Basisprincipes van batterijen: een milieuvriendelijke verschuiving

Als je deze blogpost leest, bestaat er een grote kans dat je in een huis hebt gewoond waar altijd een pak AA-batterijen voor het grijpen lag, die je gebruikte om je digitale camera en Nintendo Game Boy van stroom te voorzien. En waarschijnlijk is er ook een tijd geweest waarin jij of je gezinsleden van die kleine ronde knoopcelbatterijen kochten voor jullie polshorloges. Vandaag de dag maken batterijen nog steeds deel uit van ons dagelijks leven. We gebruiken ze voor onze op afstand bediende speeltjes, rookmelders, laptops, tablets en smartphones. Ook zijn er nieuwe, op markttrends als bijvoorbeeld veilige verwijdering gebaseerde toepassingen voor batterijen in opkomst. Patches voor continue glucosemonitors (CGM), slimme labels voor pakketverzending en betaalkaarten met veranderende beveiligingspindisplays zijn allemaal voorbeelden van nieuwe batterijtoepassingen waarbij veilige verwijdering een topprioriteit is.

Primaire vs. secundaire celbatterijen

Waarom willen we hier herinneringen ophalen en in de toekomst kijken? Heel simpel: als een van bovenstaande herinneringen of nieuwe toepassingen je iets zegt, dan weet je al iets over de twee meest voorkomende categorieën batterijen: primaire en secundaire batterijen. Primaire celbatterijen zijn niet-oplaadbare batterijen. De AA-batterijen in je oude digitale camera of de CR2032 knoopcel in het horloge van je vader zijn voorbeelden van primaire celbatterijen. De lithium-ion (Li-ion) batterij, die hoogstwaarschijnlijk in je smartphone zit, is daarentegen oplaadbaar. Batterijen die oplaadbaar zijn, staan bekend onder de naam secundaire celbatterijen. Kort samengevat:

• Primaire celbatterijen: niet-oplaadbaar; voorbeelden zijn onder meer alkaline- en lithiumbatterijen
• Secondaire celbatterijen: oplaadbaar; voorbeelden zijn onder meer lithium-ion-batterijen (Li-ion), nikkel-cadmium-batterijen (NiCd), nikkel-metaalhydride-batterijen (NiMH) etc.

Beide soorten batterijen bieden veel vermogen, verpakt in een klein formaat, maar kennen tevens nadelen voor wat betreft de geleverde energie en de impact op het milieu. Primaire lithiumcelbatterijen hebben bijvoorbeeld altijd een hogere energiedichtheid geboden dan hun oplaadbare lithium-ion tegenhangers, maar moeten na eenmaal gebruiken worden afgevoerd (Sciencing). En hoewel secundaire celbatterijen, gezien de mogelijkheid om ze steeds opnieuw op te laden, in eerste instantie misschien beter zijn voor het milieu, zullen ook deze batterijen na vele malen opladen niet meer goed werken, waardoor ze moeten worden weggegooid.

Dunne-filmbatterijen voor eenmalig gebruik: een duurzaam alternatief

(Bron afbeelding: Molex)

Er bestaan vele subcategorieën en types van batterijen en met name een daarvan mag zich verheugen in de groeiende aandacht van het Internet of Things (IoT) en de wearables- en omgevingssensor-markten: het gaat om flexibele, geprinte, dunne-filmbatterijen (IDTechEx). Om het simpel te houden zullen we ons concentreren op de algemene categorie van dunne-film, flexibele, geprinte batterijen die ook wel bekend staan als solid-state dunne-filmbatterijen. Deze naam geeft ons al enig inzicht in het soort batterijen waar het hier om gaat. Solid-state batterijen hebben, precies zoals de naam — 'solid', oftewel vast — al zegt, geen gel of vloeistoffen in hun structuur (Qnovo). Dunne-filmbatterijen worden ontworpen en geproduceerd met zeer dunne lagen ('films') van materiaal en het is mede hun dunne ontwerp dat ze zo flexibel en aantrekkelijk maakt voor de markt van wearables en sensors. Veel van deze solid-state dunne-filmbatterijen voldoen aan de behoefte die op de markt bestaat aan dunne en flexibele ontwerpen, maar zijn vaak nog gebaseerd op lithium of andere chemische samenstellingen die deze batterijen potentieel toxisch voor het milieu maken.

