Waterstofbatterijen die in de kou werken

Ooit gezien als eenvoudige energiebronnen, staan batterijen vandaag de dag in het hart van de wereldwijde transitie naar schone energie als een van de snelst groeiende technologieën die onze toekomst vormgeven.

Onder de verschillende batterijtypes zijn lithium‑ionbatterijen de voorkeurskeuze om alles van mobiele telefoons tot elektrische voertuigen (EV’s) van stroom te voorzien.

Lithium‑ionbatterijen verschenen voor het eerst commercieel begin jaren 1990, maar de vraag naar hen groeide de afgelopen decennium exponentieel, van slechts 0,5 gigawattuur (GWh) in 2010 tot ongeveer 526 GWh tien jaar later.

Een bijna 90% daling in lithium‑ionbatterijkosten, van ongeveer $1.400 per kWh in 2010 tot $140 per kWh in 2023, gecombineerd met vooruitgang in energiedichtheid en cyclustijd, heeft hun dominantie in elektrische voertuigen en energieopslagtoepassingen versterkt.

Een groot probleem met oplaadbare batterijen zoals lithium‑ioncellen is echter dat ze niet goed tegen de kou kunnen.

Waarom batterijen falen in de kou (en hoe ingenieurs het oplossen)

Batterijen presteren slecht bij koude omstandigheden. Dit komt door hun interne elektrochemische reacties die bij onder nul graden vertragen.

De meeste batterijen hebben drie hoofdonderdelen:

• Elektroden
• Elektrolyt
• Separator

Er zijn twee elektroden in een batterij, en beide zijn gemaakt van geleidend materiaal. Eén elektrode, bekend als de kathode, is verbonden met de positieve pool van de batterij, en hier verlaat de elektrische stroom de batterij tijdens ontlading. De andere elektrode, bekend als de anode, is verbonden met de negatieve pool van de batterij, en hier komt de elektrische stroom de batterij binnen tijdens ontlading. 

De twee worden gescheiden gehouden met behulp van de separator om een kortsluiting te voorkomen. Tussen deze elektroden bevindt zich een vloeibare elektrolyt, die elektrisch geladen deeltjes, of ionen, bevat. Door te combineren met de materialen waaruit de elektroden bestaan, veroorzaakt de elektrolyt chemische reacties die een batterij in staat stellen een elektrische stroom te genereren.

In het geval van Li‑ionbatterijen is de elektrolyt doorgaans een lithiumzout in oplossing dat ladingdragende deeltjes (ionen) tussen de elektroden van de batterij transporteert. Maar wanneer het koud is, vertragen de ionen en kunnen ze niet goed samenwerken met de elektroden, waardoor de mogelijkheid van de batterij om zoveel stroom te genereren voordat hij leeg raakt, wordt beïnvloed. 

Bovendien, als er te veel lithium op een elektrode wordt afgezet, kan dit leiden tot een kortsluiting en een brand veroorzaken.

Dus koude weersomstandigheden beïnvloeden de levensduur van batterijen ernstig. Zowel de efficiëntie als de bruikbare capaciteit van een batterij worden aanzienlijk verminderd. Een AAA‑enquête van vorig jaar toonde dat de actieradiusdaling in de winter en zorgen over langzamer opladen hebben bijgedragen aan het afnemen van de EV‑momentum.

Om dit probleem te overwinnen, werken bedrijven over de hele wereld aan nieuwe en betere batterijchemieën. 

Zo kondigde de Chinese batteriegigant CATL de tweede generatie van zijn natrium‑ionbatterij aan, die kan ontladen bij temperaturen zo laag als min 40 graden Celsius en verbeterde veiligheidsmaatregelen bevat, met als doel een energiedichtheid van meer dan 200 wattuur per kilogram te overschrijden. 

Hoewel natrium‑ionbatterijen naar verluidt veiliger en beter bestand tegen kou zijn dan Li‑ionbatterijen, hebben ze een lagere energiedichtheid en hogere productiekosten.

