Apple wil iPhone-batterijen gaan stapelen, maar er zijn veel meer innovaties mogelijk

Ontwikkeling van de batterij

Als het om smartphonebatterijen gaat, hebben de meeste gebruikers twee belangrijke wensen: hij moet lang meegaan en niet te snel slijtage gaan vertonen. Daarnaast moet een batterij veilig zijn, zodat hij geen vlam vat of een schroeiplek in je broekzak veroorzaakt. De verbeteringen gaan echter langzaam. Dat komt enerzijds omdat Apple te maken heeft met een chemisch proces, waardoor slijtage onvermijdelijk is en de capaciteit niet oneindig kan toenemen. maar het komt ook omdat innovaties een lange weg afleggen voordat ze vanuit het onderzoekslab hun weg vinden naar de consument. Terwijl camera’s en schermtechnologie in de loop van de jaren steeds beter zijn geworden, zijn er bij de batterij maar muizenstapjes gerealiseerd. Apple werkt wel degelijk aan verbeteringen, maar er is meer mogelijk.

Gestapelde batterijen in de iPhone 16

Een verbetering die Apple bij de iPhone 16 zou willen doorvoeren is gebruik te maken van zogenaamde ‘stacked batteries’ (kijk hier voor meer uitleg). Dit zorgt voor een langere levensduur en een hogere energiedichtheid. Volgens X/Twitter-gebruiker RGcloudS maakt Samsung al gebruik van deze batterijtechnologie in de Galaxy S24+ en S24 Ultra. Bij gestapelde batterijcellen worden de elementen en scheidingswanden gevouwen in een zigzagpatroon in plaats van een rolletje. De ruimte kan daardoor beter worden gebruikt, waardoor de capaciteit hoger is. De hitte wordt ook beter verspreid door de cel, in plaats van in een enkel gebied. Dit is gunstig voor de levensduur en beperkt de slijtage.

Aanvankelijk meldde RGcloudS dat Apple al in de iPhone 15 gestapelde batterijen wilde toepassen, maar denkt nu dat het pas in de iPhone 16 zal worden gebruikt. Daarnaast zou er bij deze modellen sprake zijn van opladen op 40 Watt via de kabel en 20 Watt via MagSafe.

Links de gebruikelijke manier (‘winding’), rechts de nieuwere manier (‘stacking’) van batterijcomponenten.

Wat is stacking?

Het woord ‘stack’ verwijst naar hoe de elementen in een batterijcel zijn gerangschikt. Bij een normale batterijcel zijn de positieve en negatieve elektrodes opgerold in een ronde vorm of pilvorm. Bij een gestapelde batterij zijn de elektroden opgerold in lagen. Dit kunnen losse ‘plakjes’ zijn of zigzag gelegde lagen, zoals op de afbeelding hierboven is te zien. Op die manier kan de capaciteit toenemen, zonder dat de vorm van de batterij hoeft te veranderen.

Sommige elektrische auto’s maken al gebruik van ‘stacked batteries’ omdat ze een hogere output geven en sneller herladen kunnen worden. Ook is de energiedichtheid beter. Daarnaast wordt de technologie gebruikt in medische apparaten, de lucht- en ruimtevaart.

Waarom denkt Apple na over een nieuw batterijdesign?

Lithium-ion batterijen worden al gebruikt sinds de eerste iPhone uit 2007. Er zijn gaandeweg kleine verbeteringen geweest, maar het onderliggende design bleef hetzelfde. Nu Apple aan nieuwe apparaten zoals de Vision Pro-headset werkt, is het logisch dat er ook naar vernieuwingen van de batterij wordt gekeken. Een van de grootste kritiekpunten is namelijk dat je een extern batterijpakket nodig hebt, omdat de headset anders te zwaar zou aanvoelen op je hoofd. Daarnaast zou Apple al jaren werken aan een zelfrijdende auto en juist in die bedrijfstak wordt er naarstig gezocht naar innovaties op het gebied van batterijtechnologie.

Vroeger: Ni-Cd en NiMH

De mobiele telefoonbatterij heeft in de loop van de jaren een evolutie doorgemaakt. In 1983 kwam de Motorola’s DynaTac 8000X uit met een Ni-Cd-batterij met een bescheiden capaciteit van 500mAh. Ze waren snel op te laden, leveren een hoge piekstroom en hebben een hoge energiedichtheid. Ze hebben echter ook last van het geheugeneffect, waarbij de capaciteit achteruit gaat bij verkeerd gebruik.

In de jaren ’90 werden deze vervangen door Nikkel-metaalhydride (NiMH) batterijen, die een verbeterde energiedichtheid hadden. Nadeel was dat ze veel onderhoud vergden: de batterij vereiste een regelmatige volledige ontlading om kristalvorming te voorkomen.

