Honingsraatbatterij die mogelijk solid-state batterijen overtreft

Batterijen Om De Wereld Te Elektrificeren

Battery technology is changing the world in countless ways. The most obvious example of this is EVs, but advanced batteries are also the driving force behind the growing importance of drones and other futuristic innovations like maglev, Hyperloop trains, and even massadrivers om de ruimte te veroveren.

Ze zullen ook essentieel zijn om ons elektriciteitsnet groen te maken door de energieproductiecurves van zonnepanelen in de avond en windturbines op windstille dagen te egaliseren.

Bron: Statista

Voorlopig wordt de batterijtechnologie gedragen door lithium-iontechnologie, een ontdekking zo essentieel dat het de Nobelprijs voor Scheikunde in 2019 won (je kunt meer lezen over de geschiedenis van de ontdekking in ons speciale artikel).

Toch hebben lithium-ionbatterijen één ernstige beperking. Na verloop van tijd groeien er pieken van metallisch lithium, dendrieten genoemd, een beetje bij elke laad-/ontlaadcyclus. Dit kan ertoe leiden dat de dendrieten de batterijcomponenten doorboren, waardoor er een kortsluiting ontstaat. Het gevaar van zo’n kortsluiting wordt nog vergroot door het feit dat lithium-ionbatterijen brandbare elektrolyten gebruiken, waardoor batterijbranden zeer heet en moeilijk te blussen zijn.

Dit is een probleem dat tot op zekere hoogte gedeeld wordt door alle op lithium gebaseerde batterijen, inclusief LFP (Lithium-Ferrum-Phosphate) chemie. Tenminste tot nu toe.

Bron: Nobel Prize

Al lange tijd werd gedacht dat het alternatief ofwel een geheel andere chemie zoals natrium-ion, of een ander batterijconcept was, met name solid-state batterijen, die helemaal geen elektrolyten gebruiken.

Dit blijkt uiteindelijk toch niet waar te zijn. De toonaangevende batterijfabrikant CATL heeft aangekondigd dat een nieuw “honingsraat” ontwerp batterijen kan creëren zonder tekenen van degradatie na 5 jaar intensief gebruik.

Dit ontwerp zou kunnen worden gebruikt om batterijen te maken die net zo energiedicht zijn als solid-state batterijen, terwijl ze nog grotendeels huidige technologie gebruiken.

Honingsraten Om Meer Energie Op Te Slaan.

Een belangrijke reden waarom batterijen degraderen en dendrieten groeien, is dat het materiaal tijdens elke laad-/ontlaadcyclus krimpt en uitzet wanneer de lithiumionen de matrix van de anode binnengaan.

Het beheersen van krimp/expansie is ook een van de belangrijkste problemen die de ontwikkeling van solid-state batterijen hebben belemmerd. CATL beweert een oplossing te hebben gevonden door een complexe honingsraatachtige structuur voor zijn anodemateriaal te ontwikkelen.

Het idee is niet geheel nieuw, aangezien het al door onderzoekers werd voorgesteld, bijvoorbeeld in een wetenschappelijk artikel uit 2020 getiteld “Stretchable lithium-ion battery based on new micro-honeycomb structure”.

Bron: Phys.org

Het bedrijf kondigde een nieuwe LFP (lithium-ijzerfosfaat) batterij aan die 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 verdwijnt.

In totaal betekent dit dat 1 km bereik per seconde kan worden opgeladen en een volledige lading voor 1.000 km zal 16,6 minuten duren.

Nieuw Dichtheidsrecord

Dit indrukwekkende bereik is mogelijk omdat “de energiedichtheid van het Shenxing-batterijsysteem voor het eerst de drempel van 200 Wh/kg overschrijdt en 205 Wh/kg bereikt”.

Dit werd bereikt dankzij een “honingsraat” structuur die het materiaal in de juiste positie houdt, waardoor scheuren en krimp tijdens het opladen worden voorkomen.

