De oplaadbare batterij wordt volwassen

Er zijn vandaag al zo’n zesduizend verschillende soorten batterijen op de markt. Wereldwijd worden er naar schatting twaalf miljard per jaar verbruikt. Tien jaar geleden betrof het merendeel wegwerpbatterijen die na gebruik helaas niet optimaal konden worden verwerkt. Hun kleinere capaciteit maakt ze bovendien voor veel toepassingen minder geschikt. Een nieuwe nikkelmetaalhydride batterij met een aanzienlijk hogere capaciteit, biologisch afbreekbaar, weinig toxisch en perfect recyclebaar heeft de oplaadbare batterij uit de marginaliteit halen.

Geschiedenis van Volta

Omstreeks 1790 ontdekte de Italiaanse medicus en natuurkundige Luigi Aloisio Galvani toevallig dat kikkerpoten samentrokken, telkens als hij de spierzenuwen tegelijkertijd met twee verschillende metalen aanraakte. Toen zijn tijdgenoot Alessandro Volta aan de Universiteit van Pavia de proef op de som nam, kwam hij tot het inzicht dat er geen sprake was van ‘dierlijke elektriciteit’, zoals Galvani had gedacht.

Professor Volta toonde aan dat de elektriciteit werd opgewekt doordat de twee verschillende metalen, via het weefsel van de kikker, met elkaar in contact kwamen. Van de atoomstructuur met een positief geladen kern waarrond elektronen cirkelen, had hij nog geen weet. Pas veel later werd duidelijk wat er eigenlijk gebeurde. In tal van materialen cirkelen de elektronen in hun buitenste banen zo ver van de atoomkernen weg, dat ze nauwelijks nog met de kernen verbonden zijn. Ze kunnen zich dan min of meer vrij tussen de atomen bewegen. Door het verlies van een of meer elektronen, worden die atomen zelf positief geladen ionen. Sommige materialen bezitten meer vrije elektronen dan andere. Als ze met elkaar in contact worden gebracht, verspreiden de vrije elektronen zich gelijkmatig langs beide zijden van het raakvlak.

Het trekken van Galvani’s kikkerpoten was louter het gevolg van dit doorstromen van elektriciteit van het ene materiaal naar het andere. Het dierlijke weefsel fungeerde daarbij als geleider. Tegenwoordig gebruiken we daarvoor geen kikkerpoten meer, koper is handiger. Kenmerkend aan een geleider is, dat het materiaal veel vrije elektronen bevat. Als het tussen een materiaal met een elektronenoverschot en een materiaal met een elektronentekort wordt geplaatst, dan bewegen de vrije elektronen zich van plus naar min.
Volta deed proeven met diverse metalen en klasseerde ze trapsgewijs, zodanig dat elk metaal een positieve lading opleverde indien het met het volgende op de lijst werd gekoppeld. Om een beter contact te verkrijgen, bevochtigde hij de metalen. In een volgend stadium verbond hij de koppelingen met vochtige proppen. Door ze op elkaar te stapelen, wist Volta in 1796 een constante elektrische stroom op te wekken.

Of hij daar werkelijk de eerste mee was, is nog de vraag. In 1930 werden in Irak zowat tweeduizend jaar oude objecten ontdekt, die verdacht goed op batterijen lijken. Ze werden als ‘cultusvoorwerpen’ in de reserves van het museum van Bagdad ondergebracht. Wie ze maakte en waartoe ze precies dienden, blijft een mysterie...

