Zelfontlading: waarom een batterij ook leegloopt als je hem niet gebruikt
Leg een volle powerbank een paar maanden in een la en pak hem er daarna weer bij: de kans is groot dat hij niet meer helemaal vol is, terwijl je er niets mee hebt gedaan. Dat verschijnsel heet zelfontlading. Het is het langzame verlies van energie uit een batterij of accu puur door tijdsverloop, zonder dat er een apparaat op is aangesloten dat stroom trekt.
Vergelijk het met een fles frisdrank met een niet helemaal dichte dop. Ook als niemand eraan drinkt, verdwijnt er langzaam koolzuur en vocht doordat er kleine, onvermijdelijke lekken zijn. Bij een batterij zijn die 'lekken' geen gaatjes, maar chemische bijreacties die vanzelf plaatsvinden in het materiaal. Hoe snel dat gaat, verschilt enorm per type batterij, per temperatuur en per hoeveelheid lading die er al in zit.
Wat is het precies?
Een batterij slaat energie op in de vorm van chemische stoffen die met elkaar willen reageren. Zolang je de batterij gebruikt, laat je die reactie gecontroleerd verlopen via een extern circuit, bijvoorbeeld een lampje of een telefoon, en dat levert bruikbare stroom op.
Het probleem is dat de chemische stoffen in een batterij ook een beetje met elkaar reageren zonder dat er een circuit gesloten is. Elektronen en ionen vinden via kleine, ongewenste zijpaadjes toch een weg van de ene elektrode naar de andere. Elektroden zijn de twee polen (plus en min) waartussen de chemische reactie plaatsvindt. Dat kan komen door onzuiverheden in het materiaal, door een dunne elektrisch geleidende laag die zich vormt tussen de elektroden, of doordat het elektrolyt (de geleidende vloeistof of gel in de batterij) zelf licht reageert met de elektroden.
Deze processen verlopen sneller bij hogere temperatuur, omdat warmte chemische reacties in het algemeen versnelt. Ook de laadtoestand speelt mee: een batterij die voor honderd procent vol zit, staat chemisch gezien meer 'onder spanning' en verliest daardoor vaak sneller lading dan eenzelfde batterij die voor pakweg vijftig procent vol is. Fabrikanten drukken zelfontlading meestal uit als een percentage capaciteitsverlies per maand of per jaar.
Wat wil men ermee bereiken?
Het doel van onderzoek naar zelfontlading is simpel: batterijen die langer hun lading vasthouden, zowel tijdens gebruik als tijdens opslag. Dat klinkt als een detail, maar het heeft grote praktische gevolgen.
Denk aan rookmelders, noodverlichting of medische implantaten die jarenlang moeten functioneren zonder dat iemand de batterij vervangt. Of aan elektrische auto's die weken op de oprit staan zonder dat de accu merkbaar leegloopt. Ook voor duurzame energie is het belangrijk: een thuisbatterij die zonnestroom opslaat, moet die energie 's nachts nog grotendeels beschikbaar hebben, niet voor een deel kwijt zijn geraakt aan interne lekverliezen.
Daarnaast is lage zelfontlading essentieel voor veiligheid en betrouwbaarheid. Een batterijpakket met cellen die ongelijk snel leeglopen, raakt uit balans, wat op termijn kan leiden tot verminderde capaciteit of, in extreme gevallen, tot ooververhitting. Fabrikanten willen dus niet alleen batterijen die veel energie kunnen opslaan, maar ook batterijen die dat betrouwbaar en voorspelbaar blijven doen.
Voorbeelden uit de praktijk
Een bekend voorbeeld is de Eneloop-batterij van Panasonic, geïntroduceerd in 2005 (destijds nog onder Sanyo). Dit was een van de eerste in de handel verkrijgbare oplaadbare NiMH-batterijen (nikkel-metaalhydride) met sterk verlaagde zelfontlading: waar gewone NiMH-batterijen destijds al binnen een maand een flink deel van hun lading kwijtraakten, behield de Eneloop naar verluidt nog een groot deel van zijn capaciteit na een jaar op de plank.
In elektrische auto's, zoals die van Tesla, wordt zelfontlading beheerst via een batterijmanagementsysteem (BMS). Dit elektronische systeem bewaakt voortdurend de spanning van elke afzonderlijke cel en balanceert cellen die iets sneller leeglopen dan andere, zodat het hele pak synchroon blijft en de accu niet voortijdig veroudert.
