Een betere batterij ontwerpen – Weg met kobalt en binnen met…TAQ?

Researchers at the Massachusetts Institute of Technology (MIT) have recently ontwikkeld a new type of battery technology that forgoes the need for precious metals.  In their place? An organic cathode known as bis-tetraaminobenzoquinone or ‘TAQ’.

Het belang van batterijen

Met de opkomst van elektrische voertuigen — grotendeels dankzij het Amerikaanse Tesla (TSLA ) en de Chinese bedrijven BYD en CATL — is batterijtechnologie belangrijker dan ooit geworden. Ze is niet alleen relevant voor elektronica, maar ook voor mobiliteit en binnenkort eveneens voor het elektriciteitsnet, waar ze de wisselende productie van hernieuwbare energiebronnen zoals wind en zon kan opvangen.

Werelwijd EV-verkopen – Source: IEA

Tot op heden is de dominante chemie voor batterijen lithium-iontechnologie. Dit komt omdat deze batterijen een van de meest energiedichte zijn wanneer gemeten in kW/kg. Deze metriek is verreweg het belangrijkst in mobilietoepassingen, aangezien elk extra kilo batterij een behoefte aan meer batterij en/of minder bereik betekent.

Dus, aangezien EV’s bewezen hebben de waarschijnlijk sleuteltechnologie van de toekomst voor auto’s te zijn (en misschien vrachtwagens en zelfs vliegtuigen), is er aanzienlijke inspanning geleverd om batterijtechnologie te verbeteren.

Lithium-ion opgeven?

Hoewel de energiedichtheid hoog is, kent de traditionele lithium-iontechnologie ook gebreken. Er moet nog een reeks problemen worden opgelost:

• De dichtheid is nog steeds relatief laag vergeleken met vloeibare brandstoffen zoals benzine en diesel, wat leidt tot range‑angst.
• Opladen kan redelijk traag zijn, wat een probleem is voor veel bestuurders en commerciële toepassingen.
• Batterijen zijn duur, grotendeels vanwege de noodzaak voor dure mineralen.
  • Dit zorgde ervoor dat EV’s aanvankelijk meer een luxeproduct waren dan een normaal consumentengoed.
  • De winning van deze mineralen is zelden milieuvriendelijk en gaat vaak gepaard met afschuwelijke arbeidsomstandigheden en uitbuiting van arme arbeiders of kinderen in mijnen, vooral in het geval van kobalt in Congo.

Daarom zijn tal van alternatieve chemische samenstellingen onderzocht. Deze omvatten onder meer:

• LFP (Lithium‑ijzerfosfaat)
• natrium‑ion
• solid‑state batterijen
• lithium‑zwavel
• grafiet
• glazen batterijen

De oxidatie van aluminium has even been discussed as an alternative to batteries altogether. However, all of these alternatives have their limitations. This can include a shorter lifespan, manufacturing difficulty, etc.

(We bespraken in detail de voordelen en beperkingen van elk van deze technologieën in ons artikel “De toekomst van mobiliteit – Batterijtechnologie”).

De meest veelbelovende opties, zoals solidstatebatterijen, bevinden zich nog in de experimentele fase. Varianten die klaar zijn voor commercialisering, zoals LFP en natrium-ion, hebben een lagere energiedichtheid dan lithium-ion.

There is probably a market for these lower-density batteries, as they are also much cheaper to produce. The Chinese company CATL (300750.SZ), which produces more than half of the planet’s batteries, is among the leaders in this field. We discussed the leading battery manufacturers in our article “Top 10 batterijacties om in te investeren”.

Uiteindelijk zou de ideale elektrische auto een goedkope én krachtige batterij hebben. Die combinatie zal waarschijnlijk nodig zijn om de verbrandingsmotor volledig te vervangen, vooral voor commerciële toepassingen.

Het kathodeprobleem van lithium-ion

De meeste beperkingen van lithium-ion komen voort uit de chemische en fysische eigenschappen van de kathode. Juist de kathode heeft doorgaans kobalt nodig, en zelfs mogelijke kobaltvrije alternatieven leunen vaak zwaar op andere dure metalen zoals nikkel en magnesium.

(De metalen die nodig zijn voor de overgang naar elektrische voertuigen en hernieuwbare energie zijn uitgebreider besproken in ons artikel “Top 10 aandelen in batterijmetalen en mijnbouw voor hernieuwbare energie”)

Deze metalen moeten worden gewonnen, veroorzaken vervuiling en de arbeidsomstandigheden zijn vaak erbarmelijk. Ze zijn ook giftig, waardoor het recyclen van batterijen ingewikkelder wordt.

Bron: Visual Capitalist

Onderzoekers hebben gezocht naar koolstofgebaseerde alternatieven, de zogenoemde organische kathoden. Tot nu toe was dat weinig succesvol, omdat organische kathoden een te lage energiedichtheid hadden of niet duurzaam genoeg waren voor de frequente laad- en ontlaadcycli van elektrische voertuigen.

Dat kan veranderd zijn dankzij de eerder genoemde ontdekking van de MIT-onderzoekers.