De Voltazuil

In 1800 maakte Volta de constructie van de voltazuil bekend. De eerste uitvoering bestond uit op elkaar gestapelde metalen schijven, afwisselend van zink en koper of zilver. Tussen elk paar lag een laag vilt of poreus karton, bevochtigd met een oplossing van keukenzout. In zo’n constructie ontstaat een spanning, vergelijkbaar met de druk die op een waterleiding staat doordat de vergaarbak van de watertoren zoveel hoger ligt dan de kraan thuis.
Het verval van water wordt uitgedrukt in meter, het ‘verval’ van elektriciteit in volt. Zolang de kraan dicht blijft, gebeurt er niets. Zo is het ook met de primitieve voltabatterij: pas als de laatste zinkschijf door middel van een geleider met de onderste zilver- of koperschijf wordt verbonden, gaan de vrije elektronen in de geleider in één richting ‘stromen’. Op hun weg door de geleider botsen de elektronen op positieve ionen, die hun bewegingsenergie overnemen. Omdat de ionen zelf in een hecht kristalrooster vastzitten, moeten ze die energie in een andere vorm omzetten. De geleider warmt dus op. We kunnen de elektronenstroom ook door een dunne wolfraamdraad loodsen. Die wordt daarbij gloeiend heet en gaat licht uitstralen. Om te beletten dat de draad zou oxyderen, moet dat wel in een luchtledig glazen bolletje gebeuren. We kunnen de vergelijking met de watertoren nog verder doortrekken. Zoals de hoeveelheid stromend water wordt uitgedrukt in liter per seconde, zo wordt de hoeveelheid stromende elektriciteit gemeten in ampère, waarbij 1 A overeenstemt met 6,242 triljoen elektronen per seconde. Als de watertoren hoger wordt geplaatst, zodat het verval toeneemt, dan wordt na het openen van de kraan meer water per seconde door dezelfde leiding geperst. Als de spanning (voltage) in een elektrische stroomketen wordt opgedreven, neemt ook de stroomsterkte (het aantal ampère) toe. En zoals bij waterkracht de hoeveelheid stromend water, vermenigvuldigd met het verval, het vermogen aangeeft (2 kg water/seconde x 5 meter verval = 10 kilogrammeter), zo geeft de hoeveelheid stroom, vermenigvuldigd met de spanning, het elektrische vermogen aan in watt (2 ampère x 5 volt =10 watt).

Om ter grootst

Al deze relaties werden stap 'Voor stap blootgelegd door de natuurkundigen die in het begin wan de negentiende eeuw om ter grootste voltazuilen bouwden, precies zoals wetenschappers nu om ter grootste deeltjesversnellers construeren. Later schakelden ze over op batterijen van porseleinen vaten, gevuld met een zoutoplossing, waarin onderling gekoppelde koperen en zinken platen waren gedompeld. De ‘grote batterij’ van het Royal Institution in Londen bestond bijvoorbeeld uit vierhonderd bekers en vierduizend koperen en zinken platen van elk een vierkante meter groot. Zulke ‘bekerelementen’ bleven stroom leveren, tot al het zink was weggevreten in een scheikundig proces dat elektronen losmaakt.

De vermogens die met chemische elektriciteit kunnen worden opgewekt, blijven per definitie beperkt. Het elektrische tijdperk begon dan ook pas echt toen de Deense natuurkundige Christian Oersted ontdekte dat elektrische stroom magnetisme kan opwekken en toen Michael Faraday, professor aan de Royal Institution in Londen, op het idee kwam dit verschijnsel om te keren. In 1831 werd de eerste generator gebouwd, waarin door middel van magnetisme elektrische stroom werd opgewekt. De eerste praktisch bruikbare batterij volgde pas in 1868. Ze werd ontwikkeld door de Fransman Georges Leclanché. Tot voor enkele tiental jaren geleden, werden onze batterijen nog vooral op basis van zijn zink-koolstof recept gemaakt.

De traditionele ZnC-batterij heeft een koolstofstaaf als positieve elektrode, terwijl het zinken omhulsel als negatieve elektrode fungeert. Een oplossing van ammoniumchloride dient als ionengeleidend elektrolyt. Zodra de twee polen met elkaar worden verbonden, kan de zinkelektrode over die verbinding elektronen kwijt. Ze kan dus met de elektrolyt een oxyderende reactie aangaan, waarbij ammoniak en waterstofgas ontstaan. De daarbij vrijkomende elektronen worden naar de koolstofstaaf geleid, die op haar beurt met de elektrolyt reducerende reacties aangaat.
Het proces gaat door tot alle zink is verbruikt. Met hun vrij beperkt energie-opslagvermogen, zijn deze batterijen alleen geschikt voor transistorradio’s en andere apparaten die weinig verbruiken. ZnC-batterij en lekken bovendien makkelijk, maar dit probleem werd ondertussen grotendeels opgelost.

