Batterijen

6.1

Werkstuk door een scholier
4e klas vwo | 2589 woorden
23 september 2004
227 keer beoordeeld

6.1

227 keer beoordeeld

ADVERTENTIE

Wat is jouw supertalent?

Ben jij de creatieveling, de tech-master, de ontwerpheld of een mix van alles? Vind jouw match met CMD!

Inhoudsopgave

Inleiding De geschiedenis van de batterij
Soorten batterijen
Productie van een batterij
Trefwoordenlijst
Logboek
Evalutaties
Bronnen

Inleiding

We gebruiken ze dagelijks: batterijen. Maar wie staat er weleens bij stil, dat het eigenlijk een behoorlijk bijzondere uitvinding is? Zonder batterijen zou onze wereld er heel anders uit zien. Veel uitvindingen zijn alleen maar mogelijk vanwege de batterij. Vooral in het tijdperk dat alles draagbaar moet zijn. In dit werkstuk laten we zien hoe de batterij is geworden wat het is, wat het eigenlijk precies is, en hoe ze gemaakt worden.

De geschiedenis van de batterij

De batterij heeft een lange geschiedenis. Langer dan vaak wordt gedacht. Tot voor kort werd gedacht dat rond 1800 het eerste idee van de batterij ontstond. Toch is er vrij recent een eeuwenoude voorloper van de batterij ontdekt.

Na de batterij uit Irak is er een tijd niets bekend over verdere ontwikkelingen. De batterij in Irak is ook uniek in zijn soort, dus waarschijnlijk werd er weinig onderzoek naar gedaan. Luigi Galvani was de eerste die onderzoek deed naar de elektrische ladingen van metalen. Hij was natuurwetenschapper en was veel bezig met experimenten met kikkerpootjes. Hij bestudeerde de spierfuncties van deze pootjes en waarop ze reactie gaven. Hij ontdekte dat de pootjes bij sommige metalen een sterke reactie gaven, en bij andere bijna niet. Zo legde hij het verband tussen het samentrekken van spieren en elektrische ladingen van metalen. Galvani leefde van 1737 tot 1798. Zijn naam wordt gebruikt woorden als ‘Galvanische zuil’ en zijn experimenten hebben ook Volta beïnvloedt, die van 1745 tot 1827 leefde.

Volta was een van de belangrijkste mensen voor de geschiedenis van de batterij. Zijn naam wordt nog gebruikt in het woord Volt. Hij beïnvloedde veel natuurwetenschappers in hun onderzoek naar elektriciteit. Zo ook George Leclanche, uit Frankrijk. Deze Leclanche is minder bekend dan Volta, maar even belangrijk in de geschiedenis van de batterij. Hij ontwikkelde namelijk de eerste carbon-zink batterij in 1860. Deze batterij bestaat uit zink, carbon (kool) en een pasta bestaande uit zout en een oplossing van ammonium chloride. Deze batterij wordt nog steeds gebruikt. De batterij werd al snel populair omdat het relatief makkelijk te maken was en de materialen niet duur waren. Ook had deze batterij toentertijd een hele lange levensduur. Inmiddels is de levensduur relatief kort, in verhouding tot nieuwere soorten batterijen. Toch is het nog steeds een populaire batterij vanwege de lage prijs. Nu heeft de batterij ook nadelen, die vroeger nog niet bekend waren. De batterij heeft last van lekgevaar, corrosie en is niet bestand tegen lage temperaturen. Toch was deze batterij de grootste vooruitgang in de geschiedenis van de batterij.

