Kunnen EV’s voor koude klimaten een voertuigoptie worden?

Afkoeling van de EV-adoptiegraad

Elektrificatie is een trend die de wereld overneemt. Dit geldt voor elektrische voertuigen, maar ook voor verwarming en industriële processen. Echter, alles is nog niet perfect, aangezien klassieke lithium‑ionbatterijen een sterke prestatievermindering ondervinden bij koude temperaturen. Dus, terwijl dit geen echt probleem is in Californië of China, twee hotspots van EV-adoptie, kan het een serieus probleem zijn in noordelijke breedtegraden.

Ondanks deze beperkingen zien we dat de EV-adoptiegraad hoog is in landen zoals Noorwegen (72 % EV en 14 % hybriden), wat wijst op een sterke bereidheid van de bevolking om over te stappen op EV’s.

Bron: Roland Berger

Toch kan het geval van de buren van Noorwegen erop wijzen dat zonder enorme subsidies vergelijkbaar met die van Noorwegen, de adoptie in de regio onder de 50 % kan blijven steken.

Als batterijsystemen de prestaties in de kou verbeteren, zouden de regio en andere soortgelijke landen tot de eersten kunnen behoren die 100 % BEV (Battery Electric Vehicles) bereiken.

Tot nu toe was de belangrijkste hoop om de prestaties bij lage temperaturen te verbeteren gebaseerd op natrium‑ionbatterijen, met name dankzij de solide vooruitgang van het Chinese bedrijf CATL (volg de link voor het bijbehorende rapport). Maar een nieuw concept zou de weg kunnen openen voor lithium‑ionbatterijen die specifiek zijn aangepast aan koude omstandigheden.

Dit werd onderzocht door Chinese onderzoekers van de Donghua University (China), Fudan University, Qingdao University en Inner Mongolia University. Ze publiceerden onlangs hun resultaat in Angewandte Chemie onder de titel “Negatief thermisch uitzettingsgedrag dat goede elektrochemische-energieopslagprestaties bij lage temperaturen mogelijk maakt¹”.

Problemen van lithium‑ionbatterijen bij koude

Lithium‑ionbatterijen zijn nog steeds de krachtigste en energiedichtste vorm van batterijen die vandaag beschikbaar zijn op de schaal die nodig is voor EV’s. Dit kan in de toekomst veranderen met solid-state batterijen. Of misschien verbeterde lithium‑ionbatterijen zoals honingraatbatterijen zullen net zo efficiënt zijn als solid-state technologieën.

Maar in beide gevallen blijft het probleem van prestaties bij koud weer bestaan. De reden is dat koud weer, vooral onder het vriespunt, de diffusie van lithiumionen binnen het elektrode‑materiaal vertraagt. Voorlopig wordt dit beschouwd als een fundamentele limiet van de technologie, gedreven door de fysica van hoe lithium‑ion reageert bij koude temperaturen.

De enige alternatieven in EV’s waren tot nu toe om de batterij‑energie te gebruiken om deze warm te houden (wat energie verspilt) of om voldoende grote batterijpakketten te installeren zodat het bereikverlies acceptabel is voor de gebruiker. Tenminste tot nu toe.

Negatieve thermische uitzetting (NTE) elektroden

Het belangrijkste concept dat de onderzoekers gebruiken is een eigenschap genaamd negatieve thermische uitzetting voor het elektrode‑materiaal, of NTE. Dit zijn materialen die uitzetten wanneer ze afkoelen, in de tegenovergestelde richting van de meeste materialen, vooral metalen.

Een voorbeeld uit het dagelijks leven is water, dat uitzet bij bevriezing, waardoor ijs minder dicht is dan vloeibaar water.

De tests werden uitgevoerd met lithium‑titaniumfosfaat LiTi2(PO4)3 of “LTP”.

LTP

Dit materiaal bestaat uit een kristalstructuur die een 3D‑rooster van TiO6‑octaëders en PO4‑tetraëders vormt. Dit creëert een open, flexibele structuur die zowel “cavities” als “channels” bevat, waar lithiumionen zich kunnen vestigen.