Het bedrijf is natuurlijk relatief terughoudend met de details van zijn productieproces, aangezien batterijtechnologie misschien een van de meest competitieve sectoren ter wereld is, met name met de volgende generatie bladbatterijen van BYD die naar verwachting 190 Wh/kg zullen halen.

Productiegeheimen

We weten wel dat ze iets gebruikten dat “granulaire gradatie/nanometer encapsulatie” wordt genoemd, waarmee elke nanometerdeeltje op de juiste plek in de cel kan worden geplaatst. Ze vermeldden ook een “snelle lithium-ion geleidingscoating” om de energietransmissie tussen de twee polen van de batterij te versnellen.

CATL-fabrieken zijn sterk geautomatiseerd en kunnen in hun vlaggenschipfabriek één van de nieuwe LFP-batterijen per seconde produceren.

Uit een wetenschappelijk artikel uit 2021 kunnen we enkele belangrijke voordelen van honingsraatvormen leren, met name een lage dichtheid en hoge uit-van-vlak compressie‑ en schuifsterkte (weerstand van materialen tegen krachten die parallel maar in tegengestelde richting werken).

De honingsraat‑grafeenopstelling voorkomt effectief de agglomeratie van siliciumnanodeeltjes, verbetert de elektrische geleidbaarheid en vermindert de Li+ transportweerstand.

Hoewel niet duidelijk is hoe CATL dit heeft gedaan, zijn enkele van deze methoden bekend; bijvoorbeeld opeenvolgende thermische en chemische behandelingen met koolstof en zuur kunnen een nano‑honingsraatstructuur creëren.

Bron: Chemistry Europe

Bron: Chemistry Europe

Andere Verbeteringen

In batterijtechnologie telt elke verbetering, omdat ze elkaar kunnen versterken om de batterij dichter te maken. Hierdoor wordt het volume van de batterij dat nodig is voor een bepaalde actieradius verminderd. Dit verlaagt vervolgens het totale gewicht, waardoor het bereik en/of het aantal benodigde batterijen verder toeneemt.

Parallel aan zijn honingsraatstructuur kondigde CATL ook enkele andere verbeteringen aan. Een factor die de dichtheid van CATL’s nieuwe batterij verhoogt, is geoptimaliseerde cel‑naar‑behuizingtechnologie (CTB), die de ruimte die de batterij inneemt in het batterijpakket optimaliseert. Dit leidde tot een volumeverbetering van 7%.

Andere kenmerken zijn een ultra‑hoog koelingsefficiëntie‑high‑voltage box, die het energieverbruik van het koelsysteem vermindert. Een AI‑intelligent batterijbeheersysteem‑algoritme zorgt bovendien voor de veiligheid van de batterij.

Laadinfrastructuur

De infrastructuur om EV’s op te laden is lange tijd een beperkende factor geweest, voornamelijk omdat je een netwerk nodig hebt dat net zo dicht is als de huidige tankstations om lange wachttijden en gaten in het laadinfrastructuur in afgelegen gebieden te vermijden. Een ander probleem doemt echter op: de capaciteit van deze laadstations.

Naarmate batterijen beter in staat zijn enorme vermogensbelastingen en snel opladen aan te kunnen, hebben de laadstations zelf een hogere capaciteit nodig. De snelle 16‑minuten‑lading voor 1.000 km vereist een 4C‑laadproces, wat op zijn beurt een enorme laadstroom van 400 kW vereist voor een 100 kWh‑batterij.

Om deze reden kondigde CATL destijds aan dat het de markt voor laadinfrastructuur betreedt. Het zal beginnen met de bouw van het Shenxing Superfast Charging Network in China, in samenwerking met toonaangevende partners zoals Star Charge, YKC en Shudao New Energy.

In totaal plant het 600 servicepunten die 271 prefectuur‑niveau steden in 31 provinciale regio’s dekken. Het aanbieden van batterijen, laadnetwerken en diensten zoals batterijinspectie en -onderhoud heeft tot doel een gesloten‑lus‑ecosysteem te creëren.

