Nobelprijzen

Investeren in Nobelprijsprestaties: Lithium‑ionbatterijen om de wereld van stroom te voorzien

mm
Gepubliceerd op
Bijgewerkt op
Voeg Securities.io toe aan je voorkeursbronnen op Google
Toelichting: Securities.io kan een vergoeding ontvangen wanneer u links naar beoordeelde producten gebruikt. Dit beïnvloedt onze redactionele beoordelingen niet. Wij zijn geen geregistreerd beleggingsadviseur; dit is geen beleggingsadvies. Lees onze affiliateverklaring.

Geschiedenis van de Nobelprijs

De Nobelprijs is de meest prestigieuze onderscheiding in de wetenschappelijke wereld. Hij werd opgericht volgens de wil van de heer Alfred Nobel om een prijs “toe te kennen aan degenen die, gedurende het voorgaande jaar, de grootste bijdrage aan de mensheid hebben geleverd” op het gebied van natuurkunde, scheikunde, fysiologie of geneeskunde, literatuur en vrede. Een zesde prijs werd later gecreëerd voor economische wetenschappen door de Zweedse centrale bank.

De beslissing over wie de prijs krijgt, ligt bij meerdere Zweedse academische instellingen.

Erfeniszorgen

De beslissing om de Nobelprijs op te richten kwam bij Alfred Nobel nadat hij zijn eigen overlijdensbericht had gelezen, veroorzaakt door een fout van een Franse krant die het nieuws over de dood van zijn broer verkeerd begreep. Getiteld “De Doodsgedreven Handelaar Is Dood”, bekritiseerde het Franse artikel Nobel vanwege zijn uitvinding van rookloze explosieven, waarvan dynamiet de bekendste was.

Zijn uitvindingen waren zeer invloedrijk in de vorming van de moderne oorlogsvoering, en Nobel kocht een enorme ijzer- en staalfabriek om deze om te vormen tot een grote wapenfabrikant. Omdat hij eerst chemicus, ingenieur en uitvinder was, besefte Nobel dat hij niet wilde dat zijn erfenis zou bestaan uit een man die bekend staat om een fortuin te hebben gemaakt ten koste van oorlog en de dood van anderen.

Nobelprijs

Tegenwoordig wordt het fortuin van Nobel bewaard in een fonds dat wordt belegd om inkomsten te genereren voor de Nobelstichting en de vergulde groene gouden medaille, het diploma en de geldprijs van 11 miljoen SEK (ongeveer $1 miljoen) die aan de winnaars worden toegekend.

Vaak wordt het Nobelprijsgeld verdeeld over meerdere winnaars, vooral in wetenschappelijke vakgebieden waar het gebruikelijk is dat 2 of 3 toonaangevende figuren samen of parallel bijdragen aan een baanbrekende ontdekking.

In de loop der jaren is de Nobelprijs DE wetenschappelijke prijs geworden, die probeert een evenwicht te vinden tussen theoretische en zeer praktische ontdekkingen. Hij heeft prestaties beloond die de fundamenten van de moderne wereld hebben gelegd, zoals radioactiviteit, antibiotica, röntgenstralen, of PCR, evenals fundamentele wetenschap zoals de energiebron van de zon, de elektrische lading van het elektron, atomstructuur, of supervloeibaarheid.

Een Batterij om Alles van Stroom te Voorzien

Tegenwoordig lijkt elektrificatie een onstuitbare trend, die onze energiesystemen overneemt en fossiele brandstoffen vervangt, van elektrische voertuigen tot warmtepompen. Niets hiervan zou mogelijk zijn geweest zonder de opkomst van batterijen die radicaal krachtiger zijn dan de vorige ontwerpen op basis van metaal en zuur.

Batterijen, als algemeen concept, werken door elektriciteit op te slaan en deze weer vrij te geven. Terwijl sommige batterijen eenmalig zijn, zijn de meer bruikbare batterijen oplaadbaar. Voor een zeer lange tijd was de lood‑zuur‑batterij, uitgevonden halverwege de 19e eeuw, de dominante vorm van oplaadbare batterijen dankzij de lage kosten en robuustheid.

In hun eenvoudigste vorm functioneren lood‑zuur‑batterijen door zwavelionen van het zuur naar de loodatomen te verplaatsen tijdens het opladen en deze reactie om te keren bij het ontladen.