Bron: Angewandte Chemie

Wanneer het wordt gekoeld, strekt de kristallijne structuur zich uit langs een van zijn kristalassen. Dit vergroot de afstanden tussen zuurstofatomen, waardoor de cavities in het rooster worden verbreed.

De grotere ruimte in koude kristallen vergemakkelijkt de opslag en het transport van de lithiumionen.

Sterke koudeprestaties

De toenemende grootte van de cavities compenseert de lagere mobiliteit van lithiumionen niet volledig, maar helpt aanzienlijk. De onderzoekers ontdekten dat bij −10 °C de diffusiesnelheid van lithiumionen nog steeds 84 % van de waarde bij 25 °C bedroeg. Ze testten ook hoe efficiënt en stabiel zo’n batterij zou zijn.

Elektrochemische tests op koolstofgelaagde LTP bij −10 °C toonden een goede elektrochemische prestatie met hoge capaciteit en een hoge rategeschiktheid. De duurzaamheid van de batterij was ook hoog, zonder significante degradatie van de retentiecapa­citeit over 1000 laad‑/ontlaadcycli (96,8 % capaciteitsretentie).

Toekomstige toepassingen

Dit nieuwe type elektrode moet worden onderzocht op zijn potentieel in op maat gemaakte EV’s voor koude klimaten.

Dit zal waarschijnlijk een vereiste zijn voor EV’s die moeten opereren in regio’s met strenge winters, zoals Canada, Scandinavië, Rusland, bergachtige gebieden, enz. Tenminste om de standaard te worden, en niet alleen een leuke extra voor welgestelde bestuurders.

Het is ook mogelijk dat er andere negatieve thermische uitzetting‑elektrode‑materialen bestaan die nog betere elektrochemische eigenschappen vertonen. Dus waarschijnlijk is meer onderzoek nodig om het ideale elektrode‑materiaal voor koude omstandigheden te vinden.

Op de lange termijn kan dergelijke technologie ook belangrijke toepassingen hebben in de ruimteverkenning, waarbij voertuigen en energieopslagsystemen die in een baan, op de maan of op Mars opereren, waarschijnlijk sterke prestaties nodig hebben, zelfs in extreem koude omgevingen.

Investeren in geavanceerde batterijtechnologieën

Batterijen staan centraal in de elektrificatietrend, een grootschalig project van meerdere biljoen dollars dat erop gericht is fossiele brandstoffen uit onze energiebronnen te verwijderen.

U kunt investeren in batterijgerelateerde bedrijven via vele brokers, en u kunt hier, op securities.io, onze aanbevelingen vinden voor de beste brokers in de VS, Canada, Australië, het VK, evenals in vele andere landen.

Als u niet geïnteresseerd bent in het selecteren van specifieke batterijbedrijven, kunt u ook kijken naar batterij‑ETF’s zoals Amplify Lithium & Battery Technology ETF (BATT), Global X’s Lithium & Battery Tech ETF (LIT), of de WisdomTree (WT ) Battery Solutions UCITS ETF, die een meer gediversifieerde blootstelling bieden om te profiteren van de groeiende batterij‑industrie.

CATL (300750.SZ)

Zoals besproken, is CATL een technologische leider met geavanceerde honingraat‑lithium‑ionbatterijen en natrium‑ionontwerpen.

Het bedrijf is de wereldleider in batterijproductie en produceert meer dan de helft van het wereldwijde batterijvolume. Het is aanwezig in elke stap van de toeleveringsketen voor batterijproductie.

Dit geldt voor lithium‑ionbatterijen, waar het bedrijf al lange tijd een gevestigde leider is. Het is ook sterk in LFP‑batterijen (lithium‑ijzer‑fosfaat), met het recent aangekondigde verbeterde ontwerp dat in slechts 10 minuten 600 km bereik kan toevoegen. In totaal zou het rijbereik boven de 1.000 km (600 mijl) kunnen liggen, waardoor alle “range‑angst” voor toekomstige EV‑eigenaren volledig wordt weggenomen.

