Als de EV-revolutie wil slagen hebben we betere en andere batterijen nodig. Hoe ver staan we daarmee?

Toen lithium-ionbatterijen in de jaren negentig hun debuut maakten, waren ze revolutionair: ze laadden in een paar uur of minder op en maakten onze moderne computers en telefoons echt draagbaar. Maar drie decennia later is deze batterijtechnologie aan een grote upgrade toe, aangezien de harde realiteit van klimaatverandering betekent dat lithium-ionbatterijen niet alleen onze apparaten, maar ook onze auto’s van stroom moeten voorzien. En dat is een stuk moeilijker.

Lithium-ionbatterijen werden de ideale vorm van energieopslag omdat ze een extreem hoge energiedichtheid hebben, wat betekent dat ze veel energie kunnen opslaan in een relatief klein volume. Lithium zelf is het lichtste metaal in het periodiek systeem, wat lithium-ionbatterijen extra draagbaar maakt. Omdat de technologie is ingebouwd in elektrische voertuigen (EV’s), zijn deze batterijen echter tot het uiterste gedreven.

Ze kunnen maar zo vaak worden opgeladen en ontladen, en misschien hebben we de bovengrens van hun opslagcapaciteit bereikt. Dit is een van de grootste zorgen die mensen hebben met EV’s, aangezien meer capaciteit gelijk staat aan een groter rijbereik. Batterijen nemen ook enorm veel ruimte in beslag in de auto’s die we al hebben, wat betekent dat we niet zomaar meer batterijen kunnen toevoegen om meer bereik te krijgen.

Dus als de EV-revolutie wil slagen, moeten de batterijen beter worden. Ze moeten nog verder gaan op een enkele lading, en ze moeten minder wegen. EV-batterijen moeten ook minder snel in brand vliegen, een probleem dat zeldzaam maar zeer zorgwekkend is.

Er is ook wel wat goed nieuws

De lithium-ionbatterijen in auto’s van vandaag zouden ook kunnen profiteren van nieuwe basiscomponenten. Momenteel worden ze gemaakt van schaarse materialen, zoals kobalt en nikkel, die steeds duurder worden. Een tekort aan deze materialen zou uiteindelijk de productie van elektrische voertuigen in de auto-industrie kunnen tegenhouden, en RJ Scaringe, de CEO van de fabrikant van elektrische voertuigen Rivian, waarschuwde onlangs dat de wereld momenteel minder dan 10 procent van de EV-batterijcellen maakt die nodig zullen zijn over tien jaar.

Het goede nieuws is dat de race om deze problemen aan te pakken versnelt. Oude batterijfabrikanten zoals CATL en LG Energy Solution heroverwegen de fundamentele chemie van batterijen, zodat ze beter werken in EV’s. Ondertussen investeren autofabrikanten in nieuw batterijonderzoek, in de hoop een voorsprong te krijgen op Tesla. Zelfs de Amerikaanse regering bemoeit zich ermee: in maart beriep president Joe Biden zich op de Defense Production Act – een wet uit 1950 die de president in staat stelt om in geval van nood de binnenlandse productie van bepaalde producten op te voeren – om het land te voorzien van de zeldzame metalen en materialen die worden gebruikt in EV’s.

Dit is allemaal goed en wel, maar tijd is van essentieel belang. De klimaatverandering versnelt alleen maar en elke nieuwe auto die op fossiele brandstoffen rijdt, zal de dreiging ervan vergroten. Gelukkig is betere batterijtechnologie niet alleen in ontwikkeling; ze begint op de markt te komen.

De lithium-ionbatterij, uitgelegd

EV’s worden niet aangedreven door één grote batterij, maar door duizenden kleinere cellen. Elke cel heeft vier belangrijke componenten waaruit een batterij bestaat: een anode, een kathode, een separator en een elektrolyt, dat meestal een vloeistof is. Om een ​​apparaat zoals een auto van stroom te voorzien, verplaatsen geladen atomen of moleculen, ionen genaamd, zich van de anode naar de kathode door de elektrolyt, waarbij ze onderweg hun extra elektronen vrijgeven en elektriciteit produceren. Om een ​​batterij op te laden, gebeurt het tegenovergestelde: elektronen stromen de batterij in en de ionen stromen terug van de kathode naar de anode, waardoor potentiële energie ontstaat die de batterij later kan ontladen.