In 1860 werd er nog een batterij uitgevonden. Raymond Gaston Plante ontwikkelde de loodzuur batterij. Deze batterij sloeg minder aan omdat de capaciteit veel minder groot was. De batterij bestond uit twee dunne plaatjes van lood die gescheiden werden door rubberen vellen. Hij rolde alles op en zette het hele pakket in een zuur bad. De capaciteit was niet zo groot omdat de positieve plaat niet zo veel actief materiaal bij zich had voor een chemische reactie. Later, in 1881, werd de batterij verbeterd. Voor de positieve plaat werden er loodoxidanten gebruikt. Hierdoor was de plaat voor de batterij veel sneller en efficiënter te maken dan de plaat van Plante. Deze batterij is in de loop der jaren aangepast en veranderd tot de batterij die wij nu kennen als de loodzuur batterij. De loodzuur batterij had een aantal nadelen die voornamelijk kwamen door lekkage. Velen hebben geprobeerd om dat op te lossen. In 1960 ontwikkelde een Duitse onderzoeker de gel-loodzuur batterij. Dit was een hele verbetering

Johan Ritter had eerder die eeuw, in 1802, ook al onderzoek gedaan naar batterijen. Hij had al verschillende elementen bij elkaar gezet op zoek naar een goede batterij. Hij heeft toen als eerste de samenstelling van de oplaadbare batterij ontdekt. Helaas was deze ontdekking niet erg bijzonder want hij had er niets aan. Pas aan het eind van de negentiende eeuw werden de eerste dynamo’s, op stoom, uitgevonden. Hij had dan wel een oplaadbare batterij uitgevonden, maar ze konden niet opgeladen worden.

Toen kwamen Waldemar Junger en Thomas Alfa Edison met een nieuwe batterij. In 1901 kregen zij het patent op de Nikkelcadmium batterij. Deze batterij bevat, zoals de naam al zegt, nikkel en ijzer. Deze batterij wordt ook nog steeds gebruikt, hoewel ook deze veranderd is door de toenemende vraag op het gebied van capaciteit en levensduur.

Toen kwam de alkaline batterij. Door de tweede wereld oorlog werd er veel onderzoek gedaan naar batterijen die veel energie konden leveren. De Alkaline batterij voldeed aan allebei de eisen. De Verenigde Staten probeerde een bruinsteen/zinkcel met alkalische elektocyten te bouwen. Deze batterij bestond dus hoofdzakelijk uit mangaan, ook bruinsteen genoemd en zink. Dit lukte en de batterij was oorspronkelijk bedoeld voor militair gebruik. Later, in 1950, verbeterde Samuel Ruben de batterij. Hij zorgde dat de alkaline optimaler gebruikt werd en duurzamer werd. Ook maakte hij hem kleiner, en de alkaline batterij van nu is weinig tot niets veranderd van de batterij die Samuel Ruben toen maakte.

Soorten batterijen

Je kunt batterijen indelen naar formaat, chemische samenstelling en soort. Met die laatste soort indeling bedoelen we oplaadbaar of niet-oplaadbaar. De oplaadbare batterij wordt ook wel accu, de niet-oplaadbare ook wel wegwerpbatterij genoemd. Beide typen worden veel gebruikt. Een wegwerpbatterij is bedoeld om eenmalig te gebruiken, tot de chemische potentiële energie die erin is opgeslagen is verbruikt. Dergelijke batterijen worden met name gebruikt in kleine draagbare apparaten die weinig energie verbruiken (bijvoorbeeld: afstandsbedieningen, horloges. Oplaadbare batterijen daarentegen worden voortdurend hergebruikt. Ze worden opgeladen door er een externe stroombron op aan te sluiten, waardoor de chemische processen in de batterij zich in omgekeerde richting voltrekken. De externe stroombron wordt een batterijlader of kortweg lader genoemd. De technologie van oplaadbare batterijen heeft de laatste decennia een enorme ontwikkeling doorgemaakt en mede daardoor zijn laptops en mobiele telefoons mogelijk geworden. Voor deze toepassingen worden batterijen gebruikt met droge cellen, die geheel zijn afgesloten. Het oudste type oplaadbare batterij dat nog steeds gebruikt wordt is de lood-zuur batterij (lood-accu). Dit type batterij heeft als opmerkelijke eigenschap dat het vloeistoffen bevat in niet-afgesloten containers, zodat de batterij te allen tijde rechtop moet staan. De ruimte waarin hij zich bevindt moet goed geventileerd worden, vanwege de explosieve combinatie van zuurstofgas en waterstofgas die vrijkomt als de batterij wordt overladen. De lood-zuur batterij is ook relatief zwaar in verhouding tot de hoeveelheid energie die het kan leveren. Desondanks wordt dit type batterij veel gebruikt, met name vanwege de lage productiekosten en de grote elektrische stoom die het kan leveren. Een duurder type lood-zuur batterij, de gel-batterij, bevat elektrolyt die is geïmmobiliseerd in de vorm van gel.