Parallel hieraan heeft CATL in het verleden ook indrukwekkende vooruitgang aangekondigd op veel batterijtypen:

• Een 12.000‑cycli ultra‑langlevende batterij voor grootschalige energieopslag, met 18.000 cycli als langetermijndoel.
• Een batterij met een energiedichtheid van 500 Wh/kg, die mogelijk de elektrificatie van passagiersvliegtuigen mogelijk maakt
• Massaproductie van 160 Wh/kg natrium‑ionbatterijen, met een doel van 200 Wh/kg.

Bron: CATL

CATL heeft 3,25 mrd geïnvesteerd in batterij‑recyclingcapaciteit in China. Het heeft notable een opmerkelijk terugwinningspercentage behaald van 99,6 % voor nikkel, kobalt, mangaan, en 91 % voor lithium.

Dankzij haar schaal, focus en R&D‑prestaties zal CATL waarschijnlijk vooroplopen in batterijinnovatie, -productie en -recycling.

Dit maakt het een belangrijke partner voor EV‑fabrikanten, waaronder Tesla (TSLA ), NIO, Ford, Stellantis, enz., met Hyundai recent toegevoegd aan CATL’s groeiende lijst van strategische allianties.

Bovendien kunnen de lessen die in één chemie zijn geleerd, toepasbaar zijn op een andere. Dus de ontdekking die in dit artikel wordt besproken, zou de oorsprong kunnen zijn van verrassende combinaties; bijvoorbeeld, we kunnen enkele nieuwe ideeën voorstellen:

• Negatieve thermische uitzetting‑elektrode gebouwd met een honingraatstructuur.
• Negatieve thermische uitzetting toepassen op natrium‑iontechnologie om de ultieme koude‑bestendige batterij te creëren.
• Negatieve thermische uitzetting gebruiken in CATL’s ultra‑stabiele grootschalige batterijen, waarmee de markt voor het elektriciteitsnet van koude landen wordt veroverd.

De schaalvoordelen van het al produceren van de helft van ‘s werelds batterijen zijn waarschijnlijk ook van toepassing op het hele bedrijf, ongeacht de specifieke technologie die in een individueel product wordt gebruikt.

Dus hoe meer vooruitgang er in het algemeen wordt geboekt op het gebied van batterijtechnologie, hoe waarschijnlijker het is dat CATL deze kan integreren in haar bestaande ontwerpen, waardoor een grotere vraag ontstaat, die op haar beurt de schaalvoordelen verder vergroot, in een positieve terugkoppelingslus.

Ten slotte moeten beleggers zich bewust zijn van de groeiende kloof tussen de VS en China, waarbij CATL een potentieel collateral slachtoffer kan zijn.

Het is toegevoegd aan de Chinese Military Company (CMC) lijst van het Amerikaanse Ministerie van Defensie.

CATL verklaarde in een verklaring dat het nooit betrokken is geweest bij militaire activiteiten of zaken, en dat de opname op de CMC‑lijst een “fout” was.

Het bedrijf merkte op dat het geen substantieel nadelige impact op haar bedrijfsvoering verwacht, en dat het in gesprek is met het Amerikaanse Ministerie van Defensie om de situatie aan te pakken, inclusief juridische stappen indien nodig.

Fast Market

Deze bepaling legt geen onmiddellijke sancties op aan CATL of andere bedrijven op de lijst, maar kan toch de aandelenkoers en de toekomstige exporten van CATL naar westerse markten beïnvloeden.

(U kunt ook ons langere rapport van september 2024, volledig gewijd aan CATL, lezen voor een diepere duik in de geschiedenis en technologie van het bedrijf).

Studieverwijzing:

^{1. Li, Q., Yang, L., Liang, G., Yu, J., Huang, S., Wu, L., Lin, C., & Che, R. (2024). Negatief thermisch uitzettingsgedrag dat goede elektrochemische-energieopslagprestaties bij lage temperaturen mogelijk maakt. Angewandte Chemie International Edition. https://doi.org/10.1002/anie.202419300}