden gebruikt voor apparaten die niet zoveel stroom gebruiken, zoals zaklampen en rekenmachines.
Oplaadbare batterijen. Dit zijn batterijen die je kan opladen als ze leeg raken. Ze worden gebruikt in producten zoals computers en camera’s, maar ook elektrische auto’s. Oplaadbare batterijen zijn het best voor apparaten die veel en vaak gebruikt worden, apparaten die veel stroom vragen en apparaten die niet altijd paraat moeten staan.

Batterijen kunnen van verschillende materialen gemaakt zijn:

Alkaline batterijen. Deze wegwerpbatterijen leveren energie door de chemische reactie tussen zinkpoeder, mangaandioxide (een alkalisch materiaal, vandaar de naam) en grafiet. Deze batterijen worden onder andere gebruikt voor klokken en afstandsbedieningen.
Lithium batterijen. Deze wegwerpbatterijen leveren energie door de chemische reactie tussen mangaandioxide en, zoals de naam al zegt, lithium. Deze batterijen worden onder andere gebruikt voor elektronisch speelgoed en scheerapparaten.

Alkaline batterijen zijn goedkoper dan lithium batterijen, maar lithium batterijen gaan wel zeven keer langer mee. Naast deze twee soorten batterijen, bestaan er ook:

Lithium-ion batterijen. Deze oplaadbare batterijen werken op een andere manier, zoals uitgelegd in hoofdstuk 2. Lithium-ion batterijen worden onder andere gebruikt in telefoons en elektrische auto’s.

Er zijn ook verschillende formaten batterijen. Deze formaten kunnen zowel lithium, lithium-ion of alkaline batterijen zijn. Het formaat van een batterij is belangrijk om te weten omdat alle batterijformaten een andere afmeting hebben en je batterij anders niet in het batterij vak van je apparaat past.

AA-batterijen. AA-batterijen zijn 14,5 x 50,5 mm en ze worden onder andere gebruikt voor draadloze muizen en elektronisch speelgoed.
AAA-batterijen. AAA-batterijen zijn 10,5 x 44,5 mm, kleiner dan een AA-batterij dus, en ze worden onder andere gebruikt voor mp3-afspelers en koptelefoons.
9v-blokbatterijen. 9v-blockbatterijen zijn meestal 26,5 x 17,5 x 48 mm en ze worden onder andere gebruikt voor rookmelders en draadloze microfoons.
C-batterijen. C-batterijen zijn 26,2 x 50 mm en ze worden niet zoveel gebruikt, maar onder andere voor zaklampen en meetapparatuur.
D-batterijen. D-batterijen zijn 34,5 x 61,5 mm en ze worden onder andere gebruikt voor professionele zaklampen en laserapparatuur.
N-batterijen. N-batterijen zijn 11,5 x 29 mm en ze worden onder andere gebruikt voor alarmsystemen en klokken.

3. De werking van batterijen

Om te begrijpen hoe batterijen werken, is het belangrijk om te weten wat moleculen zijn. Een molecuul is het kleinste deeltje van een stof dat alle chemische eigenschappen van de stof nog bezit. Een molecuul is opgebouwd uit atomen, deeltjes die dus nog kleiner zijn dan een molecuul. Een atoom is opgebouwd uit protonen, neutronen en elektronen; deeltjes die dus wéér kleiner zijn. Protonen en neutronen bevinden zich in de atoomkern. Elektronen bevinden zich in de elektronenwolk om de atoomkern heen.

Protonen zijn positief geladen, elektronen zijn negatief geladen en neutronen zijn ongeladen deeltjes. Een atoom is neutraal, doordat het evenveel protonen als elektronen bevat. Als het aantal protonen en elektronen niet gelijk meer is en de molecuul dus negatief of positief is geladen, dan heet het een ion.

Een batterij is een elektrochemisch element. Een elektrochemisch element is een samenstelling die elektrische stroom kan opwekken door een chemische reactie: de redoxreactie. Het principe van een redoxreactie is dat er een reductor is die elektronen van een atoom afstaat en een oxidator is die elektronen opneemt. Om een chemische reactie te laten plaatsvinden als de oxidator en de reductor niet direct met elkaar in contact staan, wordt een elektrolyt gebruikt. Een elektrolyt is een vloeistof die ionen bevat en hierdoor geleidend is, zodat de lading zich kan verplaatsen.

