Ultima Ratio Epyon

De laatste dagen liepen er enkele threads op het hardwareforum i.v.m. lithium-ion ofte kortweg Li-Ion accu's, de ondertussen wijdverspreide energiedragers die je vooral in elektronicaspullen zoals laptops, mobiele telefoons, MP3-spelers etc. aantreft. Het is een wederkerend fenomeen: wel iedere maand begint iemand een dergelijke thread om na te gaan hoe en wanneer hij dergelijke batterijen het best herlaadt. Li-Ion accu's zijn niet bepaald goedkoop, dus de levensduur er van verkwanselen door een verkeerd laadregime valt niet aan te bevelen.

En toch. Meer vaak dan weinig krijgen de mensen in hun queeste naar optimaal batterijleven de raad om de batterij steeds plat te trekken en dan pas te herladen. Meer vaak dan weinig wordt deze raad ook gevolgd en meer vaak dan weinig uit men een jaar later de klaagzang 'gaat die batterij nu maar zo lang meer mee'?

Want inderdaad, Li-Ion accu's zijn uit een totaal ander hout gesneden dan de NiCd (nikkel cadmium) en NiMh (nikkel metaalhydride) batterijen waar de meeste mensen mee zijn opgegroeid. Alwaar het vroeger aangeraden was herlaadbare batterijen zoveel mogelijk te deep cyclen, d.i. het volledig opgebruiken van de lading alvorens te herladen, is dit net nefast voor Li-Ion accu's. Deze voelen zich immers het best bij frequente ladingen, al vanaf een gedeelte van de capaciteit verbruikt is, en kunnen zelfs schade ondervinden van het deep cycling.

Dus de Li-Ion batterijen van je mobiele telefoon en laptop zo vaak mogelijk opladen en de kous is af? Helaas is het zo simpel niet. Om komaf te maken met de misverstanden rond Li-Ion accu's en enkele richtlijnen te geven om je batterij een lang en gezond leven te bezorgen: deze gids.

De Li-Ion cel

Allereerst: weet je hoe een Li-Ion cel er uit ziet?

Een enkele Li-Ion cel.

Inderdaad, net zoals een doodgewoon AA batterijtje. Verrassend? Misschien minder als je de volgende foto bekijkt.

Een Li-Ion accu.

Dit betreft hier de Li-Ion accu van een iBook, maar gaat ook op voor de Li-Ion accu's van alle andere soorten laptops. De 'blok' die je achteraan in je draagbare computer schuift bestaat op het eerste zicht inderdaad uit weinig meer dan enkele AA-achtige batterijen, de cellen, naast elkaar gestapeld in een doosje, de accu. De kost per cel bedraagt iets van een dikke tien euro. Een 6-cell accu zou dus rond de €60 kosten.

Hé maar wacht eens. Waarom rekenen fabrikanten dan vaak meer dan het dubbele van die prijs aan? Zou er misschien wat meer dan enkel batterijen in zo'n doosje zitten? Inderdaad, er zit heel wat meer in. Wat dacht je van een volledige microcomputer bijvoorbeeld? Een geladen Li-Ion accu verliest per maand ruwweg 5% van zijn lading: het verbruik van dit microcomputertje is daar een van de grootste oorzaken van. Sommige batterijfabrikanten gaan zelfs zo ver te zeggen dat een domme Li-Ion cell, dus zonder computertje, helemaal géén nulverbruik heeft.

In de foto van de iBook accu zie je de microcomputer - microcontroller is in feite een meer geschiktere term - helemaal links zitten. Dit stukje micro-elektronica heeft enkele diverse taken. Allereerst houdt het de batterijspanning in de gaten. Een geladen cel bezit een typische spanning van 3,7V. Gedurende het gebruik daalt deze spanning tot 3,0V (of dieper). Het in de gaten houden van de spanning geeft dus een perfect beeld van de actuele batterijcapaciteit. De controller zal deze spanning meten en doorgeven aan het systeem, bijvoorbeeld je laptop, die je dan op de hoogte kan houden van de batterijstatus.

