Een batterij werkt nooit beter dan de allereerste keer dat je hem oplaadt. Dat zit in hun aard: Ze slaan energie voor ons op, maar doen dat elke keer dat we ze opladen minder efficiënt.
Niet dat er geen dingen zijn die we kunnen doen om ervoor te zorgen dat batterijen hun lading beter vasthouden, zoals experts als Venkat Srinivasan graag adviseren. “Gebruik je laptop niet als een desktop,” zegt hij. “Als hij volledig is opgeladen, trek je de stekker eruit. De batterij is al opgeladen, en we dringen er nog steeds op aan om meer en meer op te laden.”
Toen hij dat zei, kon ik het niet helpen om nerveus naar beneden te kijken naar de laptop waarop ik zijn woorden verwoed aan het overschrijven was. Natuurlijk zat de stekker in het stopcontact. Natuurlijk was dat al zo sinds tenminste gisteren, en natuurlijk was wat ooit een paar uur batterijduur was, nu waarschijnlijk hooguit een half uur zonder stekker. Hopelijk kon Srinivasan mijn slechte batterijbeheer niet opmerken door alleen maar met me te praten.
Srinivasan is een van de belangrijkste onderzoekers die de wetenschap van batterijen onderzoeken in het Argonne National Laboratory, dat een half uur ten zuidwesten van Chicago ligt. Hij kent alle trucs om te voorkomen dat een telefoon- of laptopbatterij zijn vermogen verliest om een lading vast te houden. Het belangrijkste geheim, zegt hij, is om je apparaat nooit helemaal op te laden.
“Het beste wat je kunt doen is tot 70 procent of 80 procent opgeladen gaan, niet daarboven gaan, en soort van binnen dat bereik blijven,” zegt hij. De reden voor dit advies ligt in de chemische structuur van de lithium-ionbatterij die de meeste consumentenelektronica en, in toenemende mate, elektrische voertuigen aandrijft. Het opladen en ontladen van een batterij kan ervoor zorgen dat de materialen uitzetten en krimpen, waardoor de hele batterij onder spanning komt te staan en de levensduur wordt verkort.
Als je een telefoonbatterij laat werken tot hij leeg is en hem vervolgens weer helemaal oplaadt tot 100 procent, heeft hij misschien maar een paar honderd cycli voordat hij niet meer werkt. Iemand die zich absurd inspant om de schommelingen van een batterij zo klein mogelijk te houden – laten we zeggen tussen 75 en 78 procent – kan er tot 300.000 cycli uitpersen, volgens berekeningen van Srinivasan.
Srinivasan geeft toe dat een dergelijk nauwkeurig batterijbeheer voor de meeste mensen bijna zeker meer moeite zal kosten dan het waard is, dus hij beveelt een eenvoudiger aanpak aan om ervoor te zorgen dat batterijen hun lading behouden.
Afgezien van de structurele problemen, waarom is het zo schadelijk voor een batterij om deze volledig opgeladen te houden, of zelfs maar helemaal op te laden?
Het antwoord ligt in de meedogenloze, vluchtige microscopische omgevingen binnenin deze draagbare krachtpatsers. Vanaf hun allereerste lading vechten batterijen een verloren strijd met hun eigen chemie.
Oplaadbare batterijen zoals die in een telefoon of laptop genereren elektrische stroom uit de beweging tussen elektroden van geladen deeltjes, of ionen, van het element lithium – daarom noemen we ze lithium-ionbatterijen.
Wanneer een batterij wordt ontladen, bewegen de deeltjes van de negatieve elektrode naar de positieve elektrode, ook bekend als respectievelijk de anode en de kathode. Tijdens het opladen keert dit proces om. In lithium-ionbatterijen is de anode meestal gemaakt van een elektrisch geleidende koolstofverbinding zoals grafiet, terwijl de kathode is gemaakt van een lithiumverbinding die de lithiumionen kan absorberen en afgeven.
Hier begint het probleem als bijvoorbeeld een telefoon de hele nacht in het stopcontact is blijven zitten. De ionen reageren met de kathode in een chemisch proces dat oxidatie wordt genoemd, waardoor een deel van het lithium in de batterij wordt verbruikt. Hoe langer deze reacties duren, hoe meer deeltjes er verloren gaan die nodig zijn om de batterij stroom te laten leveren. Het duurt minder lang om de deeltjes te ontladen, wat betekent dat de batterij veel sneller leeg raakt dan vroeger. Het probleem kan verergeren als de batterij te snel wordt opgeladen, waardoor ook de capaciteit wordt uitgeput.
Batterijen lopen meer risico’s dan alleen overladen, omdat de chemische omgeving onverbiddelijk degradeert, zelfs als u altijd goed oplet wanneer u de stekker uit het stopcontact moet trekken.
