Essentiële Gids naar Batterijtypen voor Elektronicaprojecten

Alle elektronische apparaten vereisen een stroombroed om te functioneren. Toevallig zijn batterijen de meest voorkomende stroomvoorziening in de moderne wereld. Dit komt omdat ze de elektronicafabricatie van draagbare apparaten mogelijk maken.

Men zou kunnen zeggen dat de gehele elektronica-industrie op batterijen berust. Toch, als u een beginnende elektronica-ingenieur bent, probeert u waarschijnlijk het beste type batterijen voor uw volgende elektronica-project te bepalen. De volgende gids dekt alle verschillende typen batterijen, wat ze uniek maakt en hun toepassingen.

Wat is een Batterij?

Batterijen zijn energieopslagapparaten. Traditioneel hebben we batterijen gebruikt om kleine elektronische apparaten zoals zaklampen te voeden. Tegenwoordig vindt u batterijen in elk apparaat dat een draagbare stroomvoorziening nodig heeft om te functioneren.

Omdat hun toepassingen en doeleinden kunnen variëren, komen batterijen in alle vormen en maten. Bijvoorbeeld, we kunnen niet hopen AAA-batterijen te gebruiken om een auto optimaal te voeden. Dus auto's vereisen een speciaal formaat herlaadbare batterij om correct te functioneren.

Hoe Werken Batterijen?

Batterijen slaan elektrische energie op als chemische energie. Wanneer we een (herlaadbare) batterij opladen, converteert het de elektrische energie en houdt het vast als chemische energie. Wanneer we de batterij gebruiken, vindt een chemische reactie plaats, en de batterij geeft zijn lading vrij als elektriciteit.

Bijvoorbeeld, de lamp in het bovenstaande eenvoudige circuit heeft een zee van elektronen nodig die doorheen stromen om te functioneren. De batterij levert de duwkracht die nodig is om de elektronen door de lamp te drijven. We moeten de lamp verbinden met de positieve en negatieve polen van de batterij om het circuit te voltooien. Als er voldoende lading in de batterij zit, zal de lamp oplichten.

Het is echter belangrijk te onthouden dat de batterij de elektronen slechts voor een beperkte tijd door het circuit kan drijven. Essentieel is deze tijdslimiet afhankelijk van de hoeveelheid opgeslagen energie (lading) en de vraag van de last. In ons voorbeeld is de lamp onze last, en de last verwijst naar de energie die nodig is om te functioneren. Dus de last is elk component dat elektriciteit nodig heeft om te werken. Wat PCB's betreft, kunnen deze componenten diodes, microchips (geïntegreerde schakelingen), etc. zijn.

Verschil Tussen een Cel en Batterij

Een electrische cel is een enkele component die fundamenteel op dezelfde manier werkt als een batterij – het converteert chemische energie in elektriciteit. Een batterij is een groep of verzameling van cellen. Toch is de populairste vorm van een electrische cel de knoopcel. Mensen verwijzen er ook naar als een muntbatterij. Deze actie is niet noodzakelijk incorrect. Een enkele cel kan in een groep zitten die een batterij vormt.

Typen Batterijen

Batterijen vallen in twee hoofdcategorieën:

• Primair Batterijen: Wegwerpbatterijen die we niet kunnen opladen. Mensen noemen ze soms eenmalige of wegwerpbatterijen. Het grootste voordeel is dat ze direct stroom kunnen produceren na assemblage. We gebruiken ze vaak in draagbare apparaten met lage stroomverbruik of intervalgebruik.
• Secundair Batterijen: We noemen deze vaak herlaadbare batterijen. Fabrikanten monteren ze doorgaans met de actieve materialen in de ontladen toestand. Gebruikers kunnen ze dan opladen door een elektrische stroom toe te passen. Toevallig keert opladen de chemische reacties die tijdens het gebruik optreden om. We laden op met apparaten die we oplaaders en/of herladers noemen. Opladen en ontladen kan meerdere keren voorkomen, afhankelijk van het batterijtype (materiaal).

Typen Primair Batterijen:

• Zink-Koolstof Batterij

Zink-koolstof batterijen zijn de laagste kosten huishoudelijke primair batterij. Ze verstrooien stroom door een chemische reactie tussen zink-zurig mangandioxide. Het grootste nadeel is hun lage vermogensuitgang. Dit resulteert echter in een lage zelfontladingssnelheid, wat hen een uitzonderlijke houdbaarheid geeft. Zink-koolstof batterijen zijn het meest geschikt voor klokken en afstandsbedieningen.

• Alkaline Batterij

Niet-herlaadbare alkaline batterijen zijn de meest gebruikte huishoudelijke primair batterijtypen. Ze gebruiken een electrochemische reactie tussen zinkmetaal en mangandioxide om lading op te slaan en te verspreiden. Hun populariteit komt door hun hoge vermogen per gebruik, tenminste vergeleken met zink-koolstof batterijen (en de meeste secundaire batterijen). Daarnaast hebben ze superieure houdbaarheid.