Ook de zink-mangaandioxyde batterij van Leclanché hield tot op heden stand, maar in apparaten die aanzienlijke hoeveelheden stroom vergen (cassetterecorder, draagbare CD-speler, elektronische flitser, speelgoed met motor), worden tegenwoordig veelal alkali-mangaan batterijen gebruikt. De maximale energiedichtheid varieert van 70 Wh/kg bij zink-mangaandioxyde over ongeveer 120 Wh/kg bij alkali-mangaan tot 320 Wh/kg bij lithium-thionylchloride batterijen. De hoge energiedichtheid per gewichtseenheid verleent lithiumbatterijen een recordcapaciteit. Een AA ‘penlite’ alkalinebatterij heeft een capaciteit van 1.500 milli-ampère per uur, bij een gelijkwaardige lithiumbatterij loopt dat op tot 2.300 mAh.

Zesduizend soorten

Al bij al bestaan er tegenwoordig zowat zesduizend verschillende soorten batterijen. Daaronder tellen we ook een voor de consument volkomen onoverzichtelijk geworden assortiment knoopcellen (kwikoxyde, alkaline, zinklucht, zilveroxyde, ...). Ze worden gebruikt in horloges, fototoestellen, elektronische agenda’s en andere apparaten waarin een aanzienlijk vermogen met een zo beperkt mogelijk volume en gewicht moet worden verenigd.

Draagbare energie beleeft een enorme opmars. Wereldwijd worden nu jaarlijks naar schatting twaalf miljard batterijen verbruikt. In België worden elk jaar zestig miljoen stuks verkocht, in Nederland honderdtien miljoen. Voor Italië is dat tweehonderdelf miljoen, voor Groot-Brittannië driehonderddertig miljoen, voor Duitsland driehonderdzestig miljoen en voor Frankrijk driehonderdtachtig miljoen.

In Europa zijn de belangrijkste toepassingen horloges en wekkers (eenentwintig procent), walkmans (twintig procent), zaklantaarns (vijftien procent), foto-apparaten/flitsen (veertien procent) en afstandsbedieningen (twaalf procent). Zowat zestig procent van de op dit ogenblik verhandelde batterijen is van het ‘penlite’-formaat. Voor het overgrote deel gaat het hier om wegwerpbatterijen, die na gebruik helaas niet optimaal kunnen worden verwerkt. Voorlopig zit er niet veel anders op dan ze op te slaan, tot er een zinvolle verwerkingsmethode voor wordt gevonden.

Zwitserse batterijen in Japanse ovens

Hoe moeilijk die speurtocht is, blijkt in het Zwitserse Wimmis, kanton Bern. Daar werd twaalf jaar geleden de eerste industriële batterijenrecyclinginstallatie ter wereld in gebruik genomen. De fabriek heeft een capaciteit van tweeduizend ton per jaar, wat overeenstemt met ongeveer de helft van de hoeveelheid batterijen die jaarlijks in Zwitserland worden afgedankt. In Zwitserland moeten de verkopers de gebruikte batterijen sinds 1986 kosteloos terugnemen. Ze zamelen nu al meer dan zestig procent in, maar de Zwitsers mikken op tachtig tot negentig procent.

In Wimmis worden batterijen, van welke samenstelling dan ook, gepyrolyseerd en vervolgens gesmolten. De emissievrije technologie werd ontwikkeld door het Japanse Sumitomo Heavy Industries, dat al sinds 1988 een pilootinstallatie met een capaciteit van vijfhonderd ton per jaar in bedrijf heeft. De Japanners was het er oorspronkelijk om te doen de metalen uit de batterijen terug te winnen. Uit een ton oude batterijen kan zo’n driehonderdnegentig kilogram ferromangaan, tweehonderd kilogram zink, vijftien kilogram nikkel, tien kilogram koper en anderhalve kilogram kwikzilver worden gerecupereerd. Bij de Zwitsers ging het in de eerste plaats om dat toxische kwikzilver. Ze hoopten door het recyclen van batterijen de hoge concentratie kwikzilver in de rookgassen van huisvuilver brandingsinstallaties onder controle te brengen.

