Hoe laden we onze apparatuur in de nabije toekomst op?
Zonder elektriciteit geen technologie. De ontdekking van elektriciteit en de uitvindingen die ons in staat stelden het te gebruiken, hebben ertoe geleid dat we met krachtige computers in onze broekzak rondlopen en volledig elektrische auto’s de weg op kunnen sturen. Opladen is daarbij een handeling waar we amper meer bij nadenken. Toch is het interessant om te weten hoe het precies werkt en wat we de komende jaren nog kunnen verwachten op dit gebied.
Elektriciteit is niet meer weg te denken uit ons leven. Over iets opladen denken we bijna niet meer na, het hoort erbij. Maar hoe ziet de toekomst van opladen eruit? We bespreken het in dit artikel voor:
- smartphones
- auto's
- snelladen
- draadloos opladen
Lees ook: Met deze tips laad je je smartphone veilig en efficiënt op
Tweehonderd jaar geleden zag de voorloper van de elektromotor het levenslicht, een apparaat uit de koker van Michael Faraday. Voor het eerst waren we voor het opwekken van elektriciteit niet meer afhankelijk van statische lading of bliksem, maar konden we zelf stroom opwekken. Met de komst van de dynamo, een paar jaar later, werd dat nog een tikkeltje makkelijker.
Als er één ontwikkeling is die in de laatste twee eeuwen een vlucht heeft genomen, is het wel die rond elektriciteit. Faradays simpele elektromotor is vervangen door enorme energie-installaties, windmolenparken en kernreactoren. We willen stroom in het vliegtuig, in de tuin en onderweg. Maar hoe werkt het? Waarom gaat je telefoon nog steeds maar anderhalve dag mee, aanmerkelijk korter dan de eerste mobiele telefoons? En gaat dat in de nabije toekomst nog veranderen?
Wat is elektriciteit?
Laten we bij het begin beginnen. Alles om ons heen bestaat uit deeltjes. Twee van die deeltjes, het proton en het elektron, hebben van nature een verschillende lading: het proton is positief geladen, het elektron negatief. Als die deeltjes zich op verschillende objecten bevinden ontstaat er een kracht tussen die objecten: ze trekken elkaar aan, of stoten elkaar af.
Leggen we echter een (geleidende) kabel tussen die twee geladen objecten, dan zorgt het verschil in lading ervoor dat er een stroom gaat lopen, tot de twee objecten weer in evenwicht zijn. Je kunt het vergelijken met twee bekers, een lege en een gevuld met water, die je aan de onderkant met een slangetje aan elkaar bevestigt. Zet de slang open, en het water stroomt net zo lang van de volle naar de lege beker tot er geen verschil in volume meer is. De beweging van elektrisch geladen deeltjes noemen we om die reden stroom.
Elektriciteit in huis
Interessant, maar hoe werkt dat bij jou thuis? Een huis is via een kabel aangesloten op een elektriciteitsnetwerk. Aan de andere kant van de kabel, bij de leverancier van de elektriciteit, wordt een verschil in spanning gecreëerd, die in stand wordt gehouden tot en met het stopcontact bij jou in de muur.
In de vergelijking uit de vorige paragraaf: de beker wordt gevuld, maar de sluis in de slang wordt nog niet opengezet. Dat gebeurt pas als jij een stekker in het stopcontact steekt of als er een elektrisch apparaat wordt aangezet. Het apparaat maakt verbinding tussen de twee aansluitingen van het stopcontact en de deeltjes beginnen te stromen, zodat het apparaat kan werken.
©Olga Yastremska, New Africa, Africa Studio
Batterijen
Een batterij is eigenlijk een mini-versie van een elektriciteitscentrale. Binnen in de batterij zitten chemische stoffen. Die stoffen ondergaan bij gebruik van de batterij een chemische reactie, waardoor er aan de minpool elektronen worden vrijgemaakt en er aan de pluspool elektronen worden gebonden. Op die manier ontstaat er spanning in de batterij die elektrische apparaten kan aandrijven. Er zijn verschillende soorten batterijen met verschillende soorten spanning, die elk hun eigen toepassing hebben.
Een oplaadbare batterij, ook wel accu genoemd, werkt hetzelfde, maar met de toevoeging dat het proces kan worden omgekeerd: als de batterij in een oplader wordt gestopt, keren de chemische processen om en wordt er een spanningsverschil opgebouwd. Afhankelijk van het chemische proces dat wordt gebruikt en de kwaliteit van de batterij, kan dit proces zomaar duizenden keren worden herhaald zonder al te veel verlies van opslagcapaciteit.