Batterijen zijn in allerlei formaten te krijgen. De meest gebruikte zijn AA batterijen. Een slag kleiner zijn AAA batterijen. Voor in bijvoorbeeld horloges zijn er knopbatterijen. Ook deze batterijen zijn verdeeld in grootte. De grootte word meestal gewoon uitgedrukt in millimeters, of soms in inches. De grotere soorten batterijen zijn staafbatterijen, blokbatterijen en platte batterijen. Ook dezen zijn weer niet allemaal even groot, en wederom wordt het formaat uitgedrukt in millimeter of inch. De verschillende formaten bestaan, omdat niet alle apparaten die door batterijen van energie moeten worden voorzien even groot zijn. Je zou misschien denken: waarom gebruik je niet gewoon altijd een kleine, die past toch overal in? Doorgaans is de regel: hoe groter, hoe goedkoper. Bovendien kunnen grotere batterijen nog altijd meer stroom opwekken dan kleinere. De chemische samenstelling verschilt ook per batterij. Dit heeft te maken met technologie. Men probeert steeds effectievere batterijen uit te vinden. Omdat de oudere, minder effectieve batterij vaak nog niet overbodig en zelfs goedkoper is, bestaan oud en nieuw naast elkaar. Hier behandel ik puntsgewijs de belangrijkste(AA)batterijen, en hun belangrijkste eigenschappen. · Nikkel metaal hydride (NiMH) - van de oplaadbare batterijen is dit het soort met de hoogste capaciteit, en dus ook het meest geschikt voor het gebruik in digitale camera\'s. Ze zijn op dit moment beschikbaar in een maximum capaciteit van 1.800 mAh.; goed voor ruim twee uur continu gebruik. Dit type batterij is bijna overal verkrijgbaar en de prijzen dalen gestaag, terwijl de capaciteit steeds hoger wordt. NiMH-batterijen hebben echter ook een belangrijk nadeel: namelijk hun houdbaarheid. Per dag verliezen ze iets meer dan 1% van hun lading en na een maand op de plank gestaan te hebben zijn ze vrijwel leeg. Dit betekent dus dat je ze kort voordat je ze wilt gebruiken eerst moet opladen zodat de lading maximaal is. Bij regelmatig gebruik in camera\'s is dit geen enkel probleem, wel zijn ze minder geschikt voor b.v. het incidentele gebruik in een flitser. Hoewel NiMH batterijen minder last hebben van het zgn. geheugeneffect, is het toch raadzaam om ze af en toe helemaal te ontladen, om ze daarna weer geheel te laden. Hierdoor houd je ze in optimale conditie. In verhouding tot de oplaadbare NiCd batterijen hebben NiMH batterijen een kortere levensduur: ongeveer 400 ladingen/ontladingen. Omdat ze geen schadelijke stoffen bevatten zijn ze minder belastend voor het milieu dan de andere soorten. · Nikkel Cadmium (NiCd) - dit is het meest voorkomende type oplaadbare batterij en wordt geleverd in ongeveer de helft van de capaciteit van een NiMH-batterij. Ze zijn echter minder geschikt voor het gebruik in een digitale camera. Hoewel ze meestal zeer goedkoop zijn, worden ze in een camera binnen ruim een kwartier al leeggezogen. Omdat NiCd. batterijen ongeveer per dag 1 % van hun lading verliezen (iets minder dan hun NiMH soortgenoten), zijn ze ook niet geschikt om als reservebatterij te gebruiken. NiCd batterijen laden snel en functioneren ook goed bij lagere temperaturen. Ze hebben een langere levensduur dan de NiMH batterijen: 700 ladingen/ontladingen. Dit type batterij heeft last van het geheugeneffect waardoor ze, wanneer ze nog halfvol opnieuw worden geladen, niet meer optimaal functioneren. Door ze een paar cycli helemaal te ontladen en opnieuw te laden kunnen ze zich echter weer herstellen. · Lithium - deze niet-oplaadbare batterijen zijn erg duur, maar ze hebben een zeer hoog vermogen 2.100 mAh. , dus een gebruiksduur van ruim twee uur in een digitale camera. Het grote voordeel van dit type batterij is dat ze erg lang (tot wel 10 jaar) bewaard kunnen worden zonder dat hun capaciteit minder wordt. Het zijn dus de ideale reserve-batterijen voor een digitale camera en tevens ideaal voor flitsers die incidenteel worden gebruikt. · Alkaline - dit zijn de meest voorkomende niet-oplaadbare batterijen. Ze zijn goedkoop, maar door hun hoge interne weerstand helaas totaal ongeschikt voor het gebruik in een digitale camera, waarin ze slechts een kwartiertje meegaan. Toch kun je in geval van nood altijd nog je toevlucht zoeken bij dit soort batterij, omdat ze in elke uithoek van de wereld verkrijgbaar zijn. De redelijk houdbare (2 a 3 jaar) alkalinebatterij is echter zeer geschikt voor het gebruik in flitsers. · Lithium Ion (LiIon) - volledigheidshalve noemen we ook de LiIon oplaadbare batterijen, hoewel dit type niet in AA -formaat op de markt wordt gebracht. LiIon batterijen hebben een zeer grote opslagcapaciteit en een grote houdbaarheid. Een bijkomend voordeel is dat je van een LiIon batterij haast tot op de minuut nauwkeurig kan voorspellen hoe lang hij nog mee kan. Cameramerken zoals Canon en Sony.