Dit ontwerp bleef het dominante batterijformaat, maar werd beperkt door verschillende problemen:

  • Zwaar gewicht
  • Corrosieve materialen.
  • Relatief korte levensduur met slechts enkele honderden tot duizend cycli.
  • Zelfontlading na verloop van tijd.
  • Beperkte energieopslag/energiedichtheid.

Al deze beperkende factoren maakten de lood‑zuur‑batterij een goede optie voor toepassingen met laag vermogen, zoals het laten werken van de vonken en radio van een benzineauto. Maar alles wat meer vraagt, van elektronica tot het vervangen van fossiele brandstoffen, zou niet werken met dit type batterij.

Dit zou veranderen dankzij het gecombineerde werk van drie verschillende onderzoekers, John B. Goodenough, M. Stanley Whittingham, en Akira Yoshino. Samen wonnen zij in 2019 de Nobelprijs voor Scheikunde voor hun bijdrage aan het creëren van de lithium‑ionbatterij.

Tegenwoordig zijn lithium‑ionbatterijen geëvolueerd van het aandrijven van computers, smartphones en powerbanks naar elektrische voertuigen, stroomnetten, en misschien binnenkort zelfs vliegtuigen.

Unieke Elektrische Eigenschappen van Lithium

Lithium werd voor het eerst ontdekt in 1817 door Zweedse chemici. Het is het lichtste vaste element, met atoomnummer 3 (slechts 3 protonen in de kern).

Bron: Medium

De kleine grootte van lithiumatomen betekent dat ze slechts één elektron in hun buitenste schil hebben, en wanneer dit elektron naar een ander atoom beweegt, geeft dit een enorme elektrische potentiaalverandering per atoom.

Hoewel deze extreme reactiviteit ideaal is voor gebruik in batterijen, brengt het ook bepaalde gevaren met zich mee. Door de hoge reactiviteit van het element bestaat er een potentieel dat zuiver lithiummetaal zelfontbrandt bij contact met water of lucht. Dit is enigszins vergelijkbaar met metallisch natrium of magnesium.

De meeste batterijen functioneren rond het basisconcept van een negatieve anode en een positieve kathode, verbonden door een vloeibare elektrolyt.

De extreme reactiviteit van lithium betekende dat de elektrolyt niet watergebaseerd kon zijn. In de jaren zestig werden verschillende dergelijke elektrolyten ontworpen met organische (koolstof‑gebaseerde) moleculen, om de juiste mix van inertie, smeltpunt, redox‑stabiliteit, oplosbaarheid van lithiumionen en zouten, ion‑/elektron‑overdrachtsnelheden, viscositeit, enz. te vinden.

Het oorspronkelijke ontwerp van lithium‑ionbatterijen gebruikte metallisch lithium als anode en carbonaatverbindingen als elektrolyten. Maar het vinden van het juiste kathodemateriaal was een grotere uitdaging.

Grote Olie Creëert Lithiumbatterijen

Hoe verrassend het ook klinkt, de oorsprong van de moderne lithium‑ionbatterij, die uiteindelijk de verbrandingsmotorauto zou bedreigen, werd ontwikkeld bij het “Big Oil” Exxon Research and Engineering Company.

In de jaren zeventig werd het idee van “peak oil”, of de uitputting van olievoorraden, zeer serieus genomen door oliemaatschappijen. Om hun voortdurende aanwezigheid in de energiesector te waarborgen, huurde Exxon enkele van de topwetenschappers in het vakgebied in. Ze kregen royale onderzoeksbudgetten gecombineerd met de zeldzame vrijheid om onafhankelijk te werken aan het idee dat zij het meest veelbelovend vonden.

Onder hen was Stanley Whittingham, een onderzoeker aan de Stanford University die zich specialiseerde in “intercalatie”. Intercalatie is het fenomeen waarbij atoom‑grote holtes in een materiaal zich kunnen binden aan ionen.

Intercalatie zou het ideale materiaal zijn om een kathode voor lithium‑ionbatterijen te bouwen, waarbij lithiumionen in de gaten worden vastgehouden.