Voorbij LFP & EV

Utility‑schaal

CATL is steeds actiever op de utility‑schaal batterijenmarkt, met schijnbaar een hernieuwde interesse in het gebruik van lithium‑gebaseerde chemie, na eerst natrium‑ion te hebben overwogen.

Het meest opvallend is dat het heeft verklaard dat een pilotproject met het TENER‑gecontaineriseerde batterijsysteem nul degradatie in capaciteit heeft aangetoond na een volledige werking van 5 jaar.

Bron: Sustainability Environment

Om TENER te realiseren, gebruikte het bedrijf een SEI met biomimetische ionkanalen en hoge stabiliteit, samen met zelf‑samengestelde elektrolyttechnologieën die wat zij een “tijdloos opslagsysteem voor energie” noemen.
Gebaseerd op geavanceerde technologie en extreme productiecapaciteiten, hebben we de uitdagingen van zeer actieve lithium‑metalen […] opgelost, wat effectief helpt de thermische instabiliteit veroorzaakt door de oxidatiereactie te voorkomen,”

Deze ongekende prestatie van TENER zou de vergelijking voor vaste batterijopslag volledig kunnen veranderen, aangezien geen degradatie een veel beter veiligheidsprofiel betekent. Het verandert ook de berekening van afschrijving door een veel duurzamer batterijpakket te beloven, een belangrijk punt voor nutsbedrijven.

Dus andere chemie zou deze markt nog steeds kunnen winnen, zoals we bespraken in “The Future Of Energy Storage – Utility-Scale Batteries Tech”. Maar het is ook mogelijk dat lithium de utility‑markt wint, die veel groter is dan zelfs de gigantische en groeiende EV‑markt.

Gecondenseerde Staat

Het is ook mogelijk dat honingsraatstructuren achter de “gecondenseerde staat” batterij staan die in 2023 werd onthuld en naar verwachting binnenkort op de markt komt.

Deze lithiumbatterijen (niet LFP) zouden een energiedichtheid van 500 Wh/kg moeten hebben, of 2,5 x hoger dan de recent aangekondigde LFP‑batterijen.

1. Gecondenseerde staat met 500 Wh/kg voor high‑end EV’s en mogelijk zelfs nieuwe markten zoals elektrisch aangedreven vliegtuigen.
2. Geavanceerde LFP met 200 Wh/kg voor EV’s van gemiddelde prijs, met een bereik van 1.000 km dat in 16 minuten kan worden opgeladen met de juiste laadinfrastructuur.
3. Natrium‑ion voor goedkope EV’s met een kleiner bereik.

Het is niet duidelijk waar solid‑state batterijen in die mix zouden passen. Sommige investeerders maken zich zelfs zorgen dat de eerste generatie solid‑state ontwerp zou kunnen worden overtroffen door de productieschaal van CATL’s geavanceerde LFP‑ en gecondenseerde‑staat batterijen.

Bron: Nature

Investeren in Geavanceerde Batterijtechnologieën

Batterijen staan centraal in de elektrificatietrend, een enorme onderneming van meerdere biljoen dollars die erop gericht is fossiele brandstoffen uit onze energiebronnen te verwijderen.

Je kunt via vele brokers investeren in bedrijven die met batterijen te maken hebben, en je kunt hier, op securities.io, onze aanbevelingen vinden voor de beste brokers in de VS, Canada, Australië, het VK, evenals vele andere landen.

Als je niet geïnteresseerd bent in het selecteren van specifieke batterijbedrijven, kun je 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.

Geavanceerde Batterijbedrijven

1. CATL (300750.SZ)

We hebben al gesproken over de technologische voorsprong van CATL. 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 batterijfabricage‑leveringsketen en is een leider op het gebied van batterijtechnologie.

Dit geldt voor lithium‑ionbatterijen, waar het bedrijf al lange tijd een gevestigde leider is. Nu lijkt het klein in vergelijking met de nieuwste aankondiging.

