Hoe werkt een accu?
Een accu slaat elektrische energie op, zodat een elektrisch apparaat zonder stopcontact kan werken. Er bestaan meerdere soorten accu’s, hier beschrijven we de lithium-ion accu (Li-ion), omdat die veel gebruikt wordt in telefoons, auto’s en de thuisbatterij.
In figuur 1 zie je een vereenvoudigde doorsnede van een lithium-ion accu. Binnenin zitten twee elektroden, de positieve elektrode (anode) en de negatieve elektrode (kathode). Tussen deze elektroden bevindt zich een vloeistof: de elektrolyt.
De negatieve elektrode bestaat meestal uit lagen grafiet (koolstofatomen die op een specifieke manier gerangschikt zijn). Tussen de lagen grafiet kunnen lithiumatomen worden opgeslagen. De positieve elektrode bestaat vaak uit een verbinding van lithium met metalen zoals nikkel, mangaan of kobalt, we gaan hier even uit van kobalt.
De elektronen bevinden zich in de anode. Daardoor ontstaat een spanningsverschil tussen de elektroden. Dat spanningsverschil noemen we de spanning van de accu. Tussen de elektroden zit de elektrolyt, een vloeistof (of een gel) waarin lithium-ionen zich gemakkelijk kunnen verplaatsen. De elektrolyt geleidt dus ionen, maar géén elektronen. Dat is belangrijk, want als elektronen ook rechtstreeks door de elektrolyt zouden kunnen bewegen, zou de accu meteen kortsluiting maken en geen bruikbare stroom leveren.
Tussen de elektroden zit ook een heel dun kunststof vlies: de separator. Deze separator voorkomt dat de elektroden elkaar raken, maar laat tegelijkertijd wel de lithium-ionen door. Daardoor kunnen de ionen zich verplaatsen zonder dat er kortsluiting ontstaat.
Als een accu stroom levert staat het lithium bij de anode elektronen af, die een stroomdraad in gaan en zo bijvoorbeeld je telefoon laten werken. Daarna komen die elektronen bij de kathode aan. Tegelijkertijd zijn de lithium ionen via de elektrolyt daar ook aangekomen. Daar ontstaat een chemische reactie die lithiumkobaltoxide oplevert.
Het laden van een accu
Bij laden leggen de elektronen de omgekeerde weg af, en daarmee wordt er weer energie opgeslagen. Een oplader levert een spanning die hoger is dan de spanning van de accu. Daardoor worden elektronen de accu weer ‘ingeduwd’. Tegelijkertijd bewegen lithium-ionen door de elektrolyt terug van de positieve naar de negatieve elektrode. Daar nemen ze de aangevoerde elektronen weer op. Daardoor ontstaan opnieuw lithium-atomen die zich tussen de lagen grafiet kunnen nestelen. De oplader dwingt de chemische reactie dus om de andere kant op te verlopen. De energie die hiervoor nodig is, wordt opgeslagen in de elektroden.
Opbouw, ontladen en laden van een lithium-ion accu zie je heel mooi in meer detail in dit filmpje:
Snelladen van een accu
Bij het laden van een accu zijn de volgende grootheden van belang:
Spanning (U) in volt (V).
Stroomsterkte (I) in ampère (A).
Vermogen (P) in watt (W).
Deze grootheden hangen samen volgens:
P = U . I (1)
Hoe groter de spanning of de stroomsterkte, hoe groter het vermogen waarmee energie bij het laden door de accu wordt opgenomen. De accu is sneller vol als de stroom van energie, dus de energie per seconde, zo groot mogelijk is. Energie per seconde is het vermogen, P.
P = E/t (2)
Ofwel: E = P.t
Hoe langer de tijd t, hoe meer energie er in de accu komt, maar dat betekent langer wachten en wat willen we juist niet. Een andere manier om veel energie in de accu te krijgen, is P zo groot mogelijk maken, en via formule (1) weten we dat dat betekent dat we de spanning U en/of de stroomsterkte I zo groot mogelijk moeten maken. In de praktijk gebruiken opladers vooral een grotere stroom, omdat er bij grotere spanning ongewenste chemische reacties kunnen optreden.
Een paar getallen
De in een accu opgeslagen energie kunnen we het makkelijkst uitdrukken in Wh of kWh, in plaats van in J (Joule). Een telefoonaccu kan 10-20 Wh aan energie opslaan, een gemiddelde auto 40 - 80 kWh, dit is vierduizend keer meer dan een telefoon.