Dit vereiste echter veel onderzoek, omdat de kathode ook aan een lange lijst specificaties moest voldoen:

  • Niet oplossen in de elektrolyt.
  • Geen intercalatie van de elektrolyt.
  • Intercalatie moet omkeerbaar zijn.
  • Minimale structurele veranderingen bij opladen en ontladen.
  • Kan opereren bij kamertemperatuur en -druk.

Whittingham koos uiteindelijk voor titaandisulphide (TiS₂), na overweging van tantaaldisulphide, maar koos titaan vanwege het zware gewicht van titaan.

Om de prestaties te verbeteren, vonden ze een methode waarbij TiS₂‑poeder werd gemengd met Teflon en bevestigd aan een stalen steun, omgeven door een polypropyleenfilm en lithiummetaal.

Het Dendrietprobleem

Een probleem bleef de potentiële lithium‑ionbatterij teisteren. Over vele laad‑ontlaadcycli vormde zich een boomachtige structuur, een dendriet, uit lithium.

Wanneer de dendriet door de isolator tussen de twee segmenten van de batterij brak, creëerde hij een kortsluiting. Dit probleem stopte de ontwikkeling van een commerciële lithium‑ionbatterij in zijn sporen.

Toen ze de andere elektrode bereikten, kortte de batterij door, wat tot een explosie kon leiden.

De brandweer moest een aantal branden blussen en dreigde uiteindelijk het laboratorium te laten betalen voor de speciale chemicaliën die werden gebruikt om lithiumbranden te blussen.

Dendrieten werden beter beheersbaar door aluminium aan de lithiumanode toe te voegen, waardoor de eerste commerciële lithium‑ionbatterij, gebruikt in horloges in 1976, werd gecreëerd.

Parallel daalde de olieprijs, die in de stagflatie van de jaren zeventig was gestegen, weer. Nieuwe olievoorraden werden ontdekt, waardoor de angst voor “peak oil” afnam. Het verminderde ook de inkomsten en winsten van Exxon, waardoor het bedrijf minder fundamenteel onderzoek ging doen en de nieuw uitgevonden batterij licentieerde aan andere bedrijven.

Betere Kathodemateriaal

Waar Stanley Whittingham een bruikbare kathode had gecreëerd, zou de volgende Nobelprijswinnaar, John Goodenough, de elektrische potentiaal verbeteren en zo de batterijprestaties verhogen.

Goodenough, een natuurkundige en wiskundige, had eerder bijgedragen aan de uitvinding van random‑access‑memory (RAM) aan MIT. Hij ging daarna naar de Universiteit van Oxford om onderzoek te doen naar energiesystemen, en specifiek batterijen.

Bij het bestuderen van de nieuw uitgevonden lithium‑ionbatterijen realiseerde hij zich dat metaaloxide nog beter kon werken dan Whittinghams metaal­sulfide. Na een systematisch onderzoek vond hij dat het ontwerp met lithium‑kobaltoxide twee keer zoveel elektrische potentiaal had als het vorige ontwerp, namelijk 4 V, en publiceerde zijn ontdekking in 1980.

Dit kobalt‑gebaseerde ontwerp bleef het dominante kenmerk van lithium‑ionbatterijen tot het laatste decennium, toen kobalt‑vrije alternatieve chemieën voor lithiumbatterijen begonnen te verschijnen. Een nog steeds gaand proces, zoals we bespraken in ons artikel “Designing a Better Battery – Out with Cobalt and In with…TAQ?”.

Een Nieuw Thuis voor Lithiumonderzoek

In westerse landen verminderde de dramatische daling van de olieprijzen in de jaren tachtig de vraag naar alternatieve energieoplossingen. In Japan echter werd de markt voor draagbare consumentenelektronica een bloeiende industrie. Deze had een toenemende stroomvoorziening nodig die ook lang meeging, lichtgewicht en klein genoeg was om in Walkmans, camera’s, computers, draadloze telefoons, enz. te passen.

Akira Yoshino van Asahi Kasei realiseerde zich vroeg dat batterijen de ontbrekende schakel waren en dat de industrie ze nodig zou hebben.

Lithium‑ionbatterijen pasten goed qua energiedichtheid, en ze hadden nu een goede kathode met Goodenough’s kobalt‑gebaseerde ontwerp. Het probleem met de lithium‑metaalanode en de gevaarlijke dendrieten bleef echter bestaan.