Ondertussen hoeft dat al niet meer. De hoeveelheid kwikzilver in batterijen is op korte tijd pijlsnel gedaald, met als gevolg dat de fabriek in Wimmis een volkomen onproduktieve investering blijkt. Ze kostte 23,7 miljoen dollar en de bedrijfskosten lopen op tot 2.700 dollar per ton verwerkte batterijen, wat vier keer zoveel is als het gecontroleerd storten in een zoutmijn en vijf keer zoveel als de waarde van de teruggewonnen materialen. Zink, mangaan en ijzer zijn immers erg goedkope grondstoffen. De op dit ogenblik bekende reserves volstaan voor honderden tot duizenden jaren. Het is dus niet erg zinvol de metalen terug te winnen in een fabriek met een energieverbruik van 4.800 kilo-wattuur per ton, waarvan tachtig procent in de vorm van elektriciteit.

Ook voor het milieu heeft het hele project nauwelijks nog zin, omdat de batterijen kwik zilverarm, zoniet kwikzilvervrij zijn geworden. Na jaren van overleg stelde de Raad van Ministers van de Europese Gemeenschap een richtlijn op, die eiste dat het gehalte aan gevaarlijke stoffen (kwik, cadmium, lood) in batterijen zo laag als technisch mogelijk moest worden gehouden. Waar reductie niet mogelijk was (kwikoxyde, nikkel), werd het terugwinnen van de gevaarlijke stoffen vooropgesteld. Dat laatste veronderstelt dus dat batterijen een recyclinglabel meekrijgen en gescheiden worden ingezameld. Alkaline batterijen die meer dan 0,025 procent kwik bevatten, zijn nu verboden.
De Europese producenten van batterijen zetten van hun kant een kwikreducerend programma op, met als resultaat dat het kwikgehalte in standaardbatterijen van honderd naar vijf en in knoopbatterijen van honderd naar achttien procent daalde. Daardoor komt tegenwoordig nog maar half zoveel kwik in het milieu terecht. De productie van kwikoxyde knoopcellen werd uiteindelijk helemaal stopgezet.

Wegwerpbatterijen opladen

Bij de ontlading van een batterij treden aan beide polen chemische reacties op, waarbij een stof in andere stoffen wordt omgezet. In een aantal gevallen kan dit proces met behulp van elektrische stroom weer worden omgekeerd. Verloopt de omgekeerde reactie een beetje moeizaam, dan neemt de spanning tussen de twee elektroden echter snel toe. Het gevolg is dat water in de cel in waterstof en zuurstof wordt ontleed, met het risico dat de batterij openbarst.

Het Britse bedrijf Innovations commercialiseert niettemin een vijftig dollar kostend apparaat om alkaline- en zinkchloridewegwerpbatterijen weer op te laden. Het laadproces wordt door een chip bestuurd. Als de spanning te hoog oploopt, wordt de stroomrichting omgekeerd en wordt de cel even ontladen. Daarna volgt automatisch een nieuwe laadpoging. Lukt het bij herhaling niet, dan stopt het proces.

In de praktijk blijkt het bij batterijen die lang in een afstandsbediening, een klok of een ander energiezuinig apparaat zaten en dus langzaam leeg raakten, allemaal niet zo best te lukken. Alleen batterijen die frequent worden gebruikt en daarbij veel stroom moeten afgeven, doen het redelijk. Na het herladen hebben ze wel de neiging snel weer leeg te lopen. Tot tien keer herladen is mogelijk, maar de capaciteit van de batterij vermindert telkens aanzienlijk.

Dat de lader toch een zeker succes kent, komt doordat energie uit een niet-oplaadbare batterij altijd relatief duur is. In het algemeen geldt dat de energieprijs zowat omgekeerd evenredig is met de grootte van de batterij. De energie uit kleine knoopcellen is met gemiddeld 6.777 dollar per kilowattuur het duurst. Het verbruik van moderne kwartshorloges en soortgelijke apparaten, waarin ze vooral worden aangewend, is gelukkig heel laag. Op jaarbasis blijven de kosten dus nog draaglijk. De gangbare cilindrische batterijen voor radio’s en zaklampen leveren energie tegen de veel ‘gunstiger’ prijs van 68 tot 136 dollar per kilowattuur. Zelfs als ze tien keer opnieuw tot op hun oorspronkelijke capaciteit zouden kunnen worden herladen, is dat nog altijd duurder dan de energie uit een echt oplaadbare batterij.