Tussen 1998 en 2000 werden NiMH-batterijen vervangen door Lithium-ionbatterijen, die een aanzienlijk hogere energiedichtheid hadden en immuun waren voor het geheugeneffect. Deze zijn nu de meest voorkomende batterijen in mobiele telefoons. Een probleem bij Lithium-ion-batterijen is dat er geen spectaculaire verbeteringen meer mogelijk zijn en dat er schaarse materialen nodig zijn om ze te produceren, namelijk cobalt en lithium. Fabrikanten kijken daarom naar andere opties, zoals solid state-batterijen (gemaakt van keramiek en andere niet-vloeibare materialen) en sodium-ion-batterijen (goedkoper om te produceren door gebruik van minder schaarse materialen).

Maar zelfs bij Lithium-ion-batterijen zijn wel verbeteringen mogelijk. Zo zou voor de kathode gebruik kunnen worden gemaakt van het goedkopere materiaal lithium-ijzerfosfaat (LFP) en zou de anode kunnen worden gemaakt van siliconen in plaats van grafiet/koolstof. Dankzij siliconen kan de energiedichtheid omhoog en kan sneller worden opgeladen. Er wordt al jaren onderzoek gedaan naar siliconen anodes, maar er is nog één nadeel: de levensduur valt tegen. Bij al die verbeteringen moet ook nog worden gezorgd dat de batterij nog steeds veilig is en er niet te veel warmteontwikkeling optreedt, waardoor hij zou kunnen ontbranden of ontploffen.

Toen lithium-batterijen in 1980 werden geïntroduceerd, werden ze regelmatig van de markt gehaald omdat ze nog regelmatig vlam wisten te vatten. Tegenwoordig is dat bijna nooit meer het geval – en dat willen we graag zo houden.

Toekomstige batterijen: solid state, grafeen en thin film

Elk jaar worden er meer batterijen gebruikt, vooral door de opkomst van elektrische auto’s. In sommige landen en regio’s zal het over een paar jaar helemaal niet meer zijn toegestaan om een benzineauto te kopen. Huidige elektrische auto’s zijn nog veelal voorzien van Lithium-ion-batterijen, maar ook hier wordt gekeken naar nieuwe mogelijkheden.

Solid-state batterijen zijn veelbelovend. Bedrijven zoals Toyota, Samsung en BMW zijn betrokken bij de ontwikkeling van deze batterijen. Bij een solid state batterij is geen vloeistof meer aanwezig. De productie van een solid state-batterij is echter complex en kostbaar. Ook presteren ze minder goed bij lage temperaturen en hebben de lithium-metaal-anodes de neiging om uit te zetten tijdens het opladen. Tijdens het ontladen krimpt het materiaal weer. Dit is in de (ruime) accuruimte van een auto nog wel op te vangen, maar bij een klein apparaat zoals een iPhone is een batterij die van vorm verandert niet zo handig.

Een andere innovatieve technologie is op basis van grafeen. Grafeen is extreem sterk, flexibel, transparant en een uitstekende geleider van warmte en elektriciteit, waardoor het een geschikt materiaal is voor zowel mobiele telefoonbatterijen als supercondensatoren. Huawei, Samsung en het door de EU gefinancierde project Graphene Flagship werken aan de ontwikkeling hiervan.

Hydrogeenbrandstofcellen zijn een andere mogelijke oplossing. Ze werken met waterstof en zuurstof en zijn daardoor milieuvriendelijk. Het Britse bedrijf Intelligent Energy heeft een brandstofcel ontwikkeld die een iPhone een week lang kan voeden zonder tussentijds op te laden.

Gaat het vooral om kosten, dan zijn natrium-ionbatterijen een goedkoop alternatief voor conventionele lithium-ionbatterijen. Ze maken gebruik van natriumionen en hebben een hogere energiedichtheid in vergelijking met de vroegere NiMH-batterijen. Bedrijven als Faradion, Tiamat, Altris AB, HiNa en Natron Energy werken aan de ontwikkeling van deze batterijen.

Ook zijn er thin film-batterijen ontwikkeld met een levensduur van maximaal 68 jaar, die in slechts acht minuten kunnen worden opgeladen. Deze technologie is ontwikkeld door Poolse wetenschappers en is veelbelovend.

Samenvattend: er zijn voldoende veelbelovende batterijtechnologieën in ontwikkeling, waarmee Apple aan de slag zou kunnen gaan. Apple kan de huidige Lithium-ion-batterijen voorzien van nieuwere componenten of zou met een compleet nieuw alternatief aan de slag gaan. Er is alleen wat ‘courage’ voor nodig. Wij kunnen niet wachten!