Wildgroei aan knoopcelbatterijen: noodzaak of slecht ontwerp?

Knoopcelbatterijen zijn veel gebruikte bronnen van primaire (niet-oplaadbare) basisenergie voor veel sterk draagbare elektronische producten en externe monitoringapparaten voor het Industrial Internet of Things (IIoT). Met de snelle toename van ultrazuinige ontwerpen kunnen deze batterijen maanden- en zelfs jarenlang energie leveren en dat is fantastisch. Maar wacht maar tot je er één moet vervangen; dat is het moment waarop de "lol" (vertaling: problemen en frustraties) soms begint.

Hoe komt dat? Als je geluk hebt, is de batterij die je nodig hebt een standaard, eenvoudig verkrijgbaar exemplaar. Hoewel dat vaak het geval is, is het niet altijd de realiteit. Er zijn honderden formaten knoopcelbatterijen (combinaties van diameter en dikte) die verschillende basischemieën (zoals zilveroxide of lithium), nominale spanningen en milliampère-uur (mAh)-capaciteitswaarden hebben. De afmetingen van sommige modellen verschillen maar een fractie van een millimeter, maar alleen al daardoor passen ze niet precies of is hun werking niet betrouwbaar.

In een ideale wereld zou de ontwerpingenieur vroeg in de ontwerpfase een bepaalde hoeveelheid ruimte toewijzen aan de batterij, een vrij algemeen model nemen met de juiste spannings- en capaciteitswaarden, ervoor zorgen dat het uiteindelijke model de vereiste fysieke ruimte heeft en zich aan het energiebudget houden naarmate het ontwerp vordert. Maar ontwerpen is de kunst van het transformeren van doelen in werkelijkheid terwijl er afwegingen en compromissen worden gemaakt en er soms onverwachte ontwerp-"dingen" optreden waardoor het originele plan moet worden gewijzigd, ook al was het te goeder trouw gemaakt.

Al enkele jaren geleden sprak ik met de ontwerper van een consumentenproduct dat ik bezat en dat op een moeilijk vindbare knoopcelbatterij werkte. Ik vroeg hem recht voor z'n raap: "Waarom heb je dat gedaan?" Zijn antwoord was eenvoudig (ik parafraseer hem hier natuurlijk): "Toen we in de buurt van de uiteindelijke vormfactor van het ontwerp kwamen, realiseerden we dat we niet voldoende ruimte hadden overgelaten voor de batterij die we aanvankelijk wilden gebruiken. De eenvoudigste oplossing daarvoor was een batterij vinden met de juiste spannings-/vermogensspecificaties die een beetje kleiner was." Hij voegde toe dat het een speciale bestelling was met een langere levertijd op hun materialenlijst, maar dat het niet uitmaakte, omdat ze toch de uiteindelijke machinebewerkingen nog moesten uitvoeren. Kort gezegd: de kopers van dit product bleven buiten beeld toen de beslissing werd gemaakt, sorry.

De batterijnummers controleren

Soms heeft het batterijnummer meerdere kruisverwijzingen, wat de uitdaging van de vervanging nog gecompliceerder maakt. Sommige van die kruisverwijzingen zijn juist, terwijl andere er dichtbij liggen en alleen afwijken in chemie of mAh-vermogen maar toch werken - al is het maar even.

Toch is het niet altijd genoeg om de naam en het nummer van de batterij te kennen. Ik heb een klein gratis reclamesleutelhangerlampje waar een nieuwe batterij in moest (Afbeelding 1). Natuurlijk is het hele ding waarschijnlijk het vervangen van de batterij niet waard (maar omdat het gratis is, mag ik niet klagen). Maar toch voelde ik me als ingenieur verplicht om in ieder geval te bekijken of er een vervanging beschikbaar was en hoeveel die zou kosten.

Afbeelding 1: Deze gratis led-sleutelhanger maakte het me volkomen duidelijk dat ongebruikelijke knoopcelbatterijen een grote uitdaging kunnen zijn als ze vervangen moeten worden. (Bron afbeelding: Bill Schweber)

Ik dacht dat het makkelijk zou zijn, omdat de batterij duidelijk op de behuizing was afgedrukt met een merknaam (Lumatec), een modelnummer (AR18) en een spanningswaarde (4,5 volt) (Afbeelding 2). Wat attent. Als voorbeeld van extreme kostenbesparing is er één led gewoon met de batterij verbonden met plakband, wat je kunt beschouwen als een briljant minimalistisch ontwerp of als totaal slecht uitgevoerde techniek - maar misschien is het wel allebei tegelijk.

Afbeelding 2: Bij een betere inspectie kwam het goede nieuws aan het licht: de batterij heeft een merknaam, modelnummer en zelfs nominale spanning die duidelijk staan aangegeven; let op het plakband waarmee de led op de batterij is bevestigd. (Bron afbeelding: Bill Schweber)

Ik zocht online, maar kon deze merknaam en dit batterijnummer niet vinden, dus ging ik een stap verder: ik nam de maten van de batterij op (Afbeelding 3) en ontdekte dat de doorsnede 23 mm was, plus een randje dat de totale doorsnede op 25 mm bracht, met een dikte van 6,5 mm. Toen zocht ik zonder succes op diverse websites van knoopcelbatterijverkopers naar een batterij van 4,5 volt met die afmetingen. Uiteindelijk besefte ik dat ik genoeg tijd had verspild en het moest laten voor wat het was, voordat het een obsessie werd.

Afbeelding 3: Ik bracht mijn zoektocht een stap verder door de verschillende afmetingen van de batterij op te meten, als logische eerste stap in mijn online zoektocht naar een vervanging. (Bron afbeelding: Bill Schweber)

Mijn ervaring is dat er vijf tot tien knoopcelbatterijen worden gebruikt in het grootste deel van de apparaten die ik heb gebruikt en waarvoor je extra's kunt kopen in plaatselijke winkels. Ze zijn ook eenvoudig verkrijgbaar via distributeurs van de oorspronkelijke apparatuur.

Eén van mijn persoonlijke favorieten is de CR2032 van Panasonic. Deze lithium-mangaandioxide knoopcelbatterij van 3 volt, 225 mAh, 20,0 mm (Afbeelding 4) wordt zo veel gebruikt dat DigiKey er bijna drie miljoen van op voorraad heeft.

Afbeelding 4: De Panasonic CR2032 knoopcelbatterij (links) wordt vaak gebruikt en is ook overal verkrijgbaar. De afmetingen maken hem beschikt voor veel toepassingen (rechts) en hij heeft ook een aanzienlijke nominale capaciteit van 225 mAh. (Bron afbeelding: Panasonic)

Nog een batterij die ik graag zie, is de 357-303VZ van Energizer Battery Company; een zilveroxidebatterij van 11,6 mm met 1,55 volt, 150 mAh. Ik heb een paar van die batterijtypes en nog wat andere in mijn persoonlijke voorraad, zodat ik niet bij nacht en ontij en door weer en wind naar de winkel hoef als ik er een nodig heb. Aangezien ze vijf jaar of langer meegaan, is dat een redelijke voorraadpositie.

Mijn dringende verzoek aan ontwerpers is eenvoudig: houd je alsjeblieft aan de toonaangevende knoopcelbatterijmodellen, tenzij je echt een zeer goede reden hebt om daarvan af te wijken. Je doet jezelf een plezier, je leveringsketen wordt makkelijker en je eindklanten zijn blij. En net zo belangrijk: ze worden niet boos op ingenieurs in het algemeen omdat die zonder aanwijsbare reden iets doen waar ze last van hebben en dat hun leven moeilijker maakt.