Dit is misschien moeilijk in de context van een batterij te plaatsen. Een batterij bestaat uit een minpool, een pluspool en een soort gel. Aan de minpool regeert de reductor, aan de pluspool de oxidator en de gel werkt als elektrolyt. Hierdoor beginnen de elektronen te stromen en vloeien ze door in het op het batterij aangesloten apparaat. Zo gaat de energie van de batterij naar het apparaat.

De batterij is leeg als de reductor uitgeput is en geen elektronen meer bevat. Bij een wegwerpbatterij kan je de batterij dan niet meer gebruiken, maar bij een oplaadbare batterij is het proces omkeerbaar. Als je de batterij aan een spanningsbron aansluit, voltrekken de chemische processen in de batterij zich in omgekeerde richting.

4. Geschiedenis van batterijen

De voorloper van de batterij was de condensator. Een condensator is een elektrisch component waarin elektrische lading opgeslagen kan worden. De eerste condensator was de Leidse fles: een glazen fles gevuld met geleidend water met tinfolie aan de buitenkant. Pieter van den Musschenbroeck vond in 1746 dit type condensator uit, maar een dergelijke uitvinding was een jaar eerder ook al gedaan door de Ewald Georg von Kleist.

Toen de term ‘batterij’ voor het eerst werd gebruikt, had het nog niet zoveel te maken met de moderne batterij omdat het woord ‘batterij’ toen namelijk ‘een groep van twee of meer vergelijkbare samenwerkende objecten’ betekende. Benjamin Franklin koppelde namelijk verschillende condensatoren aan elkaar om meer lading op te kunnen slaan en noemde het een ‘batterij’.

In de periode 1780-1786 voerde de wetenschapper Luigi Galvani een experiment uit met spieren van kikkers. Hij merkte tijdens het ontleden van een kikker dat het pootje van de dode kikker bewoog als hij het met twee verschillende metalen aanraakte. Hij dacht dat het iets te maken had met de achtergebleven elektrische activiteit die in de spieren.

Toen een vriend van hem genaamd Alessandro Volta over dit experiment hoorde, vond hij het interessant en deed hij het experiment na. Hij had een andere theorie; hij dacht dat er door het natte spierweefsel een elektrische stroom tussen de twee verschillende metalen ontstond. Hij ging door met zijn experimenten en vond in 1800 de eerste batterij uit: de ‘Zuil van Volta’. De Zuil van Volta bestond uit een koper- en een zinkplaatje, gescheiden door een in zout water gedrenkt stukje karton.

Dit was een revolutionaire uitvinding, maar er was zeker nog ruimte voor verbetering. In 1836 werd de batterij verder ontwikkeld door John Daniell; hij noemde het de ‘Daniell Cell’. Deze batterij had een langere levensduur, gaf stabieler stroom af, was veiliger en minder corrosief. De Daniell Cell was dus veel gebruiksvriendelijker. Door de eeuwen heen is de batterij voortdurend verbeterd, en ook nu wordt er nog gewerkt aan een langere levensduur van een batterij en een zo’n klein mogelijke batterij te maken.

5. Zijn lithium-ion batterijen goed voor het milieu?

Als men het heeft over hoe batterijen het milieuvriendelijkere alternatief zijn voor fossiele energie, wordt vaak gesproken over oplaadbare batterijen, niet over wegwerpbatterijen. Ze kunnen namelijk de oplossing bieden voor de instabiliteit van duurzame energie uit zonnepanelen en windmolens. De energie hieruit is instabiel doordat de zon bijvoorbeeld ’s nachts niet schijnt en de wind niet altijd even hard waait. Batterijen kunnen als een buffer werken wanneer er een overschot aan stroom is en leveren elektriciteit wanneer er een tekort is. Dit zorgt voor een stabiele stroomtoevoer van duurzame energie.

