Onderzoek in volle gang
De race naar het ideale batterijpakket is nog niet gelopen
Met de toename in het aantal elektrische auto’s en de nadelen die er kleven aan de meeste gebruikte accupakketten in die auto’s wordt er hard gewerkt aan veelbelovende nieuwe batterijtechnologieën. Onder meer de opkomst van de solid-state batterij is veelbelovend.
Professor Marnix Wagemaker, sectiehoofd Storage of Electrochemical Energy (SEE) aan de TU Delft, geeft aan dat er veel batterijtechnologieën met potentie zijn, maar dat positieve eigenschappen vaak gepaard gaan met negatieve karakteristieken. “Waar de batterijtechniek het wint op het ene onderdeel, verliest het op een ander terrein. Het zijn vaak communicerende vaten. Zo is er continu de afweging tussen energiedichtheid, vermogen, levensduur, gebruikte materialen en kosten.”
Goed beschouwd hebben batterijwetenschappers drie ‘knoppen’ om aan te draaien in de zoektocht naar de ideale batterij. “Je kunt bij een batterij iets doen aan de anode, de kathode of de elektrolyt. Daarom zijn er zoveel uitkomsten mogelijk. Het is lastig te zeggen welke mix het gaat winnen.”
Hoe werkt een batterij?
De meeste elektrische auto’s hebben momenteel een lithium-ion batterij. Deze heeft een ‘plus’ en een ‘min’. Die plus wordt ook wel de kathode genoemd en is meestal van een lithiummetaaloxide, zoals bijvoorbeeld lithiumkobaltoxide. Aan de overzijde van de batterij zit de anode: de min. Deze is doorgaans van grafiet gemaakt. Tussen de anode en kathode ‘zwemmen’ lithium-ionen heen en weer in de elektrolyt. Bij het ontladen bewegen ze van min naar plus en bij het opladen vice versa. Tijdens het heen en weer ‘zwemmen’ gebeurt er nog iets. Het elektron dat bij elk lithium-ion hoort, zwemt niet mee door de elektrolyt, maar gaat buitenom. Door die elektronen tijdens die ‘sluiproute’ op te vangen wekt een batterij elektriciteit op.
Hoge energiedichtheid en lange levensduur
Niet elke batterijtechniek is geschikt voor een elektrische auto. Zo moet de technologie voorzien in een hoge energiedichtheid, wat bepalend is voor het gewicht van de batterij en de actieradius, en een lange levensduur, voor veel laadcycli. De lithium-ion batterij is daar momenteel het beste in: je kunt deze batterij vaak opladen en ontladen zonder veel capaciteitsverlies, en de actieradius is voor de meeste consumenten voldoende. Nadeel is dat de batterij relatief groot en zwaar is.
Wagemaker: “De huidige typen elektroden in een lithium-ion batterij lopen na zo’n 25 jaar ontwikkeling tegen hun maximum aan wat betreft energiedichtheid.” Zo rond de 300 wattuur per kilo lijkt het maximale wat mogelijk is. Bovendien zijn er veel hoogwaardige materialen voor de productie van lithium-ion batterijen nodig; bijvoorbeeld kobalt, dat snel schaarser wordt. “Om uiteindelijk een duurzame cyclus te bereiken is het de uitdaging om met de toename van het gebruik van batterijen zo veel mogelijk grondstoffen terug te winnen uit afgedankte batterijen.”