Yoshino testte batterijen met puur lithium en zag dat tests zoals het laten vallen van een zwaar gewicht op de batterij een krachtige explosie konden veroorzaken. Dit was te gevaarlijk voor grotere batterijen om aan de consumentenbeschermingswetgeving te voldoen, en zou sowieso een PR‑ramp worden.

Lithium uit de Anode Verwijderen

Grafiet, of puur koolstof, zoals de punt van een potlood, stond al lang bekend als een potentieel alternatief voor de metallische lithiumanode, dankzij het lage elektrische potentiaal ten opzichte van Li⁺/Li. Het probleem was dat het grafiet zou worden beschadigd en in de organische elektrolyt zou afbreken.

Yoshinos cruciale inzicht dat hem de Nobelprijs opleverde, was om petroleumcoke te gebruiken in plaats van grafiet. Coke is een bijproduct van de petroleumindustrie, en sommige kwaliteitsklassen van dit product bleken stabiel te zijn onder de vereiste omstandigheden om een lithium‑ionbatterij te vormen.

Yoshino constateerde ook dat een coke‑anode met de juiste graad van kristalliniteit grote hoeveelheden lithiumionen kon opnemen en vrijgeven. Dit ontwerp was veel veiliger en maakte de commercialisering van grotere lithium‑ionbatterijen mogelijk.

Yoshino bouwde vervolgens zo’n batterij met zowel zijn nieuw ontwikkelde coke‑anode als Goodenough’s kobaltoxide‑kathode.

Deze kwam in 1991 commercieel uit bij Sony en Asahi Kasei, 11 jaar na Goodenough’s ontdekking en 15 jaar na Whittinghams eerste commerciële lithium‑ionbatterij.

Erfenis en Voortdurende Relevantie van Lithium‑Ion

Yoshinos coke/kobaltoxide‑lithium‑ionbatterijen vonden snel hun weg naar alle moderne elektronische apparaten. Samen evolueerden ze met de vooruitgang in computer‑ en elektronicatechnologie om achtereenvolgens laptops, mp3‑spelers, smartphones, hand‑held consoles en tablets te creëren die alomtegenwoordig zijn in ons leven.

Lithium‑ion onderging een nieuwe revolutie met de opkomst van elektrische voertuigen. Ze werden aanvankelijk gestimuleerd door Tesla (TSLA ) en Chinese autofabrikanten zoals BYD (een batterijbedrijf voordat het ‘s werelds grootste elektrische automerk werd, zie meer over BYD aan het einde van het artikel).

Aangezien één elektrische auto het batterijvolume van honderden smartphones of computers verbruikt, heeft deze marktverandering geleid tot een explosie in de vraag naar lithium‑ionbatterijen, die de markt vóór 2015 ver overtreft.

Bron: Statista

De elektrificatierevolutie is nu in volle gang, zelfs als gevestigde autofabrikanten en kleinere start‑ups moeite hebben met de transitie, vooralsnog overtroffen door agressieve Chinese autofabrikanten met een voorsprong in EV‑technologie.

Lithium‑ionbatterijen vinden zelfs hun weg in het stabiliseren van het elektriciteitsnet, dat steeds meer afhankelijk wordt van intermitterende hernieuwbare energie. Dit is echter een categorie waarin lithium‑ion mogelijk niet de beste beschikbare chemie is, zoals we bespraken in “The Future Of Energy Storage – Utility‑Scale Batteries Tech”.

Vooruitgang in Batterijtechnologie

Een probleem van de explosieve vraag naar lithium‑ionbatterijen door EV’s is dat het ook een explosie in de vraag naar de metalen daarin heeft veroorzaakt.

Dit heeft geleid tot extreme volatiliteit in de lithiumprijzen, waarbij de lithiummijnindustrie snelle cycli van onder‑ en overproductie doormaakt.

Andere metalen, zoals kobalt, kunnen zelfs nog problematischer zijn, met hun massaproductie gekoppeld aan kinder‑ en slavelijke arbeid en andere mensenrechtenmisstanden.

Om deze redenen identificeerde John Goodenough al in 1996 lithium‑ijzer‑fosfaat (LFP) als een kobalt‑vrij alternatief (“LiFePO₄: A Novel Cathode Material for Rechargeable Batteries”).