Ondertussen hebben ingenieurs van de Universiteit van Michigan een aangepast productieproces ontwikkeld¹ voor EV‑batterijen om hoge actieradius en snel opladen in koude omstandigheden mogelijk te maken.

Het team creëerde paden van 50 micrometer in de anode en bracht een 20 nm dikke coating van een glasachtig materiaal gemaakt van lithium‑boraat‑carbonaat aan om de vorming van lithiumafzetting op de elektroden van de batterij te voorkomen. Li‑ion EV‑batterijen die met deze modificaties zijn gemaakt, kunnen 500 % sneller opladen bij 14 °F (-10 °C) en behouden 97 % van hun capaciteit zelfs na 100 keer snel opladen bij zulke koude temperaturen.

“Voor het eerst hebben we een pad aangetoond om zowel extreem snel opladen bij lage temperaturen te bereiken, zonder de energiedichtheid van de lithium‑ionbatterij op te offeren.”

– Co‑auteur Neil Dasgupta, U‑M associate professor of mechanical engineering and materials science and engineering

Anderen optimaliseren elektrolytformuleringen en modificeren anodematerialen, bouwen gespecialiseerde batterijtechnologie, integreren dikkere isolatie met ingebouwde verwarmingselementen, stellen temperatuur‑gecontroleerd slim opladen² voor, en presenteren een voorspellend regelalgoritme³ om de batterijtemperatuur aan te passen, naast andere oplossingen.

Te midden van deze voortdurende vooruitgangen in materialen, elektrolyten en andere technologieën om de uitdagingen van batterijen in koude weersomstandigheden aan te pakken, onderzoeken wetenschappers ook alternatieve energieopslagsystemen zoals waterstof‑gebaseerde batterijen.

Waterstofbatterijen: Hoe ze werken en waarom ze belangrijk zijn

Waterstof is een schone energiebron die, wanneer verbruikt in een brandstofcel, alleen water produceert. Het is een energiedrager die energie kan opslaan en leveren die uit andere bronnen is opgewekt.

De meest overvloedige chemische element in het universum, waterstof kan worden geproduceerd uit aardgas, biomassa en kernenergie, evenals uit hernieuwbare bronnen zoals wind en zon.

Dit kleurloze, reukloze en zeer brandbare gas is ook een sleutelcomponent van water en alle organische verbindingen.
Swipe om te scrollen →

Waterstof is eigenlijk een sleutelcomponent van de Zon. Het wordt omgezet in energie via het proces van kernfusie in de kern. Onder enorme druk en hitte fuseren waterstofatomen tot helium, waarbij enorme hoeveelheden energie vrijkomen. Deze energie reist vervolgens naar buiten door de lagen van de Zon en straalt de ruimte in als licht en warmte. 

Op aarde is waterstof een aantrekkelijke brandstofoptie en biedt het een langere batterijlevensduur vergeleken met lithium‑ionbatterijen. 

Om de technische en financiële prestaties van een waterstofbatterij‑opslagsysteem en een lithium‑ionbatterij te evalueren, hebben onderzoekers van de University of New South Wales (UNSW) twee commercieel beschikbare systemen beoordeeld⁴, LAVO en Tesla (TSLA ) Powerwall 2. Ze ontdekten dat het eerste meer energieverlies vertoonde. 

Echter, waterstofbatterijen bleken minder capaciteit‑degradatie en een hogere energiedichtheid te hebben dan lithium‑ionbatterijen, waardoor ze meer energie voor een langere periode kunnen opslaan. Hun vermogen om 18 % meer laad‑ontlaadcycli te doorstaan dan de Li‑ionbatterij maakt ze “geschikt voor afgelegen toepassingen die een verlengde opslagduur vereisen”.

Een afzonderlijke studie van de University of Science and Technology of China (USTC) ontwikkelde een nieuw chemisch batterijsysteem⁵ voor een veiligere, duurzamere toekomst voor batterijaangedreven systemen.