Het meten van de spanning is ook belangrijk voor de veiligheid van de accu. Een Li-Ion cel kan je namelijk 'leger trekken' dan de 3,0V die voordien werd opgegeven, maar dan beschadig je de batterij. De controller zal er dus voor zorgen dat je in principe de accu nooit volledig leeg kan trekken, de zogenaamde deep discharge. Hij zal al een batterij leeg melding geven alvorens het zover komt en het geheel afschakelen. Ook het omgekeerde geldt. De accu wordt met een spanning van 4,0 tot 4,2V geladen, alhoewel meer ook mogelijk is. Om beschadiging te voorkomen zal de controller de spanning echter beperken tot maximaal 4,2V. Het regelen van de spanning gebeurt via een apart circuit, de voltage regulator genaamd, die door de controller aangestuurd wordt.

De controller bevat ook een stukje intelligentie. Deze knaap kent immers het batterijniveau en zal aan de hand daarvan een gepast laadregime opstellen. Is de accu bijvoorbeeld grotendeels leeg dan zal voor een grote oplaadstroom gekozen worden. Vallen er slechts enkele procenten bij te laden, dan zal voor een trager regime gekozen worden. Door deze techniek wordt de batterij steeds zo efficiënt mogelijk opgeladen, wat bijdraagt aan de levensduur.

Een andere belangrijk aspect van de controller is temperatuursmeting. Op de foto zie je enkele temperatuursensors tussen de aparte cellen liggen. Hoge temperaturen zijn, naast deep discharge, de grootste vijanden van Li-Ion cellen. Deze zorgen immers voor een aantal zeer nadelige zijeffecten. Allereerst verhoogt de interne weerstand bij stijgende temperatuur. Zo kan de batterij minder stroom leveren en wordt er ook nog eens meer vermogen intern verstookt, wat tot extra opwarming leidt. Daarnaast zijn hoge temperaturen zeer nefast voor de batterij als een geheel: een Li-Ion cel die het 20°C warmer krijgt kan 20% meer capaciteit verliezen. Ook zijn levensduur neemt gevoelig af.

De warmte die de batterij zelf ontwikkelt tijdens het laden en ontladen valt gelukkig nog mee. Erger is de warmte die een laptop ontwikkelt en via geleiding en convectie naar de batterij transporteert. Helemaal uit den boze is de hitte die het systeem kan te verduren krijgen van blootstelling aan de zon. De temperatuur van een laptop die in een hete auto ligt kan bijvoorbeeld al snel tot 70°C oplopen. Indien het systeem op zo'n moment geactiveerd zou worden bestaat de kans op een voor de batterij fatale afloop. Daarom is het soms mogelijk dat te hete toestellen met een Li-Ion accu simpelweg werking weigeren tot ze afgekoeld zijn: de microcontroller houdt het in werking treden van de oververhitte batterij tegen.

Nog wat andere zijaspecten van de controller zijn bijvoorbeeld het bijhouden van het aantal laad/ontlaadcycli om zo een schatting van het resterende batterijleven te kunnen geven, het bijhouden van te hoge temperaturen of laadstromen, etc…

Li-Ion accu's, een knallend succes

Sinds hun ontdekking halverwege de jaren '90 zijn Li-Ion accu's een schot in de roos gebleken en kenden ze een explosieve groei. Vooral het jaar 2006 werd een knaller, zoals enkele tientallen laptopeigenaars aan den lijve mochten ondervinden. Het begon allemaal met footage van een in vlammen uitbarstende Dell laptop dat via Youtube als een lopend vuurtje de wereld rond ging.

Het duurde echter niet lang of nog meer explosieve notebooks doken op. De problemen bleken ook niet merkspecifiek te zijn: Dell, Lenovo, Apple, … allemaal kregen ze het vuur aan de schenen gelegd. Het probleem werd al snel duidelijk: productiefouten in de Li-Ion accu's. Alhoewel het explosiegevaar van dit type accu's al langer gekend was waren deze incidenten de eerste echt ernstige.

Hoe komt het nu dat Li-Ion accu's zo explosief kunnen zijn? Om dat begrijpen moeten we even kort de interne keuken van een afzonderlijke Li-Ion cell bekijken. We hebben al gezien dat het accupack al van een totaal andere generatie dan de oude NiCd en NiMh batterijen is, maar de cellen zelf verschillen ook aanzienlijk van deze 'domme' batterijen.

