Zink-lucht voor stroomvreters; Nieuwe batterijen laten computers langer werken

Je ziet ze steeds vaker: laptops, notebooks, organizers en palmtops: minicomputers met LCD-scherm of handcomputertjes van rekenmachine-formaat met ingebouwd adressenbestand, agenda en wat dies meer zij. Handig om mee te werken in het vliegtuig of in de hotelkamer. Ze hebben alleen een nadeel: na pakweg drie uur intensief gebruik zijn de batterijen alweer leeg.

De batterijen die meestal voor draagbare computers worden gebruikt zijn oplaadbare nikkel-cadmium batterijen (nicads), die al meer dan vijfentwintig jaar geleden zijn ontwikkeld. Hoewel ze langer meegaan dan andere batterijen, zijn er ook bezwaren: cadmium is schadelijk voor het milieu, zeker als dit metaal in het grondwater terechtkomt. In Nederland hebben de fabrikanten van oplaadbare batterijen en de gemeenten beloofd dat zij binnen drie jaar tot een goede inzameling van afgedankte batterijen zouden komen. Maar tot op de dag van vandaag is dat nog altijd niet gelukt. Veel batterijen komen alsnog in het huisvuil terecht. Slechts de helft van de batterijen wordt na gebruik apart ingezameld.

Een ander bezwaar van (oplaadbare) nicads is dat ze erg zwaar en groot zijn: ongeveer dertig procent van het gewicht en twaalf procent van de omvang van een notebookcomputer. In feite houdt de huidige nikkel cadmium-technologie de ontwikkeling van nóg lichtere draagbare computers tegen. Jaren geleden worstelden fabrikanten van draagbare videocamera's met een soortgelijk probleem: lichtere camera's konden eigenlijk pas worden ontwikkeld toen de oude zink-bruinsteen en loodzuur-batterijen door lichtere nicads waren vervangen.

Het wordt dus hoog tijd voor iets nieuws. Nu al kunnen nicads worden vervangen door schonere oplaadbare nikkelhydride- en lithiumbatterijen. Dan is er nog een aantal niche-technologieën op komst: oplaadbare zinkluchtbatterijen en lithium-polymeer - beide Amerikaanse uitvindingen. Voor al deze produkten geldt dat zij niet eens zoveel afwijken van de oude zuil- en bekervormige batterijen die Allesandro Volta in 1800 ontwikkelde: batterijen genereren elektriciteit doordat elektronen of ionen van ene elektrode naar de andere stromen in een chemische oplossing (elektrolyt). Meestal worden daar oxiden, zouten, basen en zuren voor gebruikt. In de meeste gevallen zijn de reacties onomkeerbaar, waardoor de batterij maar eenmaal bruikbaar is. De nicadbatterij is wél herlaadbaar.

Hydriden

De belangrijkste vorderingen die zijn geboekt hebben betrekking op de materialen die voor de elektroden worden gebruikt. Nikkel-hydride batterijen verschillen van nicads doordat de (positieve) cadmiumelektrode is vervangen door metallische hydriden, waarbij atomaire waterstof in open holten van het metaalrooster is geplaatst. Als elektrolyt wordt kaliloog gebruikt, een oplossing van kaliumhydroxide in water. Nikkel-hydride batterijen worden al op grote schaal in Japan verkocht door bedrijven als Hitachi Maxell, Matsushita, Sanyo en Toshiba. In Europa moet de verkoop nog op gang komen; het Duitse Varta levert al wel Ni-MH rondcellen aan de zakelijke markt. Ook heeft Varta samen met het Amerikaanse Duracell en Toshiba een joint venture opgericht voor de gezamenlijke ontwikkeling en produktie van nikkel-hydride batterijen voor de Europese markt. In Nederlandse speciaalzaken wordt verder het door Gold Peak Industries (Hong Kong) ontwikkelde merk GP Green Charge geleverd: volgens de importeur kunnen deze batterijen in gewone Nicad-opladers worden opgeladen met een dubbele oplaadtijd. De batterij is drie maal zo duur als een nicad, maar hij heeft dan ook een dubbel zo grote capaciteit.

