Waarom zijn batterijen nog steeds zo kut?

FYI.

This story is over 5 years old.

Tech

Waarom zijn batterijen nog steeds zo kut?

Je smartphone kan ongelofelijke dingen, maar de batterij gaat nog steeds nauwelijks een dag mee. WAAROM?

​​Laat me beginnen met slecht nieuws: je hoeft er de komende vijf tot tien jaar niet op te hopen dat de batterij van je telefoon heel veel langer mee zal gaan. Een grafiek ter illustratie:

In de bovenstaande logaritmische grafiek zie je hoe dingen als opslagruimte, RAM-geheugen en CPU-snelheid de afgelopen 25 jaar exponentieel toegenomen zijn. Een prachtige illustratie van de Wet van Moore. Er is echter één lijntje die zich voort blijft slepen over de bodem van de zee der vooruitgang: de hoeveelheid energie die opgeslagen kan worden in een batterij.

Advertentie

Maar waarom? Waarom stammen de batterijen in de apparaten die je leven runnen nog steeds af van technologie uit de jaren 10 van de vorige eeuw? Waarom is het in godsnaam zo dat je een in real-time vertaald gesprek kan voeren via het internet, inclusief video, maar dat je batterij in minder dan een dag ermee nokt? HOEZO IS MIJN TELEFOON ALTIJD OP?!

Omdat dit een vraag is die vrijwel iedereen wel eens heeft gehad, besloot ik uit te gaan zoeken waarom batterijonderzoek zo absurd lang duurt, en of we in de toekomst mogen hopen op verbetering. Ik belde hiervoor met Dr. ir.  ​Marnix Wagemaker van TU Delft, die daar met zijn groep fundamenteel onderzoek doet naar de werking en verbetering van batterijen.

De basis voor de lithium-batterij die in je smartphone en laptop zit, werd  ​in 1912 gelegd door ene Gilbert Newton Lewis, een Amerikaanse chemicus waarover verbazingwekkend weinig informatie te vinden is. Misschien niet heel raar, want het duurde nog tot de jaren zeventig van de vorige eeuw tot de lithiumbatterij ook daadwerkelijk verkocht werd. Tien jaar daarna vond er een doorbraak plaats rondom de lithiumbatterij: de ontwikkeling van de lithium-ionbatterij, die onder andere mogelijk werd gemaakt door een ontdekking van de toepasselijk genaamde chemicus ​John B. Goodenough. Li-ion is namelijk nog altijd de standaardtechnologie voor hedendaagse batterijen.

"De keuze voor het ion is redelijk simpel," vertelt Wagemaker als ik hem daarnaar vraag. "Er zijn maar een paar echt goede kandidaten en lithium is een van de betere." In een batterij moeten er om stroom te leveren, ionen (elektrisch geladen atomen) van de positieve electrode naar de negatieve, of andersom. Lithium-ionen zijn hier uitermate geschikt voor, omdat ze ten eerste klein zijn, waardoor je er meer kwijt kan in een beperkt volumegoed opgeslagen kunnen worden in electrode materialen, en dat ze een hele sterke neiging hebben om hun elektron weg te doen," volgens Wagemaker. "Dit vertaalt zich in een hele hoge potentiaal en dus ook voltage."

Advertentie

En dat is precies wat je nodig hebt in je energieslurpende smartphone of laptop – apparaten die de afgelopen jaren alleen maar dunner zijn geworden. En dat is een probleem bij batterijen: in tegenstelling tot CPU of geheugen die steeds beter en kleiner worden, is een kleinere batterij een batterij die minder op kan slaan. Zoals Ian Cher van Cnet ​het stelde, "[batterijen] zijn meer als een drankje: als je minder bier in je glas doet, heb je gewoon minder bier." Om de vergelijking door te trekken: niemand wil minder bier, maar iedereen wil wel steeds kleinere glazen met meer bier.