Ruspje nooitgenoeg?
Met een powerbank heb je een heleboel stroom binnen handbereik
Smartphones
De mobiele telefoon die je rond de eeuwwisseling in je broekzak had zitten, kreeg zijn energie uit een zogenaamde nikkel-cadmiumbatterij (NiCd). Dat was voor die tijd en prima oplossing. NiCd-accu’s hebben weliswaar een lage capaciteit, maar dat was niet zo erg: de telefoons uit die tijd hadden nog geen zware processors, grafische kaarten en 4K-schermen om van energie te voorzien. Ja, het duurde even voor hij was opgeladen, maar als je eenmaal vier streepjes had, kon je er zo een week of twee mee door.
Hoe groter en krachtiger onze smartphones werden, des te meer behoefte er kwam aan een stevigere accu. Die werd gevonden in de lithium-ion-batterij, ook wel Li-ion genoemd. Li-ion heeft als voordeel dat er veel meer spanning kan worden opgewekt, en bovendien kan die spanning veel sneller worden gegenereerd via een oplader. Daardoor laadt je telefoon dus veel sneller op dan je oude Nokia deed. Het is dus niet dat je accu minder goed is geworden; je telefoon is tegenwoordig gewoon een stuk krachtiger dan vroeger, waardoor de batterij sneller wordt leeggetrokken.
©ET.
Ontladen Het is een bekend fabeltje: eerst helemaal je telefoon ontladen voor je hem weer in de oplader stopt. Zoals bij veel goede fabels zit ook hier een kern van waarheid in. Oude NiCd-accu’s hebben inderdaad een soort geheugen, waardoor lading die in het apparaat blijft zitten zich als het ware ophoopt. Hoe vaker je dat doet, des te minder capaciteit er overblijft voor je nieuwe lading. Goede batterijopladers uit die tijd trekken de batterij bewust eerst helemaal leeg voor ze aan een nieuwe laadcyclus beginnen.
Li-ion-accu’s hebben dat probleem niet: ze hebben geen geheugen, en er hoopt zich dus niets op. Sterker nog, door de structuur van een Li-ion-batterij is het zelfs niet verstandig om ‘m helemaal leeg te maken. Vaak wordt aangeraden de accu tot zo’n 20 procent te laten leeglopen, en ‘m daarna weer tot zo’n 80 procent op te laten, om het meeste rendement uit de accu te halen. Tegenwoordig zitten er overigens softwarematige handigheidjes in accu’s die ervoor zorgen dat de accu nooit te vol of te leeg raakt.
©Steve Heap
Usb-c
Los van de capaciteit, techniek en kwaliteit van de accu is ook de aansluiting waarmee wordt opgeladen van groot belang. Het stopcontact is daarbij nooit het probleem: dat is krachtig genoeg om een wasmachine van stroom te voorzien, dus een smartphone gaat voorlopig ook wel lukken. De aansluiting op het apparaat zelf is een ander verhaal. Tot een aantal jaar geleden was micro-usb nog de gouden standaard (Apple-smartphones hadden een eigen oplaadsysteem).
Tegenwoordig is usb-c verreweg de beste keuze. Usb-c kan tot wel tien keer zoveel stroom genereren als micro-usb – ideaal dus voor de grotere accu’s die we tegenwoordig gebruiken. Het is niet voor niets dat usb-c vanaf eind 2024 verplicht wordt op alle mobiele apparaten die in de EU worden verkocht. Dat heeft als extra voordeel dat je niet voor ieder apparaat een andere stekker nodig hebt, dus de belasting van het milieu wordt ook een beetje kleiner. Zelfs de komende generatie iPhones wordt uitgerust met usb-c als oplaadstandaard.
Snelladen
Alsof usb-c nog niet snel genoeg was, hebben veel duurdere telefoons tegenwoordig een snellaadfunctie. Snelladen is uitermate geschikt om in weinig tijd een flink deel van je accu te vullen, al is het effect beperkt als je batterij voor meer dan de helft vol zit. Dat komt door de extra beveiliging die bij het snelladen is ingebouwd. De eerste helft van het oplaadproces gaat razendsnel, maar oververhitting en overlading te voorkomen, wordt de snelheid van het opladen na verloop van tijd teruggeschroefd. Snelladen is daarom het effectiefst bij een vrijwel lege batterij: binnen een kwartiertje zit je weer op de helft van je accucapaciteit. Het tweede deel gaat dus veel langzamer om je accu te beschermen.