Sony heeft voor een andere technologie gekozen: lithium ion. Hier is het elektrode-materiaal dus lithium: een zilverwit, zacht en zeer reactief metaal dat in complexe silicaatertsen wordt aangetroffen. Een lithium ion-batterij levert gemiddeld driemaal zoveel energie als een nicad en heeft daarmee een streepje voor op de nikkel-hydride batterijen. Een nadeel is dat de batterijen een iets hogere spanning afgeven (3,6 volt tegen 1,2 voor nicads), waardoor de apparatuur zal moeten worden aangepast. Lithium ion-batterijen kun je dus niet zomaar in een willekeurige walkman stoppen, laat staan in een PC. Maar bij Sony zitten ze daar niet mee: het bedrijf heeft al een ultralichte draagbare telefoon en een camcorder op de markt gebracht die op lithium ion-batterijen lopen. Ook Toshiba en de Asahi Chemical Industry investeren in deze technologie: zij hebben een joint venture opgericht die dit najaar al 500.000 lithium-ion batterijen per maand zal produceren. Ook Varta werkt aan lithiumbatterijen, maar dan wel voor zeer specifieke toepassingen, zoals de aandrijving van elektrische auto's.

Voor krachttoepassingen is het vermogen van de huidige lithium ion-batterijen echter niet toereikend: in tegenstelling tot nicads, leveren ze te weinig energie voor een schijfeenheid van een computer of voor huishoudelijke apparaten als stofzuigers. Ook zijn de batterijen vergeleken met nicads en nikkelhydride-batterijen nog erg duur: bijna twee dollar per watt-uur tegen 0,7 dollarcent bij nicads. Verder kunnen lithium-ion batterijen makkelijk ontbranden of exploderen, een gevaar dat bij de lithiumbatterijen van Sony niet zou kunnen optreden.

Een variant op lithium ion-batterijen zijn lithium-polymeer batterijen. Hier is het elektrolyt geen vloeistof, maar een vaste dunne film. Gevaarlijke chemische reacties kunnen hierdoor niet ontstaan. Lithium-polymeer batterijen hebben nóg een voordeel: ze zijn bijna twee keer zo licht als lithium ion-batterijen. Lithium polymeer-batterijen zijn echter nog in ontwikkeling. Het in San Jose (Californië) gevestigde Valence Technology Inc. brengt ze pas volgend jaar op de markt. Valence heeft al 20 miljoen dollar in de ontwikkeling van de batterijen gestoken, samen met autofabrikant General Motors en het Advanced Battery Consortium. Die willen de lithium polymeer-technologie gaan toepassen in elektrische auto's, maar uiteraard kunnen de batterijen ook voor andere doeleinden worden gebruikt. Motorola wil ze bijvoorbeeld in draagbare telefoons verwerken.

Nieuw zijn ook oplaadbare zinklucht- of zinkzuurstofbatterijen. In feite gaat het om een oude technologie in een nieuw jasje, want luchtzuurstofbatterijen werden al toegepast in schrikdraad, verkeerstellers, hoortoestellen en andere apparaten met een gering stroomverbruik. Traditionele zinklucht-cellen gebruiken zink en zuurstof als elektroden en salmiak of mangaanchloride als elektrolyt. Ze behoren tot de groep van primaire of droge batterijen en zijn niet herlaadbaar.

Het Amerikaanse bedrijfje AER Energy Resources uit Smyrna, een voorstad van Atlanta, Georgia levert sinds januari zinkluchtbatterijen die wél kunnen worden opgeladen. Het zijn de enige batterijen ter wereld die kunnen "ademen': als kathode dient een koolstofmembraan dat lucht uit de atmosfeer absorbeert, in nikkel cadmium-, metaal hydride- en loodzuurbatterijen zitten de zuurstofmoleculen opgesloten in de batterij. Om zuurstof aan de atmosfeer te onttrekken wordt een kleine ventilator gebruikt die door de batterijen zelf wordt aangedreven.

"Je kunt deze batterijen overal mee naar toe nemen,' zegt marketingmanager Frank Harris. "Zelfs in de bergen. De batterijen hebben eigenlijk maar heel weinig zuurstof nodig.' Omdat de batterijen ongeveer zo groot zijn als een sigarendoosje (21 x 20 x 1,25 cm) en ze dus niet in een batterijhouder van een draagbare PC passen, levert AER Energy de batterijen in packs: er is een 12 volt-configuratie genaamd Power 20, dat twintig uur onafgebroken stroom levert, en een 5 volt-versie voor tien uur computeren. Het geheel wordt met draagtas geleverd.