Het wijdverspreide gebruik in combinatie met de toxiciteit van bepaalde batterijen wordt problematisch als we kijken naar de enorme hoeveelheid batterijen die elk jaar wordt weggegooid. Aangezien de vraag naar elektronische apparaten zoals laptops en smartphones sterk is gestegen, neemt ook hun bijdrage aan de elk jaar geproduceerde hoeveelheid afval toe (Sciencing). Batterijen zijn meestal niet biologisch afbreekbaar en als ze niet op de juiste manier worden weggegooid, bestaat het risico dat er giftige metalen en chemicaliën in de grond terechtkomen. Veel landen hebben tegenwoordig voorschriften voor het verwijderen van batterijen en bieden recyclingprogramma's aan. Deze programma's helpen bij het recyclen van het metaal uit batterijen en kunnen de negatieve gevolgen, die het verwijderen van batterijen op het milieu kunnen hebben, verzachten.

Deze voorschriften voor het afvoeren van batterijen, in combinatie met de toenemende noodzaak om meer apparaten op het IoT aan te sluiten en van stroom te voorzien, motiveren bedrijven om op zoek te gaan naar veilige en duurzame alternatieve voor de gevaarlijke chemicaliën die in batterijen worden gebruikt. De nieuwe lijn van dunne-filmbatterijen van Molex is daar een voorbeeld van. Anders dan hun neven, de lithiumbatterijen, zijn deze batterijen op basis van zink-mangaandioxide en zijn ze veiliger en gemakkelijker af te voeren voor de eindgebruiker.

Batterijvergelijking: voor- en nadelen van dunne-filmbatterijen

Een goede kennis van de voordelen, maar ook van de beperkingen van zink-mangaandioxide dunne-filmbatterijen, is essentieel om te begrijpen in welke soorten toepassingen deze batterijen hun nut het beste kunnen bewijzen in vergelijking met andere types zoals lithiumbatterijen. Zoals uit onderstaande tabel blijkt, laten capaciteitsvergelijkingen duidelijk zien dat de zink-mangaandioxide dunne-filmbatterijen van Molex het meest waardevol zijn in toepassingen met lage capaciteitsvereisten, en waar het een topprioriteit is de batterijen veilig en gemakkelijk te kunnen afvoeren.

(Bron afbeelding: Molex)

Wat niet in bovenstaande tabel te zien is, zijn de actuele kosten van dunne-filmbatterijen in vergelijking met bijvoorbeeld een CR2032 3 V knoopcelbatterij. Een snel onderzoek naar de prijzen van knoopcelbatterijen op websites van distributeurs van elektronische onderdelen wijst uit dat deze in kleine hoeveelheden voor prijzen van ongeveer een dollar over de toonbank gaan; wanneer het om duizendtallen gaat wordt dit minder dan 50 cent. De verkoopprijzen van dunne-filmbatterijen liggen echter eerder in de orde van dollars dan van centen. Het verschil in prijs kan worden toegeschreven aan het feit dat de knoopcelbatterijen al tijden op de markt zijn en aan de grote volumes waarin dit type batterijen gewoonlijk wordt verkocht. Er zullen nog diverse jaren van ontwikkeling nodig zijn voordat dunne-filmbatterijen kunnen concurreren met de lagere productiekosten of hogere volumes in afname van knoopcelbatterijen.

Het is ook het vermelden waard dat de Zn-MnO₂ batterij van Molex betere prestaties levert dan andere batterijen met dezelfde chemische samenstelling. Zoals uit de volgende tabel blijkt, zijn de chemische samenstellingen identiek maar leveren de dunne-filmbatterijen van Molex zowel voor wat de capaciteit als de maximale piekstroom betreft betere prestaties dan dunne-filmbatterijen van concurrenten.