Ongeveer 10 jaar geleden was zo’n echt oplaadbare batterij steevast een nikkel-cadmium batterij. De NiCd-batterij werd door Jungner (Zweden) en Edison (Verenigde Staten) ontwikkeld. Van ongeveer 1950 af kon ze in een gasdichte uitvoering worden gebouwd en begon ze haar opmars. Al vlug lieten de gevolgen zich op de afvalhoop voelen. In Europa circuleert op dit ogenblik naar schatting zevenhonderd ton cadmium in losse consumentenbatterijen en tweeduizend vijfhonderd ton in apparaatgebonden batterijen, die bij de afvalverwerking extra problemen stellen.

Een cadmische overwinning voor de groenen

Cadmium is voor het milieu even schadelijk als kwikzilver. Het zachte, zilverwitte metaal werd in 1817 ontdekt in een zinkhoudend erts, ‘cadmeaanse aarde’. Het is dus een van de jongste vertegenwoordigers van de familie van de zware metalen.
De naam verwijst naar de Griekse koning Cadmus, die volgens de overlevering de stad Thebe stichtte door de tanden van een draak in de aarde te planten. Ze groeiden uit tot mensen, die elkaar onmiddellijk begonnen uit te moorden. In het tumult verloor de koning heel wat manschappen, zodat een overwinning ten koste van zware verliezen nu nog altijd een cadmische overwinning wordt genoemd.

Cadmium bestaat van nature uitsluitend als ertsverontreiniging. Ook fosfaatertsen zijn ermee ‘besmet’, met als gevolg dat in een land als Nederland met het fosfaat in de mest jaarlijks elf ton cadmium in de bodem belandt. Landbouwgewassen kunnen cadmium heel goed opnemen, zodat de voeding de belangrijkste cadmiumbron voor ons lichaam is.
Meer dan enig ander zwaar metaal stapelt cadmium zich in de lichaamsweefsels op, vooral in de nieren. Dat kan tot onherstelbare beschadiging van de nierfunctie leiden. Cadmium tast de testes aan en kan bij zwangere vrouwen de vrucht beschadigen. Doordat cadmium kalk aan het bot onttrekt, kunnen breuken optreden. In Japan, de grootste cadmium-producent ter wereld, noemen ze dat itai-itai (letterlijk: au au). Cadmium kan bovendien jarenlang in de lever en de longen blijven. Bestendige blootstelling aan cadmiumhoudende stofdeeltjes kan mogelijk prostaat- en longkanker veroorzaken. Ook sigaretten bevatten overigens een flinke hoeveelheid cadmium.
Niet eens zo lang geleden werd cadmium nog op grote schaal in verf en pigmenten gebruikt, maar de voorbije jaren werden steeds meer toepassingen verboden. Voor geen enkel zwaar metaal gelden strengere normen, maar ondertussen maakte een jarenlange propaganda van de milieu- en consumentenorganisaties oplaadbare NiCd-batterijen razend populair. Volgens het Nederlandse Rijks Instituut voor Volksgezondheid en Milieuhygiëne (RIVM) werden in 1989 niet minder dan tien miljoen NiCd-batterijen verkocht, goed voor een cadmiumberg van zestig ton, de in kruimeldiefjes en andere apparaten ingebouwde batterijen niet eens meegerekend.
Terwijl het kwikzilvergehalte in wegwerpbatterijen op minder dan 0,025 procent (25C ppm) kon worden teruggebracht, zijn de oplaadbare; NiCd-batterijen ongeveer duizend keer zo schadelijk. Daar staat natuurlijk tegenover dat ze ruim duizend keer opnieuw kunnen worden gebruikt en dat er wel een verwerkingssysteen voor bestaat. Als de batterijen gescheiden worden ingezameld, kunnen het nikkel en heeft cadmium worden teruggewonnen. De reststoffen zijn opnieuw bruikbaar in de staalindustrie.

De rekening is vlug gemaakt

Met een energiedichtheid van 30 tot 40 Wh/kg is de capaciteit van de oplaadbare NiCd aanzienlijk kleiner dan die van een wegwerpbatterij, die een energiedichtheid van 120 Wh/kg haalt (alkali). Voor NiCd-batterijen is 850 mAh momenteel in AA ‘penlite’ een recordcapaciteit, voor een alkali-batterij is 1.500 mAh heel gewoon.
Bij een wegwerpbatterij daalt de spanning evenwel gestaag tijdens het gebruik, zodat ze op het einde nog maar 1 of zelfs maar 0,8 volt bedraagt. Bij een oplaadbare batterij blijft de spanning veel langer constant, zodat er in het praktische gebruik geen verschil is.