In het geval van lithium-ionbatterijen zijn deze ionen natuurlijk lithiumionen. Sony verkocht de eerste lithium-ionbatterij om een ​​van zijn camcorders van stroom te voorzien, en de batterijtechnologie werd al snel alomtegenwoordig voor consumentenelektronica. Gedeeltelijk omdat ze nu zo algemeen verkrijgbaar zijn, wenden autofabrikanten zich tot lithium-ionbatterijen om hun elektrische auto’s van stroom te voorzien. Om dit te doen, verpakken ze meestal tientallen lithium-ionbatterijcellen in grotere beschermende omhulsels die modules worden genoemd. Deze modules worden vervolgens samengevoegd tot een nog groter batterijpakket, dat de EV van stroom voorziet.

Lithium-ionbatterijen zijn echter niet bepaald perfect voor EV’s. Afgezien van het onwaarschijnlijke maar reële risico om in brand te vliegen, heeft de gemiddelde elektrische auto een bereik van 400 kilometer. Dat is genoeg om zich te verplaatsen voor dagelijkse ritten, maar veel chauffeurs maken zich zorgen over excursies op langere afstand.

Lithium zelf heeft ook enkele problemen. Lithiummijnbouw is niet bijzonder milieuvriendelijk en op dit moment heeft de wereld niet genoeg lithiummijnen om genoeg materiaal te leveren voor het aantal EV-batterijen dat we waarschijnlijk nodig hebben. Er zijn ook toenemende zorgen over andere metalen die vaak worden gebruikt in lithium-ionbatterijen, namelijk kobalt, dat voornamelijk wordt gewonnen in de Democratische Republiek Congo en bij de winning ervan wordt kinderarbeid gebruikt en worden de mensenrechten geschonden.

Nieuwe materialen: voor- en nadelen

Een relatief eenvoudige manier om een ​​betere batterij te bouwen, is door verschillende materialen op te nemen in de conventionele lithium-iontechnologie. Nieuwe materialen hebben hun eigen voor- en nadelen, en sommige combinaties zijn misschien beter voor elektrische voertuigen dan andere.

Een van deze combinaties wordt een lithium-ijzerfosfaatbatterij genoemd, die goedkopere materialen in de kathode van de batterij verwerkt. Hoewel deze batterijen niet zoveel energie kunnen bevatten als andere lithium-ionbatterijen, stellen ze autofabrikanten in staat om meer batterijen te bouwen voor minder geld en dus meer EV’s tegen een lagere prijs aan te bieden. Lithium-ijzerfosfaatbatterijen worden al veel gebruikt in China en Tesla kondigde afgelopen herfst aan dat het deze chemie zou gaan gebruiken in zijn standaardvoertuigen.

Een andere benadering is de materialen in de anode van de batterij te veranderen. Veel lithium-ionbatterijen hebben momenteel anodes gemaakt met grafiet omdat het relatief goedkoop is en lang meegaat. Maar een handvol startups gebruikt in plaats daarvan silicium, hetzelfde materiaal dat wordt gebruikt om computerchips te maken. Batterijen met silicium-anoden kunnen 10 keer zoveel lading bevatten als anodes gemaakt van grafiet, en verhogen de algehele energiecapaciteit van een batterij.

Solid-state batterijen: pak uitdagingen, maar …

En dan zijn er solid-state batterijen. Zoals de naam al aangeeft, gebruikt een solid-state batterij een vaste elektrolyt in plaats van de traditionele elektrolyt. Dit vaste materiaal is niet één gigantisch blok, maar eerder een laag materiaal zoals glas of keramiek. Vaste elektrolyten zijn compacter, wat betekent dat solid-state batterijen kleiner kunnen zijn en meer energie kunnen opslaan. Een ander voordeel is dat vaste elektrolyten niet zo ontvlambaar zijn als traditionele lithium-ionbatterijen en ook niet dezelfde koelinfrastructuur nodig hebben.

Maar solid-state batterijen zijn duur en moeilijk om massaal te produceren, dus zijn ze tot nu toe vooral in laboratoria verschenen. Een andere uitdaging is dat veel ontwerpen van solid-state batterijen een anode hebben die is gemaakt van lithiummetaal in plaats van grafiet. Dit lithiummetaal vormt soms dendrieten, metaaltakken die uit de anode en in de elektrolyt lekken, waardoor een solid-state batterij kan barsten en kortsluiting kan veroorzaken.

Toch zijn deze batterijen geen doodlopende weg. Ze zijn al verwerkt in sommige pacemakers, prototypen van oortelefoons en andere elektronische apparaten, en nu onderzoeken autogiganten hoe ze de technologie kunnen aanpassen zodat ze uiteindelijk ook in auto’s kunnen werken. Er zijn al enkele bemoedigende tekenen van vooruitgang: Volkswagen, Ford en Stellantis hebben allemaal in de technologie geïnvesteerd. Toyota is van plan om tegen 2025 een hybride voertuig op de markt te brengen dat een solid-state batterij gebruikt, en Nissan hoopt tegen 2028 een EV te lanceren die solid-state batterijen gebruikt. Een ander bedrijf, QuantumScape genaamd, heeft onderzoek gedeeld dat suggereert dat een solid-state batterij kan werken – en sneller opladen dan andere batterijen — wanneer ze wordt gecombineerd met een ander idee: een batterij die helemaal geen anode nodig heeft.

Batterijen in de vorm van een auto

Uiteindelijk kunnen lithium-ionbatterijen er helemaal niet meer gaan uitzien als batterijen. Ze kunnen gewoon een deel worden van wat ze aandrijven. Dat is het idee achter structurele batterijen, die een batterij zouden hebben als een ander onderdeel van een voertuig, zoals de carrosserie van een auto of de romp van een vliegtuig.

Dit zou een fundamentele uitdaging met batterijen kunnen aanpakken, namelijk dat ze ongelooflijk groot en zwaar zijn. Door een voertuigonderdeel ook als energiebron te laten dienen, zou theoretisch gezien de totale omvang van een EV kunnen afnemen. Het zou ook betekenen dat in het algemeen minder grondstoffen moeten worden gebruikt.

Dit concept wordt stilaan geïntegreerd in voertuigen die al op de weg zijn. Tesla heeft een nieuwe structurele batterij ontworpen die rechtstreeks aan de stoelen in zijn Model Y-voertuig kan worden bevestigd. Volvo is op dezelfde manier van plan om de voetafdruk van hun batterijen te verkleinen door ze te ontwerpen om ook de vloer van hun auto’s te ondersteunen, en GM rolt al EV’s uit die batterijen gebruiken om het chassis van hun voertuigen te versterken. Dit klinkt misschien als kleine aanpassingen op dit moment, maar ze kunnen de weg vrijmaken voor auto’s die volledig worden aangedreven door hun eigen frames.

Auto’s en voertuigen zijn overigens maar een deel van het probleem

Auto’s en voertuigen zijn overigens maar een deel van het probleem. Om af te stappen van fossiele brandstoffen, moeten we hernieuwbare energiebronnen gebruiken, zoals zonne- en windenergie. Maar omdat de zon en de wind er niet altijd zijn wanneer we stroom nodig hebben, moeten we de energie opslaan die ze leveren wanneer we die nodig hebben. Dat betekent dat onze huizen, steden en zelfs het elektriciteitsnet batterijen nodig hebben, batterijen die heel, heel groot zijn.

Deze batterijen hebben niet noodzakelijk dezelfde behoeften als de batterijen die in auto’s worden gebruikt, net zoals de batterijen die we voor auto’s gebruiken niet dezelfde vereisten hebben als de batterijen die onze telefoons van stroom voorzien. Een batterij die energie voor je huis opslaat, hoeft immers niet bijzonder licht te zijn en hij hoeft ook niet snel op te laden. Dat betekent dat deze batterijen helemaal geen lithium nodig hebben en zelfs kunnen worden aangedreven door opkomende alternatieven, zoals natrium en zink. Maar hoewel deze afzonderlijke batterijen niet allemaal hetzelfde zullen zijn, zullen ze allemaal een cruciale rol spelen bij het aandrijven van de toekomst en het vertragen van de klimaatverandering.

In ieder geval voorlopig. Het is zeker mogelijk dat we in de toekomst onze auto’s kunnen voeden met futuristische brandstoffen, of misschien zelfs met draagbare kernreactoren. Maar alle tekenen wijzen erop dat deze technologieën niet snel klaar zullen zijn. Momenteel is de batterij de beste oplossing die we hebben.

(ns)

Meer
Markten
Mijn Volglijst
Markten
BEL20