CATL heeft in het verleden ook indrukwekkende vooruitgang aangekondigd op meerdere andere batterijtypes :

• Een 12.000‑cycli ultra‑langlevende batterij voor utility‑schaal energieopslag, met 18.000 cycli als langetermijndoel.
• Een 700 km LFP (Lithium‑Ferrum‑fosfaat) batterij die 400 km bereik in 10 minuten oplaadt, nu klein lijkt in vergelijking met de nieuwste aankondiging.
• Een 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

Bron: CATL

CATL heeft ook 3,25 miljard geïnvesteerd in batterijrecyclingcapaciteit in China. CATL heeft opmerkelijk een herstelpercentage van 99,6 % voor nikkel, kobalt, mangaan en 91 % voor lithium behaald.

Dankzij zijn 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., waarbij Hyundai recentelijk is toegevoegd aan de groeiende lijst van strategische allianties van CATL.

Bovendien kunnen de lessen die in één chemie zijn geleerd, toepasbaar zijn op een andere, dus we zouden binnenkort bijvoorbeeld honingsraat‑ of gecondenseerde‑staat natrium‑ionbatterijen kunnen zien. De schaalvoordelen bij het produceren van de helft van de wereldbatterijen zijn waarschijnlijk ook van toepassing op het hele bedrijf, ongeacht de specifieke technologie die in een individueel product wordt gebruikt.

2. BYD (BYDDY)

Een langdurige uitdager van Tesla op de EV‑markt, BYD is een serieuze concurrent geworden, niet alleen voor Tesla maar voor vrijwel alle autofabrikanten.

Het bedrijf is geëvolueerd van zijn oorsprong als leverancier van lithium‑ion telefoonsbatterijen tot het verkopen van bijna evenveel EV’s als Tesla in China (de grootste EV‑markt ter wereld) en het best‑verkochte EV te zijn in Thailand, Zweden, Australië, Nieuw‑Zeeland, Singapore, Israël en Brazilië.

BYD is een grote reden waarom China plotseling in 2023 ‘s werelds grootste auto‑exporteur werd, waarmee Japan werd overtroffen. De agressieve buitenlandse expansie van het bedrijf wordt ook ondersteund door nieuwe fabrieken, zoals in Hongarije.

En met de introductie van auto’s van $10.000‑$12.000 zoals de Seagul, die natriumbatterijen gebruiken, zou een geheel nieuwe markt kunnen opengaan voor BYD‑EV’s.

Bron: By User3204 – Own work, CC BY-SA 4.0,

Nog steeds een batterijfabrikant in de kern, is BYD een serieuze uitdager voor CATL op de LFP (lithium‑ijzerfosfaat) batterijenmarkt, met een marktaandeel van 41,1 % in China (vergeleken met 33,9 % van CATL).

De “overstroming” van goedkope EV’s die BYD produceert op de Europese en Amerikaanse markten zal waarschijnlijk worden geconfronteerd met een zekere mate van protectionisme (zelfs boven de recent opgelegde tarieven), wat de groei van BYD kan belemmeren.

Maar tegelijkertijd zijn goedkope Chinese EV’s al een groot succes in de rest van de wereld, die geen gevestigde binnenlandse autofabrikanten heeft om te beschermen, inclusief heel Zuid‑Amerika, Rusland, Afrika, het Midden‑Oosten en Zuidoost‑Azië.

Dit vertegenwoordigt enkele miljarden potentiële klanten voor BYD, die wonen in landen die een geopolitiek evenwicht willen vinden en goede betrekkingen willen behouden met zowel het Westen als China, waardoor het onwaarschijnlijk is dat er te sterke protectionistische barrières ontstaan.

En zelfs in de EU of de VS zou BYD concurrerend kunnen blijven, dankzij de veel hogere prijzen van lokale EV‑fabrikanten vergeleken met de prijzen in China, evenals de lokalisatie van de productie buiten China voor deze markten, bijvoorbeeld in Oost‑Europa, Mexico of Turkije.