Terwijl huidige waterstof‑gebaseerde batterijen H₂ gebruiken als kathode, wat hun spanningsbereik en energieopslagcapaciteit beperkt, stelde het USTC‑onderzoeksteam voor om het als anode te gebruiken. Het team ontwikkelde een prototype met een lithium‑anode, een vast elektrolyt en een met platina beklede gasdiffusielaag die fungeert als de waterstof‑kathode.

Het team meldt een theoretische specifieke energie tot 2.825 Wh/kg, een ontlading van ~3 V en een rondreisrendement van 99,7 % in hun Li‑H‑configuratie — wat een sterk potentieel aangeeft, hoewel de 2.825 Wh/kg‑waarde geen gerealiseerde pack‑niveau meting is.

Om de kosteneffectiviteit te verbeteren, bouwde het team een Li‑H‑batterij zonder anode. Hier werd lithiumafzetting afkomstig van lithiumzouten tijdens het opladen. De verbeterde versie maakt efficiënt lithium‑plating en stripping mogelijk en werkt stabiel zelfs bij lage waterstofconcentraties, waardoor de afhankelijkheid van hogedruk‑waterstofopslag wordt verminderd.

Vergeleken met reguliere nikkel‑waterstofbatterijen biedt het Li‑H‑systeem een verbeterde energiedichtheid en efficiëntie, waardoor toekomstige verkenningen van Li‑H‑batterij‑technologie‑toepassingen worden ontgrendeld.

Ondanks de vele voordelen van waterstof voor schone energieopslag, is het opslaan ervan niet eenvoudig. In feite is opslag een grote uitdaging bij het gebruik van waterstof.

Het Ba–Ca–Na Hydride Elektrolyt dat Lage‑Temperatuur Waterstofopslag Mogelijk Maakt

Waterstof opslaan vereist ofwel extreem lage temperaturen (−252,8 °C) of hoge drukken (350 tot 700 bar), of beide. Het opslaan in vaste vorm vermijdt de veiligheidsrisico’s die gepaard gaan met hogedruk‑gastanks, maar ondervindt materiaalbeperkingen bij lage temperaturen.

Om dit aan te pakken, onderzochten onderzoekers van het Institute of Science Tokyo (Science Tokyo) hydride‑ion‑gemedieerde elektrochemische waterstofopslag, wat hen leidde tot de ontdekking van een veelbelovend hydride‑ion‑geleidende vaste elektrolyt⁶ uit een barium‑, calcium‑ en natrium‑hydride‑systeem.

Het combineren van ionen van verschillende groottes is gerapporteerd superionische geleidbaarheid te geven, en in het streven hiernaar combineerden de onderzoekers hun ionen: BaH₂‑CaH₂‑NaH.

De resulterende vaste elektrolyt, anti‑α‑AgI‑type Ba₀.₅Ca₀.₃₅Na₀.₁₅H₁.₈₅, heeft uitstekende elektrochemische stabiliteit en hydride‑ionen (H⁻) geleidbaarheid.

Het is opmerkelijk dat elektrochemische stabiliteit daadwerkelijk flexibele koppeling met veel metaal‑hydride elektroden mogelijk maakt. Dus werkt het elektrolyt goed met verschillende metaal‑waterstof elektroden, zoals titaan‑hydride en magnesium‑hydride (MgH₂), waardoor hoge‑capaciteit, omkeerbare waterstofopslag bij lage temperaturen mogelijk wordt.

In de eerste experimenten testten de onderzoekers hun elektrolyt in een systeem waarin het tussen TiH₂ (titaniumdi‑hydride is een verbinding van titanium en waterstof) en titanium referentie‑elektroden, en acetyleen‑zwart en molybdeen stroomverzamelaars werd geplaatst.

Dit stelde de onderzoekers in staat het stabiele potentiaalvenster van de vaste elektrolyt te vinden, het beste ooit gerapporteerd.