Slechts in bepaalde toestellen (fototoestellen bijvoorbeeld) wordt het gebruik van oplaadbare batterijen nog afgeraden. Voor sommige apparaten is het inderdaad een nadeel dat de spanning op het einde vrij bruusk wegvalt. Een apparaat dat ‘kuren’ krijgt, is nog altijd handiger dan een apparaat dat van het ene ogenblik op het andere totaal verstek laat gaan.

Een opgeladen batterij verliest capaciteit, ook als ze niet wordt gebruikt. Na ongeveer zes maanden, moet ze opnieuw worden geladen. In een slechts sporadisch gebruikte zaklamp is dat niet handig. Doordat oplaadbare batterijen na verloop van tijd vanzelf leeglopen, zijn ze ook minder geschikt voor wekkers en andere apparaten die heel weinig stroom verbruiken.
Oplaadbare batterijen zijn vooral aangewezen in intensief gebruikte, energieverslindende apparaten. Zo veroverden oplaadbare batterijen tot toen zowat tien procent van het marktaandeel. Het merendeel van die oplaadbare batterijen wordt vast ingebouwd. Losse oplaadbare consumentenbatterijen maken bij ons slechts twee tot drie procent van de batterijenverkoop uit.

Het ‘geheugen’ van de batterij

Aan de tot nu toe gangbare NiCd-batterijen zitten namelijk nogal wat nadelen vast. Het belangrijkste is ongetwijfeld dat ze niet mogen worden opgeladen zolang ze niet volledig ‘leeg' zijn. Anders hebben ze de neiging hun gedeeltelijk ontladen toestand als nulpunt te ‘onthouden’ en bij een volgende cyclus weer iets minder ver te ontladen. De capaciteit van een oplaadbare batterij wordt overigens nooit helemaal verbruikt. Wanneer er nog ongeveer een kwart van rest, valt de spanning zo goed als weg. Het door de batterij bediende apparaat weigert dan alle dienst en dus wordt de batterij opnieuw geladen, ook al was ze nog niet echt leeg.

Volledig ontladen om de totale potentiële capaciteit maximaal te benutten, is niet praktisch. De hiervoor gebruikte apparatuur heeft bovendien nadelige gevolgen voor de levensduur van de batterij, die haar duizend cycli dan misschien niet meer haalt. Bij de meeste oplaadbare batterijen is een zeker ‘memory-effect’ dus onvermijdelijk. De gebruiksduur wordt door het voortdurend weer opladen korter. Wie bij dat opladen een beetje slordig tewerk gaat, kan al na enkele tientallen cycli constateren dat zijn batterijen het minder goed doen. Correct laden vergt dus soms wat rekenwerk, de klok moet in de gaten worden gehouden. De gangbare NiCd-batterijen mogen ook niet verkeerd in de lader worden gestopt, zoniet gaan ze stuk. Bij overladen kunnen lekken optreden of kan overdruk zelfs ontploffingsgevaar opleveren.

BASE dat al sinds 1972 actief is op de batterijmarkt, pakte uit met een eigen gamma NiCd-batterijen waarin die problemen werden opgelost. Het ‘memory effect’ kon worden overwonnen door een speciale foamtechniek toe te passen. Als de batterijen andersom in hun lader worden gestopt, laden ze niet op, maar voorkomt een ingebouwde chemische beveiliging tegen polariteitsomkering schade. De batterijen zijn voorzien van een zelfdichtend veiligheidsventiel, waarlangs door hitte veroorzaakte overdruk kan ontsnappen. De batterijen zijn ook beveiligd tegen overladen, tegen extreme temperatuurschommelingen en tegen buitensporige zelfontlading.