Lithium-batterij (of lithium-metal batterijen)

Primair lithium-batterijen gebruiken metaal lithium als anode. Ze presteren beter dan zink-koolstof en alkaline batterijen in vermogen per gebruik vanwege hun hoge ladingdichtheid. Daarnaast hebben lithium-metal batterijen en cellen ongelooflijke houdbaarheid. Ze kunnen meer dan een decennium duren en werken bij lage temperaturen. Echter, lithium-batterijen zijn niet zo populair of makkelijk verkrijgbaar als zink-koolstof en alkaline batterijen vanwege hun hoge productiekosten.

Lithium-metal batterijen en cellen kunnen spanningen produceren tussen 1,5V en 3,7V. Fabrikanten verpakken ze doorgaans in kleinere vormfactoren. Grotere lithium-batterijen hebben een hoger risico op instabiliteit, maar we kunnen ze nog steeds in militaire toepassingen gebruiken.

Zilveroxide-batterij

Zilveroxide-batterijen zijn populair in Japan maar niet zo veel in de rest van de wereld. Ze gebruiken zilveroxide voor hun kathoden en zink voor hun anoden. Hoewel ze een hoge energiedichtheid hebben, zijn ze tamelijk duur. We schrijven dit toe aan het kathodemateriaal (zilver) dat nodig is voor productie. Zilver is een edelmetaal. Daarom gebruiken we ze voornamelijk in muntbatterij-ontwerpen waar de hoeveelheid zilver klein is.

Zink-lucht batterij

Velen beschouwen zink-lucht batterijen als acceptabele alternatieven voor zilveroxide-batterijen. Ze gebruiken zuurstof uit de omringende lucht als kathode, terwijl ze de anode in de elektrische cel huisvesten. Vanwege hun hoge energiedichtheid zijn ze het meest geschikt voor medische apparaten zoals hoortoestellen en pacemakers. Toevallig schrijven we hun lange levensduur toe aan hun samenstelling en structuur.

Kwik-batterij

Kwik-batterij (ook kwikoxide-batterij/cel of Ruben-Mallory) is een niet-herlaadbare batterij die een electrochemische reactie gebruikt tussen kwikoxide en zinkelektroden in een alkaline elektrolyt. Ze hebben een hogere capaciteit dan zink-koolstof batterijen en leveren een constante en betrouwbare uitgang.

Doorgaans komen kwik-batterijen in de vorm van muntbatterijen. Ze waren populair tijdens WO2. Echter, het is bijna onmogelijk ze nu te vinden. Vanwege de toxiciteit van kwik voor het milieu en de menselijke gezondheid, hebben veel landen hun verkoop verboden.

Typen Secundair Batterijen:

• Herlaadbare Alkaline Batterij

De herlaadbare versie van alkaline batterijen is de meest betaalbare herlaadbare batterij. Daarnaast hebben ze een lange houdbaarheid. Ze zijn handig voor matige-vermogen toepassingen. Ondanks hun korte levenscyclus (vergeleken met andere secundaire batterijen), zijn ze nog steeds populair. Omdat ze geen giftige materialen gebruiken, kunnen gebruikers ze veilig op een gewone stortplaats dumpen – mits lokale voorschriften dit toestaan.

Nikkel-Cadmium

Herlaadbare nikkel-cadmium (Ni-Cd) batterijen zijn geliefd vanwege hun robuustheid en betrouwbaarheid. Ze hebben een gevarieerd werktemperatuurbereik en een lange levensduur. Belangrijkst van allen, ze hebben hoge vermogensmogelijkheden. Echter, ze neigen tot een lage looptijd per lading. Een ander nadeel is hun over het algemeen hoge zelfontladingssnelheid (30% per maand). Maar dit is geen groot probleem, aangezien ze herlaadbaar zijn.

Een ander ongewens kenmerk van Nikkel-Cadmium zit in de samenstelling. Ongeveer 15% van de meeste Ni-Cd batterijen bestaat uit giftig, kankerverwekkend cadmium. Consumenten en fabrikanten mogen ze niet op stortplaatsen dumpen. We moeten ze zorgvuldig recyclen.

Nikkel-Metaal-Hydride

Herlaadbare nikkel-metaal-hydride (NiMH) batterijen zijn een verbeterde iteratie van oude nikkel-cadmium batterijen. Ze leveren dezelfde spanning maar bieden tot 30% meer capaciteit. Verder hebben ze uitstekende hoge-stroom mogelijkheden en lange cycli levensduur.

NiMH-batterijen kunnen tot 40% van hun lading per maand ontladen. De zelfontladingssnelheid is teleurstellend hoger dan bij nikkel-cadmium batterijen. NiMH-batterijen zijn echter nog steeds superieur aan Ni-Cd batterijen omdat ze geen giftig cadmium bevatten. Ze bevatten nog wel grote hoeveelheden nikkeloxiden en sporen van kobalt, wat kankerverwekkend kan zijn voor zoogdieren. Recycleer NiMH-batterijen daarom zorgvuldig.