Een nieuw type organische kathode

Prof. Mircea Dincă, werkzaam als W.M. Keck Professor of Energy aan MIT, has recently explored new organic compounds previously untested for cathode applications. Instead of the previously explored organosulfur and carbonyl compounds, he looked at a compound called TAQ (bis-tetraaminobenzoquinone). His team had previously demonstrated the potential of this chemical as a supercapacitor material.

TAQ has great potential for use in batteries, as it forms “gelaagde solid‑state structuren die potentieel kunnen concurreren met de prestaties van traditionele kobalt‑gebaseerde kathodes.”

Dat alleen zou niet voldoende zijn geweest. De MIT-onderzoekers ontdekten ook hoe ze de hechting van TAQ aan de roestvaststalen stroomcollector van de kathode konden verbeteren, waardoor het nieuwe proof-of-concept-kathodeprototype stabieler werd.

Door cellulose- en rubberhoudende materialen aan TAQ toe te voegen, bereikten ze veilig meer dan 2.000 laad-ontlaadcycli. De energiedichtheid was bovendien hoger dan bij kobaltgebaseerde kathoden en het opladen duurde minder dan zes minuten.

Wat is het volgende?

Voorlopig gaat het om een laboratoriumprototype. Er is meer werk nodig om dit op te schalen tot een volledig batterijpakket voor elektrische voertuigen, en nog meer om te bepalen hoe een grootschalig productieproces voor deze nieuwe batterijchemie kan worden opgezet.

Toch is dit een van de eerste keren dat een organische kathode een kobaltgebaseerd lithium-ionontwerp op alle belangrijke maatstaven overtreft: energiedichtheid, materiaalkosten en laadsnelheid.

Dit laat zien dat lithium-ionchemie de dominante batterijchemie kan blijven, zolang de afhankelijkheid van metalen die ethische en milieuproblemen veroorzaken kan worden opgelost.

Het onderzoek van professor Dincă toont ook aan dat organische kathoden veel potentieel hebben. Mogelijk zijn er nog duizenden andere organische verbindingen die niet voor deze toepassing zijn getest. Zelfs als TAQ onvoldoende blijkt om kobalt en nikkel te vervangen, kan een vergelijkbare stof daar wel in slagen.

Lithium-ionontwerpen profiteren ook van een enorme bestaande toeleveringsketen en productiebasis. Alleen de kathode vervangen is veel eenvoudiger dan batterijfabrieken volledig herbouwen voor nieuwe chemische samenstellingen. Verbetering van lithium-ion kan zakelijk gezien dus zeer logisch zijn.

It is also worth noting that organic cathodes have been discussed for other types of batteries as well, for example, for aluminium‑ion, natrium-/kalium‑ion, zink, or calcium‑gebaseerde dual‑ion batteries. So, it is possible that the discovery of TAQ’s properties can be applied to other battery types than lithium-ion.

Organische componenten maken batterijen in ieder geval eenvoudiger te recyclen. Dit vraagstuk — en de bijbehorende beleggingskans — hebben we uitgebreid onderzocht in ons artikel “Het lithium-iondilemma aanpakken: afgedankte batterijcellen verwerken in een steeds verder geëlektrificeerde wereld”.

Organische kathodebedrijven

Volkswagen AG

Het onderzoek van professor Mircea Dincă werd gefinancierd door Automobili Lamborghini S.p.A., een dochteronderneming van Audi, dat eigendom is van de Volkswagen Group. Voor de organische kathodetechnologie is al een octrooiaanvraag ingediend.

De Duitse autofabrikant is na Toyota de op één na grootste autoproducent ter wereld. Het bedrijf liep een tijdlang achter op het gebied van elektrische voertuigen, maar heeft sindsdien hard gewerkt om die achterstand in te halen, met name via de ID-modellen en meerdere hybrides.

Bron: Volkswagen

Tegen 2033, de Volkswagen Group plant alleen EV’s te produceren in Europa.

De samenwerking met de MIT-onderzoekers is slechts een van de vele. Andere partnerschappen rond elektrische voertuigen zijn onder meer:

• Een partnerschap met Renault voor een EV van 20.000 euro.
• Een investering van $700 M in het Chinese Xpeng om EV-verkopen in China te stimuleren.
• Een partnerschap met de Chinese SAIC Motor om EV-platforms te leveren aan Volkswagen.
• Een partnerschap met Jetta Motor voor het verwerven van EV-technologie.
• Een partnerschap van $492 M met Magna om de iconische Scout SUV’s te revitaliseren als EV

Dankzij zijn ambitieuze plannen voor elektrische voertuigen en toegang tot geavanceerde EV-technologie van toonaangevende Chinese bedrijven verkeert Volkswagen in een goede positie om MIT’s gepatenteerde organische kathodetechnologie te beoordelen en die op grote schaal in toekomstige elektrische voertuigen toe te passen.

Andere organische batterijbedrijven

Hoewel ze geen nieuwe kathoden ontwikkelen, werken twee startups aan het gebruik van organische verbindingen om de prestaties van anoden te verbeteren: Store Dot en EnergyX.