Nikkel-metaalhydride: het neusje van de zalm

Tegelijkertijd met het nieuwe assortiment NiCd-batterijen, brengde BASF ook als eerste in Europa een oplaadbare nikkel-metaalhydride batterij op de markt. De NiMH-batterij is op dezelfde technologie gebaseerd als de verbeterde NiCd-batterij. Ze biedt dezelfde wikkelen. Vooral lanthaan-nikkelverbindingen (LaNi) blijken daarvoor heel geschikt.
Door deze legering als positieve elektrode te gebruiken, kunnen nikkel-waterstofaccumulatoren met een interne waterstofdruk van minder dan twee kilogram per vierkante centimeter worden gebouwd. De waterstof die zich bij het opladen vormt, reageert met de elektrode tot een metaal-waterstofverbinding (hydride). In anderhalve kubieke centimeter metaallegering ‘lost’ zich een halve liter waterstofgas op. Bij het ontladen laat de elektrode dit waterstof opnieuw vrij. Om de levensduur van de elektrode te verlengen en bij het voortdurend laden en ontladen capaciteitsverlies te voorkomen, wordt de LaNi-legering tegenwoordig nog veredeld met titaan, kobalt, aluminium en andere metalen.

De Japanse elektronicagigant Toshiba produceert al sinds 1992 oplaadbare NiMH-batterijen. In het kader van een Japans-Europees-Amerikaans samenwerkingsakkoord tussen Toshiba, Varta en Duracell, werd daartoe in Japan een gloednieuwe fabriek gebouwd. Als grootste producent en verbruiker van draagbare elektronische apparaten, is Japan overigens goed voor zeshonderd tot zevenhonderd miljoen batterijen per jaar. De Europese markt voor herlaadbare batterijen is daarentegen goed voor ‘slechts’ tweehonderd miljoen stuks per jaar en dat was volgens Varta onvoldoende om op eigen houtje een NiMH-batterij te gaan ontwikkelen.

Om uit de kosten te komen, schatte het Duitse bedrijf dat er een afzet van minstens honderd miljoen stuks nodig is. Als de verwachte jaarlijkse groei van tien tot twintig procent er inderdaad komt, dan kan volgens Varta tegen het einde van de eeuw de helft van de oplaadbare batterijen van het NiMH-type zijn. Op Europese schaal zou dat nog altijd onvoldoende zijn, en dus kreeg Japan voorrang.

De internationale samenwerking maakt Toshiba op slag toonaangevend op de Japanse batterijenmarkt. Bij de produtie van oplaadbare batterijen stonden Sanyo en Matsushita tot voor kort aan de leiding. Matshushita, producent van ondermeer Panasonic en Technics, werkt daartoe in het Limburgse Tessenderlo samen met Philips. De hydride-technologie werd trouwens door Philips technisch gedeponeerd, maar in haar oorspronkelijke formulering kon ze tot kleine explosies leiden.
Het probleem van de brandbaarheid werd ondertussen bij de BASF oplaadbare batterijen opgelost. Net als bij nikkel-cadmium, maakt gescheiden inzameling ook hier volledige recycling mogelijk. Bovendien is een metaalhydride in tegenstelling tot cadmium niet giftig. NiMH is biologisch afbreekbaar en veilig voor kinderen. Om de milieuvriendelijkheid van de nieuwe batterijen te accentueren, worden ze zonder krimpfolie in een kartonnen houder verkocht.

Lithium is de toekomst

Met een energiedichtheid van 40 tot 50 Wh/kg, haalt de NiMH-batterij van BASF in haar ‘penlite’ -versie een capaciteit van 1.100 mAh. Dat is merkelijk beter dan de 850 mAh van ‘state of the art’ nikkel-cadmium batterijen. Om technische redenen bestaat de BASF metaalhydride-batterij vooralsnog alleen in AA-for-maat (‘penlite’).
Laders voor NiCd-batterijen zijn wegens hun lage laadstroom ongeschikt voor NiMH-batterijen. Bij de nieuwe batterij hoort dan ook een speciale druppellader met timer: als het opladen achter de rug is, volgt een onderhoudslading. De batterij kan dan ook zonder bezwaar in haar lader worden bewaard, zodat ze op elk ogenblik meteen gebruiksklaar is.
Woordvoerders van BASF voorspelde toen al dat NiMH-batterij op termijn NiCd zal verdringen. Haar hogere prijs (voor de lader en vier batterijen) wordt ruimschoots door de grotere capaciteit gecompenseerd. Haar zelfontlading verloopt sneller, maar dat probleem wordt door de handige druppellader ondervangen. Overigens kunnen ook NiCd-batterijen zonder problemen met dit apparaatje worden geladen. Het aandeel van de oplaadbare batterijen neemt van jaar tot jaar toe, maar zal rond de twintig procent blijven hangen.