Een hoge H⁻‑geleidbaarheid werd ook gerapporteerd door de onderzoekers, wat te wijten was aan de body‑centred cubic (bcc) structuur van het elektrolyt. Deze structuur heeft een lagere pakdichtheid, wat een “open pad voor iontransport” biedt. Hoog polarisabele kationen in het raamwerk waren ook verantwoordelijk voor de hoge ion‑geleidbaarheid.

Vervolgens, om de waterstofopslagcapaciteit van hun elektrolyten te testen, produceerden de onderzoekers een cel met MgH₂.

MgH₂ is een chemische verbinding die bestudeerd wordt voor waterstofopslag vanwege de hoge capaciteit en lage kosten. Dit materiaal kan geïntegreerd worden in een batterij‑achtig systeem waarin waterstof wordt opgeslagen en vrijgegeven tijdens opladen en ontladen. Het gebruik ervan is echter beperkt door ongewenste nevenreacties, slechte waterstofabsorptie‑ en desorptie‑omkering, en de noodzaak van temperaturen van 300 °C en hoger.

Maar de onderzoekers slaagden erin Mg‑H₂‑cellen te laten werken als waterstofopslagapparaten, met een capaciteit van 2.030 mAh/g bij 90 °C.

Van 300–400 °C naar ~90 °C: Een Praktische Laag‑Temperatuur Waterstofbatterij

De nieuwe waterstofbatterij van de Science Tokyo‑onderzoekers heeft de lage‑capaciteit‑ en hoge‑temperatuurlimieten van eerdere methoden overwonnen. In plaats van te opereren bij 300‑400 graden C (572‑752 °F) temperaturen, die nodig zijn voor huidige vaste‑staat waterstofopslagbenaderingen, werkt deze batterij bij 90 °C (194 °F).

De batterij werkt door hydride‑ionen door een vaste elektrolyt te laten migreren, waardoor magnesium‑hydride (MgH₂) waterstof herhaaldelijk kan opslaan en vrijgeven met volledige capaciteit.

Met deze ontwikkeling bieden onderzoekers een praktische manier om waterstofbrandstof op te slaan, waardoor de weg wordt vrijgemaakt voor waterstof‑aangedreven voertuigen en schone energiesystemen.

“We hebben de werking van een Mg‑H₂‑batterij aangetoond als een veilige en efficiënte waterstof‑energieopslagapparaat, met hoge capaciteit, lage temperatuur en omkeerbare waterstofgasabsorptie en -releasing.”

– Assistent‑professor Naoki Matsui

Hoewel waterstofbatterijen met vaste‑staat componenten al bestaan, vereisen ze hoge bedrijfstemperaturen. De nieuwe waterstofbatterij kan echter de volledige theoretische opslagcapaciteit van de MgH₂‑anode en hoge ionische geleidbaarheid bij kamertemperatuur bereiken. Dat komt door de vaste elektrolyt, Ba₀.₅Ca₀.₃₅Na₀.₁₅H₁.₈₅.

Gemaakt van barium (Ba), calcium (Ca) en natrium‑hydride (NaH), kan het elektrolyt hydride‑ionen (H⁻) efficiënt verplaatsen.

Het heeft een kristalstructuur (anti‑α‑AgI‑type), bekend om zijn superionische geleidbaarheid. In deze structuur bezetten Ba, Ca en Na body‑centered posities, terwijl hydride‑ionen door face‑sharing octaëdrische en tetraëdrische sites bewegen, waardoor hun vrije migratie mogelijk is.

Deze nieuwe batterij functioneert als een Li‑Ion‑batterij, maar in plaats van positief geladen ionen door de elektrolyt te laten bewegen, gebruikt hij hydride‑ionen die een negatieve lading dragen en door de kristalstructuur kunnen passeren.

De batterij gebruikt magnesium‑hydride (MgH₂) als anode en waterstofgas (H₂) als kathode.

Tijdens het opladen geeft de MgH₂‑anode hydride‑ionen af, die door de nieuwe elektrolyt naar de kathode migreren, waar ze geoxideerd worden tot waterstofgas.