LFP bleek een duurzamere en goedkopere alternatief te zijn voor klassieke lithium‑ionbatterijen, hoewel met een lagere energiedichtheid. Tegen 2022 vertegenwoordigden LFP‑batterijen 31 % van de EV‑batterijmarkt. Ze worden ook veel gebruikt in thuis‑energieopslag.

Andere alternatieven komen op de markt, met name natrium‑ion (volledig los van lithium en in plaats daarvan gebruikmakend van goedkoper zout) en solid‑state‑batterijen.

Bron: Nature

U kunt een overzicht van mobiliteitsgerichte batterijtechnologie lezen in “The Future of Mobility – Battery Tech”.

Dit omvat glazen batterijen, het laatste batterijconcept waaraan Dr. Goodenough werkte vóór zijn overlijden in 2023, met verbazingwekkende claims zoals twee keer de energiedichtheid van conventionele lithium‑ionbatterijen, de mogelijkheid om 23 000 keer op te laden, en een oplaadtijd van slechts enkele minuten.

Investeren in Batterijtechnologie

Lithium‑ionbatterijen hebben de wereld al meerdere keren veranderd, van het mogelijk maken dat mensen geavanceerde elektronica overal mee naartoe kunnen nemen tot het aandrijven van auto’s uitsluitend met elektriciteit. Ze zouden dat nogmaals kunnen doen, of andere soorten batterijen, door een 100 % hernieuwbaar stroomnet mogelijk te maken of door vliegtuig‑elektrificatie te realiseren zodra een voldoende hoge energiedichtheid is bereikt.

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

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

Batterij Bedrijven

1. CATL (300750.SZ)

CATL is de wereldwijde leider in batterijproductie en produceert meer dan de helft van het wereldwijde batterijvolume.

Het bedrijf is aanwezig in elke stap van de batterijfabricage‑toeleveringsketen en is een leider op het gebied van batterijtechnologie.

Dit geldt ook voor lithium‑ionbatterijen, waar het bedrijf al lange tijd een gevestigde leider is.

CATL heeft ook indrukwekkende vooruitgang aangekondigd op meerdere andere batterijtypen:

Bron: CATL

Meest recentelijk werd aangekondigd dat het in wezen het dendrietprobleem met lithiummetaal als anode had opgelost, dankzij een 3D‑structuur die hun vorming blokkeert.

Het bedrijf wordt actief op de markt voor grootschalige batterijen met de aankondiging van zijn TENER‑systeemprestaties. Het is “’s werelds eerste massaproductie‑energieopslagsysteem met nul degradatie in de eerste vijf jaar van gebruik in Peking, China”.

Enorme energie in een compact formaat: 20‑voet container met een capaciteit van 6,25 MWh.

Aangedreven door geavanceerde technologieën en extreme productiecapaciteiten, heeft CATL de uitdagingen veroorzaakt door zeer actieve lithiummetalen in nul‑degradatiebatterijen opgelost, waardoor thermische runaway door oxidatiereacties effectief wordt voorkomen.

CATL heeft ook 3,25 miljard geïnvesteerd in batterij‑recyclingcapaciteit 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, NIO, Ford, Stellantis, enz.

2. BYD (BYDDY)

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

Het bedrijf evolueerde van zijn oorsprong als leverancier van lithium‑ion‑telefoonbatterijen naar het verkopen van bijna evenveel EV’s als Tesla in China (de grootste EV‑markt ter wereld) en het best‑verkochte EV 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 ingehaald. De agressieve overzeese expansie van het bedrijf wordt ook ondersteund door nieuwe fabrieken, zoals in Hongarije.

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

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

De “golf” van goedkope EV’s die BYD produceert voor 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 zou kunnen belemmeren.

Maar tegelijkertijd zijn goedkope Chinese EV’s al een groot succes in de rest van de wereld, die geen sterke 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 kan BYD concurrerend blijven, dankzij de veel hogere prijzen van lokale EV‑fabrikanten vergeleken met prijzen in China, evenals de lokalisatie van de productie buiten China voor deze markten, bijvoorbeeld in Oost‑Europa, Mexico of Turkije.

mm

Jonathan is een voormalig biochemisch onderzoeker die werkzaam was in genetische analyse en klinische proeven. Hij is nu een aandelenanalist en financieel schrijver met een focus op innovatie, marktcycli en geopolitiek in zijn publicatie 'The Eurasian Century'.