©Paulus N. Rusyanto
Lees ook: Zo kun je zien of je USB-kabel snelladen ondersteunt
Adapters
De oplader die je vroeger vaak standaard bij je telefoon geleverd kreeg (tegenwoordig gebeurt dat steeds minder), bestaat uit een kabel, al dan niet usb-c, en het bekende blokje. Dat blokje is een adapter die de netspanning van 230 volt omzet naar de gewenste laadspanning.
Op de oplader staat aangegeven hoeveel volt en hoeveel ampère er geleverd kan worden. Voor een gemiddelde usb-adapter is dat bijvoorbeeld 5 volt en 1,0 ampère. Netspanning komt doorgaans met 230 volt en 16 ampère uit de muur, dus de adapter gebruikt maar een fractie. Dat is prima, want een smartphone-accu heeft helemaal niet zoveel nodig. Als onze accu’s in de komende jaren nog groter worden en nog meer energie kunnen opslaan, zal het vermogen van adapters ook omhooggaan om dezelfde snelheden te behouden.
Een gloednieuwe smartphone zal met een oude adapter toch relatief langzaam opladen. Andersom is het zo dat een oudere telefoon best met een nieuwe adapter kan worden opgeladen, al zit je wel vast aan de laadsnelheden die de telefoon aankan, hoe groot de adapter ook is.
©Olga Yastremska, New Africa, Africa Studio
Lees ook: Openbaar oplaadpunt? Pas op, je smartphone kan gehackt worden!
Powerbanks Een powerbank is eigenlijk niets meer dan een externe accu. Een powerbank wordt op precies dezelfde manier opgeladen en ontladen als je telefoon. De capaciteit van powerbanks (en ook van accu’s) wordt doorgaans aangegeven in mAh, oftewel milliampère-uur. Populaire powerbanks hebben een gemiddelde capaciteit van zo’n 20.000 mAh. Omdat de accu in je telefoon meestal zo’n 5000 mAh kan bevatten, kun je je telefoon zo’n vier keer opladen met een volle powerbank. Op die manier kun je in veel gevallen wel een week vooruit voor je weer een stopcontact nodig hebt.
Draadloos opladen
Toegegeven, écht draadloos opladen bestaat niet. Je hebt nog steeds een apparaat nodig dat je in het stopcontact steekt. Om uit te leggen hoe draadloos opladen precies werkt, gaan we terug naar de elektromotor van Faraday. Faraday wist al dat een magnetisch veld rond een spoel een elektrische stroom genereerde, maar hij wist ook dat dat andersom net zo het geval was: een elektrische stroom door een spoel genereert een magnetisch veld rond die spoel. Dat is precies wat er gebeurt in de elektrische oplader: de stroom uit het stopcontact wordt door de spoel gestuurd, en een magnetisch veld ontwikkelt zich rond de lader.
Je telefoon, of een ander apparaat dat draadloos kan worden opgeladen (denk aan de elektrische tandenborstel, een van de eerste toepassingen), heeft ook een spoel aan boord. Breng je die spoel bij het magnetische veld in de buurt, dan begint er in de spoel van je telefoon een stroom te lopen die de accu oplaadt. Beide toepassingen van Faradays uitvinding zorgen er dus tegelijkertijd voor dat je je apparaten tegenwoordig draadloos kunt opladen, al moet die techniek natuurlijk wel in je telefoon zijn ingebouwd.
De toekomst
Dat de technologie van het opladen in een stroomversnelling zit, komt mede doordat verschillende branches baat hebben bij snelladende accu’s met hoge capaciteit. Niet alleen voor je smartphone is het fijn, maar fabrikanten van elektrische auto’s en fietsen kampen al sinds het eerste uur met klachten over traag opladen en een lage actieradius. Ruimtevaartbedrijven doen er alles aan om hun accu’s zo efficiënt mogelijk te maken. Nieuwe ontwikkelingen hoeven dus niet alleen van Apple en Samsung te komen, en dat komt de snelheid van de processen ten goede.
Wat we zeker weten, is dat zowel de makers van apparaten als die van hun opladers met elkaar in de pas moeten blijven lopen. Je kunt nog zo’n snelle oplader hebben, als je telefoon die snelheid niet aankan, heb je er niets aan, en andersom is dat ook het geval. Het lijkt echter een kwestie van tijd voor we laadvermogens van ver boven de 100 watt gaan aantikken, waardoor je smartphone-accu met de huidige capaciteit in amper een kwartier volledig kan worden opgeladen. Wat we natuurlijk het liefst zouden zien, is dat je telefoon niet meer elke avond in de lader hoeft, maar daar zullen we nog wel een paar jaar op moeten wachten.