Li-Ion cellen bestaan, zoals alle oplaadbare batterijen, uit vier basisonderdelen: twee elektrodes (de kathode en anode), een elektrisch isolerende laag en het elektrolyt, in dit geval lithiumzout opgelost in een etherisch solvent. De elektrodes bestaan uit vellen grafiet voor de anode en vellen lithiumlegering voor de kathode. Hiertussen wordt een geperforeerd vel isolator geschoven die in het elektrolyt gedrenkt werd. Het geheel wordt opgerold om tot de ronde cel te komen.

Doorsnede van een Li-Ion cel.

Tijdens het opladen van de cel worden er elektronen uit de kathode weggepompt waardoor deze positief wordt. Er splitsen zich nu lithiumionen van de kathode af en reageren met het elektrolyt. De weggepompte elektronen worden echter in de anode geperst waardoor deze negatief wordt. De positieve ionen in het elektrolyt worden door deze negatieve lading aangetrokken en reizen doorheen de geperforeerde isolator naar de anode, alwaar ze zich aanhechten. Eenmaal de anode verzadigd is, d. i. hij kan geen extra ionen meer opnemen, is de batterij volledig opgeladen.

Laad en ontlaadproces van een Li-Ion cel.

Het laadcircuit wordt nu weggenomen. Aangezien deze elektrische connectie de enige weg is waardoor elektronen kunnen bewegen - het elektrolyt en de isolator zijn niet geleidend - blijft de batterij zich in zijn asymmetrische status bevinden. Hangen we nu echter een elektrische last tussen de anode en kathode dan zullen de elektronen die zich opgestapeld hebben in de anode via deze last terug naar de lege kathode vloeien en hierbij een elektrische stroom genereren. Ook de ionen maken zich van de anode los en vloeien door het elektrolyt terug. Eenmaal het elektrisch evenwicht tussen de anode en kathode hersteld is valt de elektrische stroom stil, de batterij is 'leeg'.

Onder normale omstandigheden is er dus geen probleem. Er is steeds een elektrische scheiding tussen beide elektrodes. Problematisch wordt het indien er zich een productiefout in de isolator van de batterij bevindt. Hierdoor kunnen de elektrodes rechtstreeks contact met elkaar maken en hun volledige lading in enkele seconden aan elkaar uitwisselen. Dit gaat gepaard met een enorme warmteproductie die het elektrolyt in enkele ogenblikken kan doen koken. De ether in het elektrolyt verdampt en door de hoge temperatuur of door een elektrische vonk treedt zelfontbranding op. Omdat dit in de afgesloten ruimte van de cel plaatsgrijpt volgt er een explosie die de batterij uit elkaar rijt. Nu kunnen ook de andere cellen in het accupak door de hitte aangetast worden waardoor ook hun etherische oplossing ontbrandt. Het gevolg is redelijk spectaculair.

Alhoewel er dus steeds een gevaar met Li-Ion batterijen verbonden is hoeft dit echter niet uitvergroot te worden. De explosieve batterijen waren allemaal toe te schrijven aan productiefouten van de isolator, iets waar nu extra goed op gecontroleerd wordt.

Voor en nadelen van de Li-Ion cell

Ondertussen hebben we al een redelijk begrip van de werking van een Li-Ion cel, maar hoe verhouden deze energiedragers zich eigenlijk t.o.v. hun andere collega's?

Allereerst zijn er natuurlijk de voordelen. Commerciële Li-Ion cellen kunnen een power to weight ratio van 1.200 Watt per kilogram en meer halen. Dat is meer dan een verviervoudiging ten opzichte van NiMh batterijen die aan 250 W/kg komen, een verzevenvoudiging ten opzichte van NiCd en loodzuur autobatterijen en zelfs een pak meer dan de 900 W/kg die brandstofcellen halen. Bovendien is de ontwikkeling nog in volle vaart bezig: sommige bedrijven claimen al cellen met een 2.700 W/kg verhouding die bovendien in een halfuur opgeladen kunnen worden.

