Logo Universiteit Utrecht

De Natuurkunde Top 10

Aardappels & batterijen

Batterijen komen we overal tegen: smartphones, laptops, tablets, fietslampen, en zelfs auto’s. Maar zitten daar dan overal aardappelen in? Nee, tegenwoordig worden batterijen gemaakt van andere materialen. Maar de natuurkunde achter de moderne batterijen is hetzelfde als die van de aardappelbatterij. Het blijft een uitdaging om batterijen zo compact mogelijk te maken, zodat we meer energie kunnen opslaan en de Tesla auto’s verder kunnen rijden en onze smartphones langer mee gaan zonder ze te hoeven opladen.

Hoe werkt een batterij

Een batterij maakt gebruik van de eigenschappen van verschillende soorten atomen. Een atoom wordt gevormd door een kern bestaande uit protonen, die een positieve (+) elektrische lading hebben, en neutronen, die geen lading hebben, maar de protonen bij elkaar houden. Om die kern vliegen evenveel elektronen, die een negatieve (-) lading hebben, als dat er protonen zijn. De totale lading van het atoom is daardoor altijd nul, ook wel neutraal genoemd. Sommige atomen, zoals zink, kunnen goed oplossen in water. Een aantal elektronen verlaten het atoom dan en er blijft en positief geladen deeltje over, wat we dan een ion noemen. Dit proces waarin een atoom elektronen verliest, noemen we oxidatie. Andere metalen, zoals koper, gaan liever van opgeloste ion toestand naar vaste atoom toestand, maar daar hebben ze juist weer elektronen voor nodig. Dit proces noemen we reductie.

Als je die twee processen aaneen schakelt, heb je een batterij: Het zink atoom lost op en stuurt zijn elektronen via een draad naar een koper ion dat de twee elektronen kan opnemen en wordt een koper atoom. Een batterij is dus een reductie-oxidatie reactie; ofwel redox reactie. Maar wat heeft de aardappel hier nog mee te maken? De aardappel is eigenlijk een bad waarin het zink kan oxideren en bevat ook ionen die kunnen reduceren. Omdat de aardappel slecht elektriciteit geleidt, gaan de elektronen liever langs een draad buiten de aardappel om. Daar kunnen we dan een lampje op aansluiten. Op een gegeven moment is al het zink op of zijn alle reduceerbare ionen op. Dan is de batterij leeg.

We zagen in de video dat de telefoon weer opgeladen wordt met de stroom van de aardappelbatterij. Hoe werkt dat dan? Om een batterij weer op te laden hoef je alleen de elektronen de andere kant op door de draad te sturen. Dan vindt de omgekeerde redox reactie plaats. Door de plotselinge overmatige aanwezigheid van elektronen reduceren de positief geladen zink ionen tot neutrale atomen. Doordat de positieve lading verdwijnt wordt de oplossing negatief geladen. Om daarvoor te compenseren wil het koper reduceren tot positief geladen ionen.

Moderne batterijen

De kracht van een batterij wordt bepaald door hoe graag de atomen willen oxideren en ionen willen reduceren en hoeveel elektronen bij een oxidatie vrij komen. In de ontwikkeling van moderne batterijen wordt voortdurend gezocht naar de juiste combinatie van materialen. Hoe je een batterij wilt gaan gebruiken bepaalt ook weer welke materialen je moet gebruiken. Voor een smartphone is het bijvoorbeeld vooral belangrijk dat hij lang mee gaat. Je wil dan per kilo batterij zoveel mogelijk energie kunnen opslaan. Maar voor auto’s is het ook belangrijk dat je die energie snel uit de batterij kunt halen. Dan wil je ook veel vermogen (dat is de snelheid waarmee je energie kan tappen) per kilo batterij.

Meer info?

Interessante filmpjes:

Interessante websites: