Anode‑vrije natrium‑solid‑state batterijen kunnen de afhankelijkheid van de ‘lithiumdriehoek’ verminderen

De vele manieren om een batterij te maken

Batterijfabrikanten ontwikkelen voortdurend nieuwe technologieën. De groei van elektrische voertuigen en grootschalige energieopslag stimuleert onderzoek naar kosten, veiligheid en prestaties.

Lithium-ion is een belangrijke huidige technologie, maar niet de oorsprong van alle batterijen. Onderzoekers bekijken alternatieven die de afhankelijkheid van bepaalde grondstoffen, kosten en veiligheidsrisico’s kunnen verminderen.

Bron: Research Gate

Een alternatief is natrium-ion, waarin natrium de rol van lithium overneemt. De energiedichtheid is doorgaans lager, terwijl de beschikbaarheid van grondstoffen voordelen kan bieden.

Een andere richting is de vastestofbatterij. Deze gebruikt een vaste elektrolyt in plaats van een vloeibare; de elektrolyt wordt dus niet weggelaten. Mogelijke voordelen voor veiligheid, energiedichtheid en laadsnelheid hangen af van het ontwerp.

Anodevrije ontwerpen hebben bij de assemblage geen vooraf aangebracht actief anodemateriaal. Tijdens het laden wordt metaal op de stroomcollector afgezet, dat vervolgens als anode functioneert.

Onderzoekers combineren deze benaderingen. In 2024 presenteerden zij een anodevrije natrium-vastestofbatterij op laboratoriumschaal.

Anode‑vrije natrium‑solid‑state batterij

Het onderzoek verscheen in Nature Energy onder de titel “Design principles for enabling an anode-free sodium all-solid-state battery”. Het team van UC San Diego en de Universiteit van Chicago combineerde een vaste elektrolyt met natrium en een anodevrij uitgangsontwerp. Dit is een onderzoeksresultaat, geen reeds breed verkrijgbare commerciële batterij.

Natriumbatterij

Natrium komt veel ruimer voor in de aardkorst dan lithium en is onder meer aanwezig in zeewater en mineralen. Dat maakt het een interessante grondstof. De bruikbaarheid hangt ook af van winning, zuivering en de overige batterijmaterialen.

• Lithiumprijzen kunnen sterk schommelen en beïnvloeden de kosten.
• Winning en verwerking kunnen milieu-effecten hebben.
• De geografische concentratie van winning en raffinage brengt leveringsrisico’s mee.

De ruime beschikbaarheid kan de grondstoffenrisico’s van natrium verminderen, maar sluit prijsstijgingen en tekorten in specifieke batterijmaterialen niet uit. De lagere energiedichtheid kan een beperking zijn voor voertuigen, terwijl goedkopere modellen en stationaire opslag andere prioriteiten hebben.

Anode‑vrije batterij

Bij het laden bewegen ionen door de elektrolyt naar de negatieve elektrode. Bij ontladen bewegen zij terug naar de positieve elektrode, terwijl elektronen via het externe circuit stroom leveren.

In een anodevrij ontwerp wordt bij het laden natriummetaal rechtstreeks op een stroomcollector afgezet.

Dat kan de hoeveelheid inactief materiaal en de kosten verminderen en de energiedichtheid verhogen. De gerealiseerde spanning en prestaties hangen af van de volledige celchemie.

Bron: University Of Chicago

Een uitdaging is efficiënt en gelijkmatig afzetten en weer verwijderen van het metaal. Reacties aan de interface kunnen actief materiaal verbruiken en de capaciteit verminderen.

Solid‑state batterij

Vastestofbatterijen zijn een belangrijk onderzoeksgebied, vooral voor toepassingen met hoge eisen aan energiedichtheid en veiligheid. Zij zijn niet noodzakelijk de definitieve oplossing voor alle opslagbehoeften.

Het vervangen van een vloeibare elektrolyt door een vaste kan nieuwe celontwerpen mogelijk maken. Een lager gewicht en sneller laden volgen daar niet automatisch uit.

Goed contact tussen de vaste componenten behouden is lastig, vooral wanneer het metaal tijdens laden en ontladen van volume verandert.

Ook dendrieten en andere defecten kunnen kortsluiting veroorzaken. Een vaste elektrolyt maakt een batterij niet automatisch immuun voor dergelijke problemen.

Anode‑vrije natrium solid‑state

Bij een anodevrij vastestofontwerp is goed contact tussen elektrolyt en stroomcollector bijzonder belangrijk.

Het team maakte de stroomcollector van aluminiumpoeder en verdichtte dat onder druk. Het poeder kan zich tijdens de verwerking naar het oppervlak vormen; het is geen vloeibare aluminium-elektrolyt.

Bron: University Of Chicago

Veel voordelen

De aluminium stroomcollector en vaste elektrolyt hebben verschillende functies. Het ontwerp beoogt stabiele metaalafzetting en een gunstige interface, maar bewijst geen algemene uitsluiting van dendrieten in iedere gebruikssituatie.

Een stabiele interface helpt verlies van actief natrium en capaciteit te beperken.

De besproken energiedichtheden van ongeveer 200–400 Wh/kg zijn berekeningen of vooruitzichten voor verschillende celontwerpen. Zij zijn geen aangetoonde commerciële prestaties van complete accupakketten.

Bron: University Of Chicago

Natrium en aluminium kunnen kostenvoordelen bieden, maar de volledige chemie, productie, levensduur en verpakking bepalen het resultaat. Niet alle lithium-ionbatterijen gebruiken kobalt of nikkel; LFP is een belangrijk tegenvoorbeeld.

De kracht van combinaties

Natrium-ion-, vastestof- en anodevrije batterijen hebben elk een eigen ontwikkelingsgeschiedenis. Sommige technieken zijn commercieel beschikbaar, terwijl andere vooral in onderzoek of opschaling zitten.

De ontwikkeling verloopt snel, zoals besproken in “De toekomst van energieopslag — batterijtechnologie op netniveau” en “De toekomst van mobiliteit — batterijtechnologie”.

Door concepten te combineren kunnen onderzoekers nieuwe afwegingen tussen kosten, veiligheid en prestaties verkennen. Niet alle onderdelen zijn daarmee al commercieel bewezen.

Een combinatie kan sommige beperkingen verminderen, maar ook nieuwe technische uitdagingen opleveren.

In dit onderzoek draagt de aluminiumpoedercollector bij aan contact met de vaste elektrolyt en aan omkeerbare natriumafzetting.

De energiedichtheid wordt niet door aluminiumpoeder alleen bepaald, maar door het complete celontwerp.

Ook de kosten hangen van alle materialen en productieprocessen af; natrium is niet de enige mogelijke route naar een betaalbare vastestofcel.

Natrium kan goedkoper zijn, maar de geschiktheid voor mobiliteit hangt af van de eisen aan gewicht, bereik en prijs.

Het combineren van ontwerpkeuzes verruimt dus de mogelijkheden. Verdere tests en opschaling moeten aantonen welke combinaties praktisch en economisch aantrekkelijk zijn.

Bedrijven die natriumbatterijen ontwikkelen

1. CATL

CATL is een van de grootste producenten van EV-batterijen. Zijn wereldwijde aandeel in de geïnstalleerde EV-batterijcapaciteit bedroeg volgens de voor 2023 aangehaalde cijfers ongeveer 36,8%, niet meer dan de helft van alle batterijen ter wereld. Het bedrijf ontwikkelt uiteenlopende lithium-ion- en andere batterijtechnologieën.

• Stationaire batterijen met door het bedrijf genoemde lange cyclische levensduur; zulke aantallen hangen af van testomstandigheden.
• LFP-batterijen waarvoor het bedrijf onder specifieke omstandigheden ongeveer 700 km bereik en het bijladen van 400 km bereik in tien minuten noemt. LFP staat voor lithium-ijzerfosfaat.
• Een aangekondigde technologie met maximaal 500 Wh/kg, onder meer onderzocht voor luchtvaarttoepassingen.
• Een aangekondigde natrium-ioncel van 160 Wh/kg, met 200 Wh/kg als ontwikkelingsdoel. Een aankondiging is niet hetzelfde als bewezen grootschalige productie.

Bron: CATL

CATL presenteerde in 2024 het TENER-systeem voor stationaire opslag en stelde dat het gedurende de eerste vijf jaar geen capaciteits- of vermogensverlies vertoont onder de door het bedrijf bedoelde voorwaarden. Dit is een productclaim, geen universele garantie voor iedere toepassing.

Volgens CATL biedt een container van 20 voet 6,25 MWh opslagcapaciteit. Het bedrijf beschrijft technologie om degradatie en veiligheidsrisico’s te beperken. Dat betekent niet dat iedere vorm van thermische ontregeling is uitgesloten.

CATL heeft ook investeringen in recyclingcapaciteit aangekondigd. Het bedrijf noemt terugwinningspercentages van 99,6% voor nikkel, kobalt en mangaan, en 91% voor lithium. Deze cijfers gelden voor de beschreven processen, niet noodzakelijk voor iedere volledige batterij. CATL levert aan verschillende autofabrikanten, waaronder Tesla (TSLA ), NIO, Ford en Stellantis. De positie van het bedrijf garandeert niet het succes van alle nieuwe technologieën.

2. BYD

BYD is uitgegroeid tot een belangrijke concurrent op de markt voor elektrische auto’s en plug-inhybrides.

Het bedrijf begon als producent van oplaadbare batterijen en breidde uit naar auto’s en andere activiteiten. Vergelijkingen met Tesla en ranglijsten per land hangen af van de periode en van de vraag of uitsluitend volledig elektrische auto’s of ook plug-inhybrides worden meegeteld.

China werd in 2023 een grote auto-exporteur. BYD breidt zijn internationale aanwezigheid uit en kondigde nieuwe fabrieken aan, onder meer in Hongarije.

Goedkopere modellen zoals de Seagull kunnen nieuwe kopers bereiken. De in 2024 verkochte Seagull gebruikte een LFP-Blade-batterij, geen natriumbatterij. De in China genoemde prijs van circa 10.000–12.000 dollar geldt niet automatisch op exportmarkten.

Bron: User3204 — eigen werk, CC BY-SA 4.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=142412738

BYD produceert zelf LFP-batterijen en concurreert daarmee met CATL. Genoemde marktaandelen moeten altijd aan een meetperiode, regio en categorie worden gekoppeld; zij zijn niet het aandeel in alle wereldwijde batterijen.

Tariefmaatregelen en andere handelsbelemmeringen kunnen de internationale groei beperken. De precieze gevolgen hangen af van het land, de regelgeving en de productielocatie.

Ook in Zuid-Amerika, Afrika, het Midden-Oosten en Zuidoost-Azië zijn er groeikansen. Deze regio’s verschillen echter sterk en hebben soms eigen auto-industrieën of beschermingsmaatregelen.

Een grote bevolking is niet hetzelfde als een even grote groep potentiële autokopers. Inkomen, infrastructuur, concurrentie en overheidsbeleid bepalen mede de vraag.

Lokale productie kan bepaalde kosten en handelsrisico’s veranderen, maar garandeert geen toegang of concurrentievoordeel. Voorstellen en plannen voor fabrieken in verschillende landen moeten worden onderscheiden van reeds operationele productie.