Waarom je batterij (hard) zuigt

Als je zou willen dat je geweldige nieuwe smartphone langer dan een dag meegaat op de accu, zul je iets anders moeten bedenken dan een lithium ion batterij.

Voorheen was het zo dat je de lader van je telefoon gerust thuis kon laten liggen, een weekend op vakantie kon gaan - er vanuit gaande dat je niet uren Snake ging spelen - en weer thuisgekomen ruim voldoende batterijcapaciteit over had om een pizza te bestellen. Die tijden zijn voorbij.

We zijn tegenwoordig getrouwd met onze adapters en proberen medereizigers, die hun telefoon te lang in een stopcontact in een café op het vliegveld laten zitten, weg te kijken. Met de komst van 4G-netwerken wordt dit probleem alleen maar groter. 4G-toestellen kennen vooralsnog een dramatische accuduur. De energiebehoefte van technologie in mobiele apparaten groeit twee keer zo hard als de mate waarin batterijen meer capaciteit toegevoegd krijgen, meldt een woordvoerder van mobiele operator Verizon.

Het probleem ligt in de chemische structuur van batterijen, het systeem waarmee onderzoek en ontwikkeling voor mobiele technologie gefinancierd wordt en de toenemende eisen die consumenten aan hun telefoons en tablets stellen.

Batterijtechnologie en smartphonetechnologie zitten in twee totaal verschillende fasen. “Batterijtechnologie wordt al een eeuw onderzocht en zit veel verder in de ontwikkelingscurve. Dit houdt in dat verbeteringen in de technologie lang niet zo snel meer gaan als die in jongere technologie als smartphones”, zegt Keith Nowak van tablet- en smartphonefabrikant HTC.

Afgezien van wat kleine verbeteringen in de efficiëntie van vaste elektrolyten, is er afgelopen 15 jaar opvallend weinig veranderd in draagbare lithium ion batterijen. Bijna alle batterijen die tegenwoordig in tablets en smartphones gebruikt worden, lopen op een bepaalde variant lithium ion polymer, die vanaf 1996 commercieel werd gefabriceerd. Voorheen liepen mobiele telefoons op vloeibare elektrolyten, die als instabiel te boek stonden.

Batterijonderzoek richt zich vandaag de dag op het uitbreiden van de capaciteit van lithium ion batterijen. Dit wordt gedaan door optimalisatie van het laadproces. “Veel chemische reacties kunnen een eigen leven gaan leiden en batterijwetenschappers proberen dat proces te controleren”, zegt Irving Echavarria van batterijproducent Gold Peak Industries. Echavarria schat dat ongeveer 80 procent van de processen die binnen een batterij plaatsvinden gecontroleerd kan worden. Hoe kleiner het bereik waarin afwijkende chemische reacties kunnen gebeuren, hoe efficiënter de batterij een apparaat van stroom kan voorzien. Batterijfabrikanten komen steeds dichter bij die grens van 80 procent in de buurt.

Maar de verbeteringen in efficiëntie, die stapje voor stapje gedaan worden, vallen in het niet vergeleken met de toenemende energiebehoefte van mobiele appraaten. Gefrustreerd door de chemische en fysieke beperkingen van accu’s, proberen onwtikkelaars actief materiaal aan de batterij toe te voegen (een techniek die ook aan zijn grenzen zit) of stappen ze over van lithium ion naar een alternatief materiaal – vaak nog niet geheel onderzocht en getest.

Venkat Srinivasan, battterijonderzoeker bij Lawrence Berkely National Laboratory, zegt dat de de wetten die gelden voor evolutie in batterijen anders zijn dan die voor evolutie in smartphones. Dit maakt dat batterijen achter de meute blijven aanhobbelen totdat er een Eureka-moment ontstaat met nieuw materiaal.

Er zijn kleine signalen te ontwaren die wat kunnen betekenen voor accuduur. De vraag blijft hoe lang het duurt voordat nieuwe technologie beschikbaar komt en of die technologie in de gehele mobiele wereld toepasbaar is.

In vele laboratoria gaat het onderzoek naar lithium ion verder. Amerikaanse universiteiten publiceren intussen paper na paper over het gebruik van grafeen, het flinterdunne grafiet dat in theorie energie kan opslaan en doorgeven. (Het gebruik ervan in consumententelefoons is een heel ander verhaal.) Overheden investeren nauwelijks in onderzoek naar consumentenbatterijen, terwijl ze dat wel doen voor batterijen militaire toepassingen en elektrische auto’s.

Het ontwerp van een mobiel apparaat richt zich niet langer enkel op het optimaliseren van de prestaties, het design en de user interface; het draait erom die dingen te doen met zo min mogelijk energie. Op een bepaald moment komt er een omslag en zullen consumenten minder verlangen naar sneller dataverkeer en betere multitasking dan dat ze zouden willen dat hun telefoon langer dan één dag met een volle accu doet.