Deze wens is onder andere wat ertoe geleid heeft dat je Nokia 3310 tien jaar geleden een week meeging, en je slicke stukje metaal en glas nauwelijks een dag. "Het grootste probleem is dat je een materiaal moet vinden waar veel lithium in kan met een hele hoge potentiaal (positieve elektrode) in combinatie met een material waar heel veel lithium in kan bij een lage potentiaal (de negatieve elektrode). De huidige batterijen, die gebruik maken van kobaltdioxide, zijn al heel goed. Dit zitten wellicht al op zo'n 65% van het maximum, wat vrij weinig ruimte voor verbetering overlaat. Al kan dat natuurlijk wel. Er werken nu duizenden mensen zoals ik wereldwijd aan materialen die beter zijn."

Naast het werkzame materiaal waar de batterij van gemaakt is, valt er volgens Wagemaker ook een hoop winst te behalen in het ontwerp van de batterij zelf. "De batterij in je smartphone bestaat maar zo'n 40% procent uit hetgeen wat de batterij moet doen, namelijk energie opslaan. De rest zit er omheen om het allemaal goed in te pakken en voor de veiligheid. Als je dat 80% kan maken, dan heb je al een verdubbeling te pakken."

Advertentie

Deze verbeteringen zijn aanstaande, maar aan nieuwe type batterijen met de meest veelbelovende materialen voor een substantieel betere prestaties zitten nog flink wat haken en ogen. Zo heb je bijvoorbeeld de​ Li-luchtbatterij, die met zuurstof reageert en een veel hogere energiedichtheid per gewicht heeft dan huidige batterijen.

"Dan moet je denken aan een factor vijf of tien verbetering," aldus Wagemaker, die ook werkt aan proefopstellingen met Li-lucht batterijen. "We kunnen het maken, maar na een keer of tien opladen is de batterij helemaal kapot. Er vinden allerlei reacties plaats die we niet snappen, dus er is een hoop onderzoek nodig om trucjes te bedenken zodat deze niet gebeuren." Hij denkt dat het veld nog zo'n vijftien tot twintig jaar nodig zal hebben voordat zo'n batterij op de markt komt.

Meh.

Gelukkig is niet alles kommer en kwel voor eenieder die hun nachten altijd alleen eindigen omdat ze niemand meer kunnen bereiken. Er zijn andere manieren om batterijleven te verlengen, die minder afhankelijk zijn van het veld van Dr. Wagemaker.

Ten eerste, en dat is meteen ook de grootste reden dat je batterij nu niet binnen een paar uurtjes op is, zijn er grote vorderingen geweest in het energie-efficiënt maken van de onderdelen in je smartphone. Heel grof gezegd: je telefoon en laptop zijn zo geprogrammeerd dat de dingen die je niet gebruikt, ook geen stroom trekken. Dat zorgt voor best wel drastische verbeteringen. Apple's vorige OS update, Mavericks, zorgde bijvoorbeeld door slim gebruik van het aan en uitschakelen van onderdelen voor een verbetering van 72 procent in batterijduur.

De batterij is veruit het grootste onderdeel van de huidige iPhone 

Daarnaast zijn fabrikanten ook steeds beter geworden in de hardware maken. Kleinere chips verbruiken minder stroom, en besparen daarnaast ruimte die opgevuld kan worden met nog meer batterij. En aan de andere kant zijn er ook een hoop 'slimme' laders in ontwikkeling, die gebruik maken van de chemische eigenschappen van de batterij om deze sneller op te kunnen laden.

"Maar aan de andere kant heb je ook de functionaliteit die toeneemt," merkte Wagemaker nog op – waardoor het verhaal weer de andere kant op kantelt. In totaal komt het waarschijnlijk neer op de eerste zin van dit stuk: je hoeft niet te verwachten dat je batterij de komende tijd aanzienlijk gaat verbeteren. Maar nu weet je wel waarom dat zo is.