Het proces keert zich om tijdens het ontladen, het waterstofgas aan de kathode wordt gereduceerd tot hydride‑ionen, via een chemische reactie, die door de elektrolyt naar de anode beweegt, waar het reageert met Mg om MgH₂ te vormen. De oxidatie‑reductiereactie (redox) veroorzaakt dat de negatief geladen anode elektronen verliest, die via een externe schakeling naar de kathode met een netto positieve lading stromen, waardoor vermogen aan aangesloten systemen wordt geleverd.

Dit maakt het mogelijk dat de vaste‑staat cel zowel H₂ kan opslaan als vrijgeven wanneer dat nodig is bij temperaturen net onder het kookpunt van water.

Met deze cel bereikten de onderzoekers de volledige theoretische opslagcapaciteit van MgH₂ over herhaalde cycli. De capaciteit van 2.030 mAh per gram is veel hoger dan die van lithium‑ionbatterijen, die tussen 154 en 203 mAh per gram ligt.

“Deze eigenschappen van onze waterstofopslagbatterij waren voorheen onbereikbaar via conventionele thermische methoden of vloeibare elektrolyten, en bieden een basis voor efficiënte waterstofopslagsystemen die geschikt zijn als energiedragers.”

– Takashi Hirose, de hoofd‑auteur van de studie en associate professor aan het Institute of Chemical Research (ICR) van de Universiteit van Kyoto

Hoewel de batterij nog niet klaar is voor gebruik in alledaagse apparaten, is dit een doorbraak in waterstofenergieopslag bij veel lagere temperaturen dan voorheen mogelijk, waardoor de weg wordt vrijgemaakt voor efficiëntere en gemakkelijkere waterstofopslag.

Dit kan ertoe leiden dat waterstofbatterijen de zware lithium‑ionbatterijen vervangen, die na verloop van tijd degraderen en een verminderde efficiëntie ondervinden, in elektrische auto’s.

Bovendien, door waterstofopslag mogelijk te maken zonder hogedruk‑systemen, extreme koeling of hoge bedrijfstemperaturen, kan dit nieuwe batterijontwerp de inzet van waterstof als groene energiebron ondersteunen en de voortdurende transitie naar groene energie versnellen.

De onderzoekers plannen nu de ontwikkeling van vaste elektrolyten en elektrodematerialen met hogere ionische geleidbaarheid. Ze zullen ook werken aan apparaatontwerpen met lagere bedrijfstemperaturen en verbeterde energie‑efficiëntie.

Investeren in waterstofbatterijtechnologie

Bloom Energy Corporation (BE ) is actief in het ontwerp en de productie van solid oxide brandstofcellen (SOFC’s). Het brandstofcelsysteem levert onsite elektriciteitsopwekking voor halfgeleiderproductie, datacenters, grote nutsbedrijven en andere sectoren. Het heeft wereldwijd in meer dan 1.200 installaties een totaal van 1,5 GW vermogen ingezet. 

Het bedrijf heeft twee producten: de Bloom Electrolyzer voor waterstofproductie en de Bloom Energy Server voor elektriciteitsopwekking.

Wat de marktprestaties van Bloom betreft, heeft het dit jaar een enorme rally doorgemaakt. Met een stijging van 391 % YTD bereikten BE‑aandelen een recordhoogte (ATH) van $125,75 alleen deze maand. Daarbij heeft het een EPS (TTM) van 0,11 en een P/E (TTM) van 1.013,28.

Wat de financiële positie van het bedrijf betreft, rapporteerde Bloom een omzet van $401,2 miljoen voor Q2 2025, een stijging van 19,5 % ten opzichte van hetzelfde kwartaal vorig jaar. De brutomarge bedroeg 26,7 % en de non‑GAAP brutomarge 28,2 % terwijl het operationele verlies $3,5 miljoen bedroeg in deze periode.

“Naarmate onsite‑energie steeds vanzelfsprekender wordt, gezien de snelle AI‑groei, is er nog nooit zo’n sterke marktbehoefte geweest voor de Bloom‑producten. In tegenstelling tot alternatieven zijn onze producten specifiek gebouwd voor de digitale revolutie.”