Productie van een batterij

Alle elektrische cellen bevatten drie basiselementen:

- Positieve Elektrode - Negatieve Elektrode - Elekrtocyt

Voor secundaire cellen worden hoofdzakelijk de volgende stoffen gebuikt:

- Lood / loodoxideplaten
in electrolyt van zwavelzuur (lood-zwavelzuurbatterij)

- Nikkel / cadmium
in electrolyt van kaliumhydroxide (nikkel-cadmiumbatterij. De twee belangrijkste onderdelen van de elektrische cel zijn de positieve en negatieve elektrodes (platen.)De platen bestaan uit chemisch dissimilaire stoffen, ondergedompeld in elektrolyt. Hierdoor ontstaat er een gelijkspanning tussen de twee platen. Tegenwoordig is de loodzwavelzuurcel de meest gebuikte cel.

Productieproces chloride batterij

Celbak
Polypropyleen celbak met voldoende ruimte voor bezinksel.

Positieve platen
De positieve buisjesplaten zijn gevuld met looddioxide. Door het maximale oppervlak wordt een hogere spanning en meer vermogen
gedurende langere periodes bereikt. De buisjesplaat is omhuld met corrosievrije buisjes van acryl en hebben aan de onderzijde een kunststof afsluiting.

Negatieve platen
De negatieve plaat bestaat uit een loden raster gevuld met loodpasta. Het raster is ontworpen om maximale elektrische geleiding en chemische doorstroming te garanderen. De zware constructie zorgt voor een lange levensduur.