Het andere grote voordeel van Li-Ion is zijn beperkte zelfontlading. Daar waar NiCd batterijen per maand 10% van hun lading verloren en NiMh zelfs 30% houdt een Li-Ion cel het binnen de 5%. Een van de grootste oorzaken is dan nog het verbruik van de interne microcontroller die de status van de batterij in het oog houdt. Nu het verbruik van elektronica steeds verminderd zal ook deze zelfontlading bij toekomstige batterijen wat lager liggen.

Een aantal aanzienlijke voordelen dus, maar helaas ook heel wat nadelen aan de Li-Ion technologie. Het belangrijkste aspect is de beperkte levensduur. Dit wordt door drie zaken bepaald: het beperkt aantal laadcycli (+/- 1.000), zijn gevoeligheid aan temperatuur en zijn ouderdom.

Hoe meer de batterij geladen en ontladen wordt hoe meer zijn capaciteit afneemt. Een Li-Ion batterij kan tot 1.000 maal toe herladen worden alvorens zijn capaciteit onbruikbaar klein wordt. Als je iedere dag oplaadt zal je batterij echter dik tweeënhalf jaar meegaan, wat voor de meeste toepassingen voldoende is. Na die tijdsspanne is de in de handel verkrijgbare elektronica namelijk zoveel verbeterd dat de consument toch eerder zal overstappen op een volledig nieuw apparaat. Daarenboven haalden de voorlopers van Li-Ion, de NiMh batterijen, slechts 800 laadcycli.

Een acuter probleem is echter de degeneratie van de batterij over de tijd. Of je ze nu gebruikt of niet, de batterij zal jaarlijks tussen de 5 en de 40% van zijn nuttige capaciteit verliezen. De snelheid van het verouderingsproces is afhankelijk van de opslagtemperatuur en de laadtoestand van de accu. Hoe warmer en hoe meer geladen hoe slechter. Bewaar Li-Ion accu's daarom steeds koel en ongeladen. Koop nooit een extra Li-Ion accu om later te gebruiken als degene in je toestel versleten geraakt. Door het verouderingsproces zal je 'nieuwe' batterij immers ook al een gedeelte versleten zijn, nog voor je hem effectief gebruikt hebt.

Een ander groot nadeel van Li-Ion cellen, althans vanuit het oogpunt van een ontwerper, is hun hoge interne weerstand. De weerstand van een Li-Ion cel ligt met +/- 300 mOhm drie maal zo hoog als die van een NiCd batterij. Deze interne weerstand zorgt ervoor dat de hoeveelheid stroom die uit de batterij getrokken wordt relatief beperkt blijft. Bij toepassingen die lage stroomsterktes vereisen, zoals het gros van de draagbare elektronica, is dit niet zo erg. Wel erg is het voor applicaties die veel stroom vereisen, zoals elektromotoren. Ooit afgevraagd waarom Toyota van die oude NiCd batterijen in hun Prius gebruikt? Nu weet je waarom.

Tips om het batterijleven te verlengen

Indien je hier gekomen bent heb je ongetwijfeld al het een en het ander van de werking van een Li-Ion cell opgestoken. We besluiten nog even met een samenvatting van hoe je nu het best je batterij een lang en gelukkig leven kan geven.

• Herlaad slim. Dat wil zeggen: herlaad indien nodig en wacht niet tot je batterij (bijna) helemaal leeg is, maar begin ook niet constant te herladen. Calculeer in wat je met je laptop, GSM, … nog zult doen. Je moet niet vanaf 90% capaciteit beginnen herladen als je weet dat je toch maar thuis of in de buurt van een stopcontact blijft, noch moet je wachten tot je batterij leeg begint te geraken vooraleer je herlaadt. Zorg er gewoon voor dat je batterij steeds voldoende geladen is.
• Probeer volledige ontlading te voorkomen, maar doet dit toch eens om de 20 à 30 laadbeurten. Dit zal de microcontroller van de batterij herkalibreren zodat deze de batterijstatus opnieuw accuraat zal doorgeven.
• Verwijder de accu indien je constant op netstroom werkt. De warmte van je notebook leidt tot een versnelling van het verouderingsproces en dus tot een kortere levensduur van de accu.
• Indien je een Li-Ion accu niet gebruikt, bewaar hem dan koel, droog en niet of slechts gedeeltelijk geladen. Ideaal is een temperatuur rond de 5°C: je koelkast is dus een perfecte opslagplaats. Plaats ze echter nooit in een diepvries. Houd de accu's uit direct zonlicht. Een stijging van 20°C, wat door direct zonlicht intern al kan gebeuren, kan het verouderingsproces met 20% doen versnellen.
• Koop nooit een Li-Ion accu om later te gebruiken. Li-Ion batterijen verouderen over tijd, of je ze gebruikt of niet. Een batterij die je nu koopt om slechts volgend jaar te gebruiken is dus al gedeeltelijk versleten.