In de Verenigde Staten ontwikkelde het onderzoekslaboratorium van Bell Communications al een nieuwsoortige, oplaadbare mangaan-lithiumbatterij, die zonder toxiciteits- of milieuproblemen een drie keer zo hoge energiedichtheid oplevert als een doorsnee nikkel-cadmium batterij. Na duizend diepe ontladingen behoudt ze nog negentig procent van haar oorspronkelijke capaciteit, na tweeduizend ontladingen rest nog altijd vijfenzestig procent.
Bij het laden stromen lithium-ionen van de positieve lithium-mangaandioxyde-elektrode naar de negatieve grafietelektrode, waar ze in het rooster van de grafietkristallen worden ingebed. Bij het ontladen pendelen ze naar het mangaan-dioxyde terug. Om de batterij te laden, is een spanning van meer dan 4 volt vereist. In een conventioneel elektrolyt zou dat volstaan om water in waterstof en zuurstof te ontbinden, met ontploffingsgevaar als gevolg. Daarom moest een voldoende geleidende organische elektrolyt worden ontwikkeld, die ook als oplosmiddel voor lithium-ionen kon fungeren.

Het principe is niet echt nieuw. Al in de jaren tachtig bracht Sony een batterij met elektroden uit lithium-cobaltoxyde en grafiet in de handel. Ze werd vooral voor de stroomvoorziening van zaktelefoons en de betere cassetterecorders gebruikt. Ook in Canada wordt een soortgelijke batterij op basis van lithiumnikkeloxyde geproduceerd.

Mangaandioxyde is evenwel veel goedkoper en ook makkelijker te verwerken dan cobalt- en nikkeloxyde. Bovendien konden de batterijproducenten met mangaandioxyde al tientallen jaren ervaring opdoen in batterijen van het Leclanché- en alkali-mangaantype. Ook bij de recycling stellen zich geen problemen: het mangaandioxyde wordt gereduceerd tot ferromangaan, dat in de staalindustrie zijn diensten kan bewijzen.

Voor bepaalde toepassingen is de hoge spanning van lithium-mangaandioxyde elementen (3,7 volt) wel nadelig. Prototypes in AA-formaat werden al gebouwd en met succes beproefd, maar het belangrijkste toepassingsgebied wordt waarschijnlijk dat van de grote eenheden, die in telefooncentrales ter vervanging van de klassieke loodbatterijen worden gebruikt.
Daarnaast ligt er toch ook een aanzienlijk potentieel in draagbare apparaten, waarin de hogere energiedichtheid een aanzienlijk langere bedrijfsduur mogelijk maakt dan met welke andere hedendaagse batterij dan ook. Momenteel worden al extreem geminiaturiseerde versies ontwikkeld, die in elektronische apparaten afzonderlijke chips bedienen en een tijdelijk uitvallen van de centrale stroomverzorging kunnen overbruggen.

Kijkt men naar het heden, dan worden de lithiumbatterijen gebruikt in meer en meer toepassingen. Denkt men maar aan de betere GSM's, boormachines, zelfs elektrische fietsen en bromfietsen, elektrische auto's enz.

Enkele voordelen zijn: de hoogste energiedichtheid, op de lithium-ionpolymeer-accu na, de geringe zelfontlading (alleen door geïntegreerd regelsysteem), de afwezigheid van het geheugeneffect (geen capaciteitsvermindering bij het laden van een niet-lege accu), het hoge vermogen (sterk afhankelijk van kathodemateriaal), de milieuvriendelijkheid t.o.v. andere batterijen en de lange levensduur. Wil je een lithium-ion batterij bewaren, dan kan je dit het best doen als hij half opgeladen is en deze vervolgens in een koele omgeving te bewaren zoals een koelkast.

Al deze voordelen hebben ervoor gezorgd dat de Lithiumbatterij zijn intrede gemaakt heeft en niet meer weg te denken is in dit tijdperk.