Lithium-Ion Batterij

Herlaadbare lithium-ion (Li-ion) batterijen zijn het nieuwste type secundaire batterij. Over het algemeen zijn ze 30% lichter dan nikkel-metaal-hydride. Daarnaast bieden ze ten minste een derde meer vermogenscapaciteit dan nikkel-cadmium batterijen.

Lithium-ion batterijen hebben uitstekende hoge-stroom mogelijkheden en lange cycli levensduur. De zelfontladingssnelheid is 20% per maand. We kunnen concluderen dat lithium-ion batterijen superieur zijn aan cadmium-gebaseerde batterijen in bijna elk opzicht. Echter, ze zijn niet zo robuust. Bijvoorbeeld, lithium-ion batterijen zijn gevoelig voor oververhitting, wat branden kan veroorzaken.

Daarnaast, hoewel ze vrij zijn van giftig cadmium, bevatten de meeste lithium-ion batterijen nog sporen van kobalt- en nikkeloxiden. Deze chemicaliën zijn kankerverwekkend en schadelijk voor de menselijke gezondheid. U moet lithium-ion batterijen zorgvuldig afvoeren en recyclen.

Loodzuur-batterij

Loodzuur-batterijen zijn de meest gezochte herlaadbare batterijtypen ter wereld. Dit is voornamelijk door hun betrouwbaarheid en de financiële haalbaarheid van hun productie. Echter, ze zijn niet erg draagbaar omdat ze bulkerig, zwaar en overgroot zijn. Verder is lood een hoog giftig kankerverwekkend chemisch samengestelde stof.

Daarom mogen we loodzuur-batterijen niet op gewone stortplaatsen en afvalplaatsen dumpen. Fabrikanten recyclen en hergebruiken oude dode en beschadigde loodzuur-batterijen om nieuwe loodzuur-batterijen te produceren.

Waarom Zijn Niet Alle Batterijtypen Herlaadbaar?

Wanneer we een secundaire batterij opladen, dwingen we niet alleen elektronen terug in de batterij, maar we brengen de chemische materialen binnen de batterij terug naar hun initiële geladen toestand. Wanneer fabrikanten primair batterijen maken, monteren ze de materialen in een geladen toestand. Het gebruik van de lading in een primair batterij herconfigureert permanent de materialen erin. Na het herconfiguratieproces kan het geen andere lading meer vasthouden.

Aan de andere kant activeert een secundaire batterij een chemische reactie om lading uit te voeren en keert terug naar de oorspronkelijke status door opladen. Natuurlijk moeten ze bepaalde materialen en chemicaliën gebruiken die compatibel zijn met deze veranderingen.

Batterij Toepassingen

Enkele van de meest voorkomende toepassingen voor batterijen zijn:

• Alammen
• Communicatieschakelingen
• Klokken
• Afstandsbedieningen
• Pacemakers
• Hoortoestellen
• Draadloze headsets
• Motorvoertuigen
• Draadloze computerperiferie (toetsenborden en muizen)
• Handheld gaming apparaten (Game Boys)
• Smartwatches

Hoe een Batterij te Kiezen?

Nu u bekend bent met alle beschikbare batterijtypen, moet u beslissen welke het beste is voor uw project. Wanneer mensen batterijen selecteren, neigen ze ertoe om kosten en prestaties te balanceren. Er zijn echter andere specificaties die u moet overwegen:

• Batterijtype: Primair (niet-herlaadbaar) of Secundair (herlaadbaar)
• Capaciteit: De hoeveelheid energie/elektriciteit die een last van een batterij kan ontladen. We duiden dit meestal aan met amp-hr. Bijvoorbeeld, een 500mAh batterij kan één milliampère per uur afgeven.
• Houdbaarheid: De hoeveelheid tijd dat een batterij zijn lading kan behouden terwijl het ongebruikt ligt.
• Batterij werktemperatuur: Geeft aan hoe heet een batterij wordt tijdens gebruik of opladen. Helpt bepalen of u een heatsink of koeler nodig heeft.
• Oplaadsnelheid: Beschrijft hoe snel een herlaadbare batterij kan opladen.
• Batterijlevensduur: Beschrijft het aantal keren dat we een secundaire batterij kunnen opladen en ontladen. Alternatief, hoe lang we een primair batterij kunnen gebruiken.

Conclusie

Er zijn geen enkele batterijoplossingen op de markt voor alle draagbare batterijgedreven apparaten. Omdat elektronische apparaten in alle vormen, maten en robuustheid komen, vereisen ze een stroomvoorziening die het meest geschikt is voor hun ruimte- en lastvereisten. Dus er bestaat een verscheidenheid aan batterijen met hun voor- en nadelen. De bovenstaande gids benadrukte dit door alle momenteel beschikbare typen batterijen te tonen. Onthoud om gebruikte batterijen met zorg af te voeren en te recyclen. We hopen dat u deze gids nuttig heeft gevonden. Wie altijd, bedankt voor het lezen.