En LiPo?

In dit artikel stond de Li-Ion accu centraal, maar misschien hebben velen onder jullie al van de LiPo ofte lithium-polymeer accu gehoord. Dit nieuwe beloftevolle batterijtype maakt stilaan zijn opmars in diverse toepassingen, alhoewel het nog niet zo efficiënt als Li-Ion is. Vooral meer exotische producten, zoals de Macbook Air, de e-reader Kindle, ultradunne netbooks, MP3-spelers en mobiele telefoons en de draadloze PS3 controllers maken van LiPo accu's gebruik. Waar zit het verschil met Li-Ion accu's?

Bijna nergens. LiPo accu's zijn in wezen Li-Ion accu's, maar dan met een kleine extra. We hebben eerder al aangehaald dat alle accu's over een elektrolyt beschikken, een middenstof waarin ionen maar geen elektronen kunnen bewegen. In het geval van Li-Ion accu's bestaat dit elektrolyt uit lithiumzout opgelost in een etherisch solvent. Het geheel is een soort gel die tussen de 'platen' of folies van de elektrodes moet worden opgesloten. Hiervoor rolt men het geheel op in een cilinder of perst men het in prismatische blokken (batterijen van mobiele telefoons zijn van deze prismatische vorm).

LiPo pakt het anders aan. Het lithiumzout wordt nu niet in een solvent opgelost maar gemengd met een polymeer (kunststof). Dit polymeer wordt als een folie geproduceerd en tussen de elektrodes gelegd. Er is nu geen nood meer aan een manier om het elektrolyt binnen te houden waardoor een groot deel van het omhulsel wegvalt. Ook kan de batterij zowat alle vormen aannemen die de producent wenst. Dit is vooral handig in toepassingen zoals de Macbook Air of de ultradunne Samsung telefoons, alwaar een Li-Ion cell door zijn omhulsel simpelweg te dik is om gebruikt te worden, of in de draadloze controllers van de Playstation 3 waar er geen Li-Ion accu van het AA type past. Door het ontbreken van dit omhulsel kan een LiPo accu tot 20% meer energie voor het zelfde gewicht van een Li-Ion accu bevatten.

De platte LiPo accu van de Macbook Air.

Als kers op de taart bevat een LiPo accu ook het ontvlambare etherische solvent niet. Het overladen van een LiPo accu kan de batterij echter nog steeds doen exploderen, maar de ingebouwde microcontroller moet er net zoals bij een Li-Ion accu voor zorgen dat dit niet voorkomt.

Het grootste nadeel van de LiPo technologie is echter zijn beperkt aantal herlaadcycli, wat in het slechtste geval slechts de helft van die van een Li-Ion accu bedraagt (+/- 500 maal). Vooruitgang in het onderzoek naar polymeercomposieten en elektrodemateriaal belooft echter grootse sprongen: de dunne film lithiumbatterij, een nieuwe variant van de Li-Ion technologie, zou tot 10.000 maal herladen kunnen worden. Andere verbeteringen, zoals de supercharged ion battery kunnen in nauwelijks vijf minuten tot 90% van hun capaciteit opgeladen worden. De lithium titanaat en lithium fosfaat batterijen bezitten een fors lagere interne weerstand, wat hen uitermate geschikt voor toepassingen in de automobielsector maakt. Nieuwe ontdekkingen op het gebied van elektrodes maken lithiumbatterijen met een 40% hogere capaciteit mogelijk. Het onderzoek naar batterijtechnologie maakt zienderogen vooruitgang.