Om een duurzame cyclus te bereiken is het de uitdaging om met de toename van het gebruik van batterijen zo veel mogelijk grondstoffen terug te winnen uit afgedankte batterijen
Marnix Wagemaker, TU Delft
De solid-state batterij
Een aantal nadelen van de huidige lithium-ion batterij, die vloeistof- of geloplossingen gebruikt als elektrolyt, verdwijnen met de solid-state batterij. Het risico op brand neemt sterk af en de energiedichtheid neemt toe. In theorie is het zelfs mogelijk om met een solid-state batterij in ongeveer tien minuten een elektrisch voertuig geheel op te laden. Deze accu (die ter vervanging komt van het bestaande batterijpakket) kan de rijafstand van een compact elektrisch voertuig verlengen, zonder dat dit ten koste gaat van de binnenruimte. Allemaal met minimale veiligheidsproblemen. Automerken als Volkswagen, Hyundai, BMW en Toyota zijn al een tijd bezig met de solid-state batterij. Volkswagen heeft bijvoorbeeld producent QuantumScape gekocht en Toyota werkt samen met Panasonic. De uitdaging bij deze batterijen ligt bij de stabiliteit van de vaste-stof-elektrolyten en het transport van Li-ionen. De onderzoeksgroep van Wagemaker ontdekte vorig jaar welke chemische reacties solid-state batterijen instabiel maken. Van een optimale levensduur is door die instabiliteit nu nog geen sprake, maar de recente inzichten geven onderzoekers goede hoop dat dit wel gaat lukken.
De lithium-sulfur-batterij
Een andere energiebron waar hard aan gewerkt wordt, is de lithium-sulfur batterij. In deze batterij is het lithiumkobaltoxide vervangen door lithiumzwavel. Met als voordelen: hoge energiedichtheid (met name de energie per volume-eenheid, bijvoorbeeld per liter), brede beschikbaarheid en een lage prijs.
Wagemaker: “Er kleeft wel een nadeel aan zwavel: doordat het lithium in de batterij in zwavel wordt opgeslagen lost de elektrode op in de elektrolyt, waardoor er maar weinig laadcycli mogelijk zijn.” Onderzoekers proberen daar op verschillende manieren een oplossing voor te vinden. “In theorie is het goed mogelijk, al is de praktijk weerbarstiger. Als het uiteindelijk lukt, is de lithium-sulfur batterij heel goedkoop wat betreft gebruikte materialen.”
Wagemaker zelf werkt aan een van de mogelijke oplossingen, namelijk het vervangen van een vloeibaar elektrolyt door een vaste-stof-elektrolyt, die ook is opgebouwd uit zwavel. De lithium-sulfur batterij kan in de praktijk meer dan 500 wattuur per kilo aan energie opslaan. Daarbij is de batterij ongeveer twee keer lichter dan een lithium-ion exemplaar. Zwavel is, als bijproduct van de raffinage van fossiele brandstoffen, bovendien niet schaars. De Europese alliantie ALISE is een van de partijen die bezig is met de ontwikkeling van de lithium-zwavel batterij.
Mg-ion, Na-ion en F-ion in plaats van Li-ion
Een andere optie is kiezen voor een alternatieve ladingdrager, zoals Mg-ion (magnesium) in plaats van Li-ion. Wagemaker: “De werking is vergelijkbaar met Li-ion en vaak zijn ook de elektrodematerialen vergelijkbaar. Nadeel is dat Mg-ionen over het algemeen lastiger door de elektroden en de elektrolyt bewegen. Ook zijn elektrolyten erg duur. Een belangrijk voordeel is dat Mg-metaal minder lastig werkend te krijgen is dan Li-metaal. Hogere energiedichtheden zijn mogelijk als we met name de juiste elektrodes en elektrolyten kunnen ontwikkelen. Het voordeel is dat de Mg-ion niet één, maar twee elektronen tegelijk meetrekt.”
Hoewel Marnix Wagemaker de Mg-ion batterijtechnologie veelbelovend vindt, zit de techniek nog in de onderzoeksfase, benadrukt hij. Ook zijn er naast Li-ion en Mg-ion batterijen nog meer opties. Zo bieden Na-ion (natrium) en F-ion (fluoride) batterijen in de toekomst interessante mogelijkheden in de combinatie prestaties en kosten. Vooral als de energiedichtheid niet heel hoog hoeft te zijn.
Wagemaker: “Kortom, er speelt veel, en er zijn ook heel veel mogelijkheden, maar de race naar het nieuwe, ideale batterijpakket is nog niet gelopen.”
Sustainable Development Goals
Voor het vierde jaar legt ARN zichzelf langs de meetlat van de Sustainable Development Goals (SDG’s) met in het achterhoofd het motto ‘lean and green’. De hiernaast afgebeelde, gekleurde SDG’s zijn specifiek van toepassing op de inhoud van deze pagina.