“Met de lithium-ionen, raken sommige van hen verloren,” legde materiaalwetenschapper Michael Toney uit, een onderzoeker aan het SLAC National Accelerator Laboratory, in de buurt van Stanford University. “Ze komen vast te zitten op plaatsen waar ze niet meer kunnen pendelen tussen de anode en de kathode. Delen van de anode of kathode worden elektronisch losgekoppeld van de stroomcollector. Dat is het deel van de batterij dat elektronen verzamelt die heen en weer lopen als je de batterij oplaadt en ontlaadt.”
De lithiumionen verplaatsen zich tussen de elektroden door vloeibare chemicaliën die elektrolyten worden genoemd. Die elektrolyten zijn essentieel voor de hele operatie, maar ze ondergaan ook reacties met de anode die de levensduur van de batterij verkorten.
“De natuur wil helaas dat die reactie optreedt, dus zal ze optreden,” zei Srinivasan. Het enige wat batterijontwerpers kunnen doen, is proberen die reactie tot een minimum te beperken. “Maar het is niet perfect. Het komt terug om je te bijten.”
Toch, zo pietluttig als lithium-ionbatterijen kunnen zijn, zullen de meeste mensen waarschijnlijk niet veel van het probleem merken, simpelweg omdat ze hun telefoon of laptop niet lang genoeg bewaren om de oplaadsituatie echt nijpend te laten worden. Er kan een bijna onbewuste berusting zijn dat, jawel, het tijd is om het gewoon op te geven en je laptop te gebruiken als een permanent ingeplugde desktop, of een vaag gevoel dat je telefoon lang niet de levensduur van de batterij lijkt te hebben die werd geadverteerd. Maar tenzij u van plan bent om uw elektronica veel langer dan drie jaar te houden, zal het niet zo’n groot probleem zijn.
Maar hoe zit het met elektrische auto’s, die op veel grotere versies van vergelijkbare lithium-ionbatterijen lopen? De meeste mensen die meer dan $ 70.000 neertellen voor een Tesla-auto, willen dat die batterij de lading enkele jaren vasthoudt, misschien zelfs tien jaar of langer. Elektrische auto’s hebben unieke problemen met het beheer van de lading, die huishoudelijke elektronica niet heeft.
“Typisch, als je op het gaspedaal stampt, wil je dat de auto op de juiste manier reageert,” zei Toney. “Dus dat kan de batterij zeer hard rijden voor een korte periode van tijd. Dat is niet typisch het soort ontladingen dat je zult zien in een laptop of een mobiele telefoon.”
Naast regelmatig gebruik zijn alle batterijen gevoelig voor temperatuurschommelingen, met sommige telefoon- of laptopbatterijen die zijn geprogrammeerd om automatisch uit te schakelen als ze te heet worden. Een Tesla-batterij, ruwweg het equivalent van 8.000 mobiele telefoonbatterijen, kan veel heter worden tijdens het gebruik. En het is mogelijk dat het laadstation zich op een koele locatie bevindt, waardoor een potentieel gevaarlijke temperatuurschommeling ontstaat.
Er is ook nog de kwestie van hoe snel een elektrische auto moet worden opgeladen. Voorlopig zijn veel bestuurders van elektrische auto’s tevreden met het ’s nachts opladen van hun voertuig, wat betekent dat de batterij van de auto weer een lading kan krijgen in een veilig, langzaam tempo. Maar een toekomstige infrastructuur voor elektrische auto’s zal het equivalent van benzinestations nodig hebben – plaatsen waar bestuurders op lange ritten kunnen tanken.
“Idealiter zouden we willen dat elektrische auto’s in minder dan 15 minuten kunnen opladen, dat is het punt waarop je je voorstelt dat iemand een oplaadstation binnenrijdt, naar het toilet gaat, wat te drinken haalt, en klaar is om te gaan”, zei Toney. “Dat verbruikt veel energie, en batterijen kunnen dat nog niet aan. Ze zullen niet tot hun volledige capaciteit opladen. Als je je batterij met zo’n snelheid probeert op te laden, zal hij het snel begeven.”
De lithium-ionbatterij is een opmerkelijke uitvinding die technologische revoluties teweegbrengt in de manier waarop we computers, telefoons en uiteindelijk auto’s gebruiken. Maar dezelfde interne chemie die ze zo ideaal maakt om onze onmisbare apparaten van energie te voorzien, betekent ook dat hun levensduur inherent beperkt is.
Het langer vasthouden van de lading van batterijen is een van de vele fundamentele problemen waar batterijwetenschappers mee worstelen, of dat nu betekent dat ze de bestaande installatie moeten verbeteren of dat ze iets nieuws en beters moeten maken.
Terwijl we wachten, kunnen we overwegen het advies van Srinivasan op te volgen: “Laat in ieder geval je laptop niet aangesloten!” Tenminste voor degenen onder ons die nog niet volledig geruïneerd onze computer levensduur van de batterij, dat wil zeggen.