Bij vastestofbatterijen, een technologie waar onder meer QuantumScape en Toyota al jaren aan werken, is zelfontlading juist een punt van zorg gebleken. Prototypes lieten in sommige gevallen hogere zelfontlading zien dan verwacht, doordat aan het grensvlak tussen de vaste elektrolyt en de elektroden ongewenste bijreacties optreden. Dit is een van de technische hobbels die onderzoekers nog moeten overwinnen voordat deze batterijen op grote schaal in auto's kunnen.
In de ruimtevaart is lage zelfontlading al decennialang cruciaal. Satellieten en ruimtesondes van bijvoorbeeld ESA en NASA moeten soms jarenlang op batterijvermogen kunnen terugvallen tijdens periodes zonder zonlicht, en daarvoor worden speciaal geselecteerde lithium-ion- of lithium-ijzerfosfaat-cellen (LiFePO4) gebruikt met een zeer lage en voorspelbare zelfontlading.
Ook in thuisbatterijsystemen voor zonnepanelen, zoals die van Victron Energy en BYD, is LiFePO4 populair geworden, mede omdat dit chemietype van lithium-ion een relatief lage zelfontlading combineert met een lange levensduur en goede veiligheidseigenschappen.
Hoe ver is de techniek?
Zelfontlading is geen nieuw fenomeen en de basisprincipes zijn al decennia bekend, maar de precieze niveaus verschillen sterk per batterijchemie en zijn nog altijd onderwerp van verbetering.
Ter indicatie, hoewel de exacte cijfers per fabrikant en per meetmethode variëren: alkalinebatterijen (de gangbare wegwerpbatterijen) verliezen doorgaans maar een paar procent per jaar. Gewone oplaadbare NiMH-batterijen kunnen twintig tot dertig procent per maand verliezen, terwijl low-self-discharge NiMH-varianten zoals Eneloop dat terugbrengen tot enkele procenten per maand. Lithium-ion-batterijen, het meest gebruikte type in telefoons, laptops en elektrische auto's, zitten doorgaans rond de twee tot vijf procent per maand, afhankelijk van temperatuur en laadtoestand.
De belangrijkste ontwikkeling van de afgelopen tien à vijftien jaar is de opkomst van lithium-ijzerfosfaat (LiFePO4) als alternatief voor de klassieke lithium-ion-chemie met kobalt of nikkel. Dit type staat bekend om een combinatie van lage zelfontlading, goede thermische stabiliteit en een langere levensduur, al is de energiedichtheid iets lager.
Voor de volgende generatie, vastestofbatterijen, is het beeld nog gemengd. Sommige laboratoriumresultaten zijn veelbelovend, maar andere onderzoeken laten zien dat de grensvlakken tussen vaste materialen juist nieuwe paden voor zelfontlading kunnen creëren. Dit blijft een actief onderzoeksgebied en het is nog niet zeker wanneer, of in welke mate, vastestoftechnologie de zelfontlading van huidige lithium-ion-batterijen zal evenaren of verbeteren.
Wie werken eraan?
Grote batterijfabrikanten als CATL en BYD uit China, LG Energy Solution en Samsung SDI uit Zuid-Korea, en Panasonic uit Japan behoren tot de belangrijkste industriële spelers die batterijchemie, inclusief zelfontlading, continu proberen te verbeteren voor consumentenelektronica en elektrische voertuigen.
Op het gebied van vastestofbatterijen zijn QuantumScape (Verenigde Staten, met Volkswagen als partner), Solid Power (Verenigde Staten, met onder meer Ford en BMW) en Toyota (Japan) prominente namen. Zij publiceren regelmatig voortgangsrapportages, al blijven veel technische details bedrijfsgeheim.
Op onderzoeksniveau spelen instituten als het Duitse Fraunhofer-Institut (onder meer de vestigingen ISC en IWS, gespecialiseerd in batterijmaterialen), het Argonne National Laboratory in de Verenigde Staten, en diverse universiteiten zoals MIT en Stanford een grote rol in het fundamentele begrip van de chemische processen achter zelfontlading. In Nederland doet onder meer de TU Delft onderzoek naar batterijmaterialen, al is dat veld internationaal vooral gedomineerd door Oost-Azië, de Verenigde Staten en Duitsland.
Overheden stimuleren dit onderzoek ook actief: de Europese Unie financiert via programma's als Horizon Europe batterijonderzoek, en het Amerikaanse ministerie van Energie (Department of Energy) doet dat via nationale laboratoria en subsidieprogramma's, mede vanuit strategische overwegingen rond energieonafhankelijkheid en de elektrificatie van transport.