– Oprichter en CEO KR Sridhar

Na samenwerking met Oracle (ORCL ) om onsite‑energie te leveren aan hun AI‑datacenters, heeft Bloom Energy nu een partnerschap met Brookfield (NYSE: BAM), die tot $5 miljard zal investeren om hun brandstofceltechnologie uit te rollen. Samen “creëren ze een nieuw blauwdruk voor het aandrijven van AI op schaal.”

Laatste Bloom Energy Corporation (BE) Aandelen Nieuws en Ontwikkelingen

Conclusie

Met hun hoge energie‑efficiëntie, hoge energiedichtheid en lange cyclustijd zijn lithium‑ionbatterijen een populaire keuze geworden voor elektrische voertuigen en energieopslag. Maar uiteraard vormt koud weer een grote uitdaging voor deze batterijen, waardoor hun capaciteit en efficiëntie afnemen. 

Naarmate wetenschappers en bedrijven wereldwijd de volgende generatie batterij‑ontwerpen vooruitstuwen, wint waterstof aan tractie als energiedrager en brandstof van de toekomst.

De nieuwe waterstofbatterij met een vast elektrolyt markeert een mijlpaal met zijn vermogen om waterstof op extreem lage temperaturen op te slaan en vrij te geven, vier keer kouder dan eerdere modellen. Door stabiele werking en volledige theoretische capaciteit mogelijk te maken, zou deze doorbraak de creatie van dichtere, langer houdende batterijen voor EV’s kunnen mogelijk maken, waardoor hun prestaties in extreme klimaten aanzienlijk verbeteren.

Klik hier voor een lijst van topbatterijen aandelen.

Referenties:

1. Cho, T. H., Chen, Y., Liao, D. W., Kazyak, E., Penley, D., Jangid, M. K., & Dasgupta, N. P. (2025). Versneld 6C snel opladen van Li‑ionbatterijen bij onder nul graden via interface‑engineering en 3D‑architecturen. Joule, 9(5), 101881. https://doi.org/10.1016/j.joule.2025.101881
2. Ruan, G., & Dahleh, M. A. (2025). Temperatuur‑gecontroleerd slim opladen voor elektrische voertuigen in koude klimaten. arXiv. https://doi.org/10.48550/arXiv.2501.01105
3. Lu, Z., Tu, H., Fang, H., Wang, Y., & Mou, S. (2024). Geïntegreerd optimaal snel opladen en actieve thermische beheersing van lithium‑ionbatterijen bij extreme omgevings‑temperaturen. arXiv. https://doi.org/10.48550/arXiv.2404.04358
4. Hassan, M. U., Bremner, S., Menictas, C., & Kay, M. (2024). Beoordeling van waterstof- en lithium‑ionbatterijen in dak‑geïnstalleerde zonne‑PV‑systemen. Journal of Energy Storage, 86(Part A), 111182. https://doi.org/10.1016/j.est.2024.111182
5. Liu, Z., Ma, Y., Khan, N. A., Jiang, T., Zhu, Z., Li, K., Zhang, K., Liu, S., Xie, Z., Yuan, Y., Wang, M., Zheng, X., Sun, J., Wang, W., Meng, Y., Xu, Y., Chuai, M., Yang, J., & Chen, W. (2025). Oplaadbare lithium‑waterstofgasbatterijen. Angewandte Chemie International Edition, 64(7), e202419663. https://doi.org/10.1002/anie.202419663
6. Hirose, T., Matsui, N., Itoh, T., Hinuma, Y., Ikeda, K., Gotoh, K., Jiang, G., Suzuki, K., Hirayama, M., & Kanno, R. (2025). Hoge‑capaciteit, omkeerbare waterstofopslag met H⁻‑geleidend vast elektrolyt. Science, 389(6766), 1252–1255. https://doi.org/10.1126/science.adw1996