Een standaard telefoonlader levert 5 W aan vermogen. Meestal gaat dat met 1 A. Bij een spanning van 5 V duurt het opladen dan 2-4 uur. Een snellader daarentegen heeft een vermogen beginnend bij 15 W tot tegenwoordig 120 W (soms zelfs hoger). De spanning ligt tussen de 5 en 20 V en de stroomsterkte tussen de 3 en 6 A. Net zoveel hoger als het vermogen is, zoveel korter is de laadtijd. Bij de grootste vermogens kan je telefoon in minder dan een kwartier weer vol zijn.
Doordat een auto een aanzienlijk grotere accu heeft, is de situatie daar anders. Bij de simpelste manier van laden van de auto (aan huis) gaat het om een spanning van 230 V en een stroom van ongeveer 10 A. Het laadvermogen is dan:
P = 230 × 10 = 2300 W = 2,3 kW
Een elektrische auto met een accu van 60 kWh heeft dan ongeveer 26 uur nodig om volledig op te laden. Thuis heb je misschien die tijd wel, maar bij een laadpaal langs de snelweg niet. Daarom tref je langs (snel)wegen laadpalen aan met veel grotere vermogens, tot wel 250 kW, ofwel meer dan honderd keer groter. Laadtijden zijn dan evenredig veel kleiner.
Maak met de gegeven getallen een schatting van de minimale laadtijd langs de snelweg. Maak daarna een precieze berekening.
Schatting: 230 kW is precies 100x groter dan de thuislader. De tijd is dus 100x kleiner, dat is 0,26 uur, ofwel ruim een kwartier. Bij 250 kW zal de tijd dan ongeveer 10% korter zijn, ongeveer 14 minuten.
Berekening: t = 60/250 = 0,24 uur = 0,24 x 60 = 14,4 minuten.
Warmte
De werkelijkheid van laden is wat ingewikkelder dan hier beschreven waardoor deze snelle laadtijden niet altijd worden gehaald. Er zijn een aantal factoren die snelladen complexer maken dan we tot nu toe aannamen. Een van de grootste problemen is warmteontwikkeling. Bij grote stromen kan er veel warmte ontstaan, dat gebeurt volgens hetzelfde principe als bij Netcongestie, zie dit artikel. Een bepalende factor is dus de stroomsterkte van het laden.
Bereken de stroomsterkte van een snellaadpaal van 250 kW die werkt bij 500V.
Antw: 500 A. (I = 2,50 . 105/500 = 500 A)
De warmteontwikkeling in de kabels hangt af van de weerstand van die kabels en de accu.
P = I² × R
Bij een grote stroom betekent dit dat de weerstand heel laag moet zijn om grote warmteverliezen tegen te gaan. Dat bereik je door dikke kabels te gebruiken en soms zelfs de accu te koelen.
Warmteontwikkeling geeft mogelijk ook problemen in de accu, omdat bij het laden de interne structuur door warmte kan beschadigen. Daardoor kan de levensduur en de opslagcapaciteit achteruitgaan, of de accu zelfs kapotgaan. Er kunnen ook gassen ontstaan, waardoor de accu opzwelt en mogelijk barst. Een ander gevaar is als er door oververhitting een kettingreactie ontstaat, waardoor de accu blijft opwarmen en dan vlam kan vatten of kan ontploffen.
Regelen van laden
Het is dus van belang de temperatuur van de accu in de gaten te houden. Dat doet het Battery Management System (BMS) in de accu. Het BMS is een computergestuurd regelsysteem dat de ‘gezondheid’ van de accu checkt. Onder andere ‘onderhandelt’ de BMS met de lader over welk vermogen veilig is. Een van de bekendste gevolgen hiervan is dat snelladen langzamer gaat als de accu ongeveer 80% vol is. Als de accu voller is, stijgt de spanning waardoor extra lithium-ionen steeds moeilijker op hun plaats komen. Dit vergelijken ze wel eens met: hoe voller een bioscoopzaal is, hoe moeilijker je een lege stoel kunt bereiken. De interne weerstand stijgt dan en daarmee ook de warmteontwikkeling. Het BMS zal dan ingrijpen en van de lader een afnemend vermogen vragen om de accu te beschermen.
Hier is een filmpje met meer info over een BMS:
Conclusie
Het laadproces van accu’s is met wat natuurkunde (en scheikunde) goed te begrijpen. Bij snelladen speelt hierbij ook het effect van warmteontwikkeling een grote rol. Daarom is een computergestuurd regelsysteem in de accu noodzakelijk om het proces bij snelladen goed te laten verlopen.