Oplaadbare zinklucht-batterijen, in eerste instantie ontwikkeld voor de stroomvoorziening van elektrische auto's, hebben belangrijke voordelen: de energiedichtheid is drie maal zo hoog als die van nikkel-cadmium of nikkel-metaal hydride batterijen: 130 wattuur per kilogram tegen 50 bij nicads. Net als lithium ion-batterijen geven ze wel minder vermogen af, waardoor ze ongeschikt zijn voor krachttoepassingen. Computers met 386 en 486-processoren, 8 megabyte of meer aan RAM-geheugen en 120 megabyte aan opslagcapaciteit vormen geen probleem.

Een ander pluspunt is dat zink een zeer licht materiaal is, zij het niet erg milieuvriendelijk. Bij de winning ervan komt cadmium vrij. Wel leent zink zich goed voor hergebruik. Zinklucht-batterijen zijn verder erg veilig: ze kunnen niet exploderen, zelfs niet wanneer zij in een brandende haard worden geworpen. Ook hebben de batterijen hoegenaamd geen last van zelfontlading (ze lopen niet langzaam leeg) en kunnen ze op elk gewenst moment worden opgeladen. De meeste oplaadbare batterijen moeten eerst helemaal leeg worden gemaakt.

Uit te breiden

AER Energy verwacht dat fabrikanten van computers de energiewinst zullen benutten om draagbare PC's uit te breiden met (nog) grotere werkgeheugens en telecommunicatiefaciliteiten. De meeste draagbare computers zijn namelijk echte stroomvreters: "volwassen' palmtops en notebooks verbruiken al gauw tien tot twintig watt, kleurenportables zelfs nóg meer. Een draagbare PC die 10 watt verbruikt en vijftien uur onafgebroken moet draaien heeft op dit moment minstens 150 wattuur aan energie nodig.

De verwachting is wel dat draagbare computers veel zuiniger zullen worden. Om te beginnen zijn er de zogeheten flitsgeheugens: dit zijn speciale EPROM-processoren die met behulp van een korte stroomimpuls gewist en daarna bit voor bit opnieuw geprogrammeerd kunnen worden (normale EPROMs kunnen alleen worden gewist met ultraviolet licht). Flitsgeheugens zullen in de toekomst de taak van de harddisk - het huidige interne geheugen van de computer - kunnen overnemen. Dat scheelt aardig in gewicht en in stroomverbruik. Niet eerder dan in 1995 zijn flitsgeheugens naar alle waarschijnlijkheid goedkoper dan magnetische harddisks.

Toch zijn het niet de harddisks, maar de LCD-schermen die in computers de meeste stroom verbruiken. Fabrikanten proberen de spanning van deze schermen terug te dringen van de huidige 5 volt tot 3,3 volt. Processoren met een spanning van 3,3 volt bestaan al of zijn in ontwikkeling, zoals toekomstige versies van Intel's Pentium-chip (meer dan 3 miljoen transistoren).

Het ideaal is overigens de 2,5 volt techniek. De Amerikaanse organisatie Jedec (waarin o.a. Digital, Hewlett-Packard, Apple, Intel, Nec en Hitachi vertegenwoordigd zijn) wil de specificaties voor deze chipvoeding binnen een jaar rond hebben.

Toch blijft met deze handgrepen de netto-energiewinst zeer gering, zegt technicus Mark J. Schimpf van AER Energy. "Als je de 2,5 volt techniek en de flitschip-techniek zou combineren, kun je misschien drie kwartier langer op je PC werken. Voeg je er een kleurenscherm aan toe, dan ben je die winst weer kwijt.' En dus dienen er krachtiger batterijen te worden ontwikkeld. AER Energy heeft veel vertrouwen in haar technologie. Het marktanalysebureau Moore & Symons uit Atlanta schat de markt voor zinklucht-batterijen op 800 miljoen dollar in 1994.

Oplaadbare batterijen

Nikkel-cadmium nikkel-metaallithium-ion lithium-polymeer zink-lucht

Energie in watturen per kilogram 33-50 56-60 78-115 205 130-200 Voltage 1,2 1,2 3,6 2,5/3,65 1,2 Kosten per wattuur (dollar) 0,67-0,81 1,03-1,47 1,34-1,62 0,08-1,50 60-80