Verbindingen / separators
Als verbinding tussen de platen wordt een loden plaatbrug aan de platen gesoldeerd. De microporeuze separator isoleert de positieve en negatieve platen elektrisch van elkaar en laat de chemische substanties zonder weerstand door.

Polypropyleen
celbak
De polypropyleen celbak is schokbestendig.

Celdeksel
Het polypropyleen celdeksel is versmolten met de celbak. Deze vormen zo één geheel. De cel is nu lek- en luchtdicht. De polen worden door een rubberen ring en een polypropyleen wartel lekdicht naar buiten gevoerd. Hierdoor wordt beweging en uit-zetting ondervangen. De celdop is naar keuze: · Standaard · Automatisch
vulsysteem

Productieproces Zonnecel

Het proces waarmee een zonnecel werkt heet fotovoltaïsche omzetting: de omzetting van licht naar elektriciteit. Veelgebruikt is de afkorting \"PV\", dat stamt van het Engelse ‘photovoltaic’.

De meest gebruikte zonnecel is gemaakt van silicium. Dat silicium bestaat uit twee lagen, de zogenaamde N-laag en P-laag. Het verschil in de twee lagen ontstaat door kleine chemische toevoegingen. Hierdoor ontstaat een spanningsverschil over het scheidingsvlak vergelijkbaar met de plus en de min van een batterij. Onder invloed van licht worden er extra elektronen in de zonnecel losgemaakt. Door een verbinding tussen beide lagen te maken, gaat er een elektrische stroom lopen. Voor het op gang komen van het fotovoltaïsche proces is niet alleen felle zon nodig. Ook op een bewolkte dag kan een zonnecel elektriciteit leveren. Voor de huidige toepassingen van zonnecellen wordt zoals gezegd silicium als basis gebruikt.

Trefwoordenlijst

Cilinder staafvorm
Luigi Galvani een belangrijke onderzoeker voor batterijen
Galvanische zuil soort batterij van Luigik Galvani
Volta een belangrijke onderzoeker voor batterijen
Leclanche een belangrijke onderzoeker voor batterijen
zink belangrijk bestandsdeel van een batterij
carbon (kool) belangrijk bestandsdeel van een batterij
zout belangrijk bestandsdeel van een batterij
ammonium chloride. Deze oplossing is een belangrijk bestandsdeel van een batterij
Raymond Gaston Plante ontwikkelde de loodzuur batterij. Johan Ritter een belangrijke onderzoeker voor batterijen
Waldemar Junger kreeg samen met Thomas Alfa Edison het patent op de nog steeds gebruiket nikkelcadmiumbatterij in 1901
Alkalinebatterij batterij werkt op alkalische elektocyten. Samuel Ruben perfectioneerde de alkalinebatterij. accu oplaadbare batterij
wegwerpbatterij niet-oplaadbare batterij
batterijlader apparaat om accu op te laden
AA batterijen penlitebatterij
AAA batterijen minipenlitebatterij
Knopbatterijen platte, kleine batterij. Nikkel metaal hydride (NiMH) batterij met een bepaalde chemische samenstelling
Nikkel Cadmium (NiCd) batterij met een bepaalde chemische samenstelling
Lithium batterij met een bepaalde chemische samenstelling
Lithium Ion (LiIon) batterij met een bepaalde chemische samenstelling
Positieve Elektrode basiselement van een electrische cel
Negatieve Elektrode basiselement van een electrische cel
Elekrtocyt basiselement van een electrische cel
Celbak onderdeel van een batterij
Positieve platen onderdeel van een batterij
Negatieve platen onderdeel van een batterij
Verbindingen / separators onderdeel van een batterij
Polypropyleen celbak onderdeel van een batterij
Celdeksel onderdeel van een batterij
PV afkorting voor de omzetting van licht naar electriciteit
Silicium daar zijn veel zonnencellen van gemaakt
N-laag laag van een zonnencel
P-laag laag van een zonnencel