Displays van smartphones worden groter en kunnen hogere resoluties aan. Dat is leuk, maar het vraagt allebei enorm veel meer van de accu. Het kan helpen om de helderheid van je scherm te verlagen, maar het is ondenkbaar dat fabrikanten als Apple, HTC en Sony-Ericsson hun high-end toestellen met kleinere schermen zullen uitrusten. Gelukkig zijn fabrikanten als Samsung en LG bezig met nieuwe typen displays die net zo helder zijn als de schermen die op dit moment gebruikt worden, maar minder stroom verbruiken.

Een andere oorzaak van de dorst naar energie zijn de steeds complexer wordende apps, die steeds meer processorkracht vragen. De meeste smartphones bevatten Bluetooth, wifi en GPS, die in veel gevallen alle drie aan staan. Vooral de GPS-radio is een echte ‘batterijkiller’: Je kunt je batterijcapaciteit daadwerkelijk zien teruglopen wanneer je een navigatieapplicatie gebruikt. Nieuwe telefoons krijgen een chipset voor het complexere, dus energievretende 4G. Hierbij helpt het bepaald niet dat deze smartphones met zowel een chip voor 4G als 3G moeten worden uitgerust om compatibiliteit te behouden. Als je geluk hebt, kun je maximaal een dag met zo’n telefoon bellen en nog wat apps draaien. Niet voor niets staan chipfabrikanten zwaar onder druk om zuiniger mobiele chips voor smartphones en tablets beschikbaar te stellen.

James Bruce, bestuurder bij ARM, dat mobiele processors ontwerpt en daarvan licenties verkoopt, legt uit dat de telefoonhardware tegenwoordig veel efficiënter met energie omgaat dan enkele jaren terug, toen een telefoon met gemak nog een aantal dagen meeging. “Het verschil met toen is dat je toen je telefoon niet de hele dag gebruikte.”

De introductie van dualcore (ARM) processors in nieuwe toestellen biedt enige hoop. Volgens Bruce kunnen dualcore smartphones eenvoudige taken aan een enkele processorkern toewijzen, terwijl complexere (meer energiebelastende) taken aan twee of meer kernen worden toebedeeld. Bij eenvoudiger taken – zoals het versturen van een sms of gebruik van een app als de calculator - kan de andere core worden stilgezet, waardoor je op de batterij bespaart.

Het idee van het gebruik van meerdere cores om accuduur te sparen lijkt contraproductief, maar ARM is niet de enige fabrikant die met het idee aan de haal is gegaan.

Begin mei heeft het bedrijf Adepteva de “Epiphany Microprocessor” aangekondigd, die gericht is op gebruik in tablets en smartphones. Deze processor herbergt tot maximaal 64 kernen op één chip. Dit lijkt misschien het tegenovergestelde van een energiesparende maatregel, maar volgens Andreas Olofsson, CEO en oprichter van het bedrijf, werken huidige smartphones met een afgeslankte versie van hongerige desktopprocessoren. De Epiphany processor is geoptimaliseerd voor specifieke taken en werkt nauw samen met de CPU van de telefoon (die gebruikt wordt voor generieke gegevensverwerking). Adepteva belooft dat de processor “de kracht van een laptop naar de smartphone brengt”.

Smartphone apps zijn ongetwijfeld de grootste batterijkillers. Het energieverbruik van een app is een van de zaken die Apple onderzoekt voordat een app te koop kan worden aangeboden in de App Store. “Apple laat je de batterijcapaciteit niet leegzuigen; als je een game gebruikt zonder GPS, zullen ze de app weigeren als deze elke 10 seconden een GPS-signaal pingt”, vertelt iPhone-ontwikkelaar Cameron Vanga van 9magnets.

Hoewel de Android-market naar alle waarschijnlijkheid meer energiedorstige apps bevat, kiezen de meeste app-ontwikkelaars ervoor om geen functionaliteit te gebruiken die onnodig een beroep op de batterij zou doen. Ook zij weten dat ze daardoor mindere beoordelingen krijgen of gebruikers de app zelfs zullen verwijderen. “De meeste gebruikers kunnen goed inschatten wanneer een app de batterij doodmartelt”, merkt Vanga op.

De meeste smartphonebezitters vinden het prima om hun telefoon iedere avond/nacht aan een lader te koppelen, maar dat neemt niet weg dat batterijfabrikanten op korte termijn met een oplossing moet komen nu iedereen vaker dan ooit op computers op miniatuurformaat vertrouwt. Als de innovatie in batterijtechnologie niet snel op gang komt, zal de razendsnelle innovatie in mobiele technologie keihard op een muur van gebruiksgemak botsen.