(Bron afbeelding: Molex)

Dunne-filmbatterijen in de praktijk

Voorbeelden uit de dagelijkse praktijk maken duidelijk voor welke toepassingen eigenschappen zoals een laag profiel, flexibiliteit, een kleine voetafdruk en het feit dat de batterijen eenvoudig af te voeren zijn, waardevol zijn en waar we een continue groei in de dunne-filmbatterijmarkt kunnen verwachten. Zoals eerder gezegd winnen dunne-filmbatterijen steeds meer terrein voor het Internet of Things en voor industriële toepassingen, zoals labeling en tagging, bewaking van bederfelijke levensmiddelen en omgevingssensors. Een bijzonder interessant toepassingsgeval is het gebruik van dunne-filmbatterijen in slimme temperatuurtags met ultra-hoge frequentie (UHF). De tags hebben ongeveer het formaat van een creditcard en zijn iets dikker dan standaard printerpapier. Ze worden in de koudeketen-logistiek gebruikt voor temperatuurgevoelige producten zoals farmaceutische producten, bederfelijke levensmiddelen en bloemen (Enfucell). Deze slimme temperatuurtags gebruiken een combinatie van technologieën waaronder RFID, intelligente temperatuurdetectie en geprinte dunne-filmbatterijen voor nauwgezette tracering van tijd en temperatuur gedurende producttransport- en opslag (Enfucell).

Ook de consumenten-, cosmetica- en medische markten experimenteren met toepassingen voor dunne-filmbatterijen. Op een kruispunt tussen de consumenten- en de cosmeticamarkt vinden we bijvoorbeeld een toepassing van een oogmasker dat gebruik maakt van elektriciteit. Het masker is voorzien van een op microstroomapparaat dat bestaat uit een flexibele geprinte batterij, elektroden, zelfklevende tape en een afdekblad (Enfucell). Wanneer de patch op de huid wordt aangebracht, ontstaat er onmiddellijk een stroomlus, waardoor het cosmetische middel van de actieve elektroden in het masker naar de huid stroomt (Enfucell). Andere op consumenten gerichte toepassingen van dunne-filmbatterijen treffen we aan in wearable elektronica en in bewakingsapparaten voor toepassing in de sport, zoals een energiezuinige Bluetooth (BLE) sensorpatch die op de zijkant van de kop van een golf club wordt aangebracht om de versnelling en de hoeksnelheid te meten (Enfucell). Medische toepassingen voor dunne-filmbatterijen voor eenmalig gebruik zijn onder meer patiëntdiagnose-, behandelings- en bewakingsapparaten.

De afgelopen 200 jaar is er enorm veel voortgang geboekt in de ontwikkeling van nieuwe, verschillende batterijtypes om te voldoen aan de steeds grotere vraag naar stroomvoorziening voor apparaten en toepassingen die we dagelijks gebruiken. Meer recentelijk zijn bedrijven begonnen met het ontwikkelen van batterijen die vervaardigd zijn van materialen die in overvloed aanwezig, duurzaam en zowel voor het milieu als voor mensen veilig zijn. Geprinte, flexibele, dunne-filmbatterijen met organische chemische samenstellingen zoals zink-magnesiumdioxide (in deze video) en gerelateerde chemicaliën zijn het bewijs dat batterijen een nieuwe, meer milieuvriendelijke toekomst hebben. Markten als de industrie, het Internet of Things, consumentenproducten en de medische sector hebben reeds successen geboekt in het experimenteren met en fabriceren van op dunne-filmbatterijen werkende producten. Er is meer ontwikkeling nodig om de capaciteit en produceerbaarheid van deze batterijen te vergroten, maar de ontwikkelaars worden gedreven door een prangende vraag: wat is de volgende toepassing waar we dunne-filmbatterijen voor kunnen gebruiken?