De lithium-ion zou hier perfect voor zijn, omdat de batterij compact is en relatief langzaam verslijt. Er zijn helaas drie factoren waardoor de lithium-ion batterijen milieuvervuilend of onwenselijk zijn:

90% van de wereldvoorraad lithium ligt onder de zoutvlaktes in de “Lithium Driehoek” in Chili, Bolivia en het Noorden van Argentinië. Lithium wordt daar dus gewonnen bij zoutvlaktes. Het water verdampt, het zout wordt afgevoerd en het lithium blijft dan over. Dit winningsproces kost erg veel water, dat al schaars is in het gebied. Ook wordt het overgebleven zout gedumpt in meren om het gebied heen, waardoor de grond onvruchtbaar Dit is niet milieuvriendelijk.
Een andere milieuvervuilende stof in moderne batterijen is kobalt. Kobalt komt bijna alleen voor in de Democratische Republiek Congo. Daar zijn mijnen waar het kobalt met de hand uit de grond wordt gehaald. Hier is vaak sprake van kinderarbeid; naar schatting werken er zo’n 40.000 kinderen in de kobaltmijnen. Dit is onwenselijk.
Als laatste worden batterijen vaak niet gerecycled, maar gewoon weggegooid: vooral afgedankte elektronica. Zwerfafval wordt namelijk vaak verbrand, waardoor de giftige stoffen van de batterijen, zoals lood, de lucht in komen. Ook zijn lithium-ion batterijen brandgevaarlijk, en kunnen ze dus een brand veroorzaken.

Dit klinkt erg slecht, maar er kan een veel langere lijst gemaakt worden voor fossiele brandstoffen. Als de levenscyclus van lithium-ion batterijen wordt verduurzaamd, kunnen we deze batterijen in grotere mate gaan gebruiken. Allereerst moeten de batterijen meer gerecycled worden; een statiegeldsysteem zal al erg effectief zijn. Ook zou het beter zijn als fabrikanten hun elektronische apparaten zo maken dat ze eenvoudiger te demonteren en repareren zijn.

De grootste verandering zou zijn dat het winningsproces schoner moet gaan. Dit heeft een bedrijf die elektrische auto’s verkoopt, Tesla, gedaan voor het winnen van lithium. Tesla heeft namelijk de ‘Tesla Gigafactory’ opgezet, een complex van bijna 180 duizend vierkante meter waar ze zelf lithium gaat winnen.

Kortom, oplaadbare batterijen zijn op dit moment niet zo milieuvriendelijk als mogelijk is. Maar met een paar ontwikkelingen kunnen de lithium-ion batterijen een goed alternatief worden voor fossiele energie.

6. Bronnenlijst

https://www.encyclo.nl/begrip/Batterij
https://nl.wikipedia.org/wiki/Batterij_(elektrisch)
https://www.bebat.be/nl/blog/soorten-batterijen
https://info.bebat.be/blog/hoe-werkt-herlaadbare-batterij?noresize
https://www.gpbatteries.nl/nl/alles-over-lithium-batterijen
https://www.legebatterijen.nl/actueel/blog/alkaline-of-lithium-wat-zijn-de-verschillen/
https://www.conrad.nl/info/inspiration/batterijen-en-opladers/welke-batterij-heb-ik-nodig
https://www.voordewereldvanmorgen.nl/duurzame-blogs/hoe-onduurzaam-zijn-batterijen
https://www.cultureelwoordenboek.nl/natuurkunde-scheikunde-en-sterrenkunde/element
https://nl.wikipedia.org/wiki/Molecuul
https://nl.wikipedia.org/wiki/Atoom
https://www.aljevragen.nl/sk/atoombouw/ATM049.html
https://wetenschapsschool.nl/chapter/Radioactiviteit_0_De+bouw+van+atomen.html
https://nl.m.wikipedia.org/wiki/Redoxreactie
https://www.aljevragen.nl/sk/redox/RED020.html
https://slideplayer.nl/slide/2187520
https://nl.m.wikipedia.org/wiki/Oplaadbare_batterij
https://www.scientias.nl/alessandro-volta-wereldberoemd-dankzij-een-kikker/
https://nl.wikipedia.org/wiki/Zuil_van_Volta
https://nl.wikipedia.org/wiki/Condensator
https://isgeschiedenis.nl/nieuws/de-uitvinding-van-de-batterij

Geschreven in mei 2020.