Nieuw Li‑ion‑ontwerp maakt snel opladen van EV’s in de kou mogelijk

De wereldwijde markt voor elektrische voertuigen (EV) kent een stevige groei, waarbij één op de vijf verkochte auto’s elektrisch is. 

Vorig jaar steeg het aantal verkochte EV’s met 25%, en daarmee vormden EV’s 21% van alle autoverkopen wereldwijd.

Deze groei wordt gedreven door de vraag van consumenten, die zich zorgen maken over klimaatverandering, beleidssteun van overheden wereldwijd, toenemende prijsconcurrentie, het betaalbaar maken van EV’s en verbeteringen in batterijtechnologie.

Op het gebied van batterijen zijn lithium‑ionbatterijen de meest populaire en breed gebruikte batterijtechnologie vanwege hun lichtgewicht, hoge energiedichtheid en lange levensduur. 

Echter, ondanks deze vooruitgangen in batterijtechnologie, hebben bestaande Li‑ionbatterijen beperkte prestaties bij lage temperaturen en snelle ladingen. Hun prestaties worden ook beïnvloed als de elektrode te dik is, waarbij meerdere massatransport- en interfaciale kinetische effecten gelijktijdig moeten worden aangepakt.

Dit leidt tot ontwerpcompromissen die het gebruik van batterijen in gebieden die moeilijk te elektrificeren zijn beperken. Dit geldt met name voor extreme omgevingen en configuraties waarbij thermisch beheer niet haalbaar is. 

Dit betekent dat het verbeteren van lithiumbatterijen het aanpakken van het drietal tussen elektroden met hoge energiedichtheid, werking bij lage temperaturen en snel opladen vereist.

Met dit doel hebben ingenieurs van de University of Michigan een strategie geïntroduceerd die extreem snel opladen mogelijk maakt, tot 6C, bij temperaturen zo laag als −10 °C. Snel opladen bij lage temperaturen belooft EV’s in koude klimaten te verbeteren. 

Het snelle opladen bij onder nul graden werd bereikt terwijl >3 mAh/cm² elektrodebeladingen behouden bleven. 

Hiervoor introduceert het team een strategie die driedimensionale elektrode‑architecturen integreert met een kunstmatige vaste‑elektrolyt‑interface (SEI) door middel van atomic‑layer‑deposition van een vast elektrolyt (Li3BO3‑Li2CO3). 

Deze synergistische strategie kan interfaciale en transportbeperkingen onder extreme omstandigheden aanpakken zonder schadelijke Li‑afzetting. Het aanpassen van de elektroden om massatransport en interfaciale kinetiek te verbeteren, vergrootte hun toegankelijke capaciteit.

Volgens de studie, gepubliceerd in Joule¹, biedt het fundamentele inzichten in de dominante mechanismen die lithiumafzetting en capaciteitsverlies onder lage temperatuur- en snelle‑laadcondities beheersen.

Snelladen voor EV’s in koud weer

De wereldwijde adoptie van EV’s groeit gestaag sinds het begin van de jaren 2010. In 2020 beleefden elektrische auto’s hun grote moment toen de registraties in belangrijke markten toenamen ondanks de COVID‑pandemie. 

EV’s hadden hun recordjaar in 2020, met meer dan 10 miljoen van hen die tegen het einde van het jaar op de weg waren, waarbij batterij‑elektrische modellen de groei aandreven.

Sindsdien zijn elektrische auto’s nog populairder geworden en een alledaags gezicht op de wegen. De groeisnelheid vertraagt echter nu. 

Volgens een consumentenonderzoek van AAA daalde het aantal Amerikaanse volwassenen dat “waarschijnlijk” of “zeer waarschijnlijk” een nieuwe of gebruikte EV zou kopen van 23 % in 2023 naar 18 % in 2024. Bovendien gaf 63 % aan dat ze “onwaarschijnlijk” of “zeer onwaarschijnlijk” hun volgende voertuig als een EV zouden aanschaffen. 

“Vroege adoptanten die een EV wilden, hebben er al een,” merkte Greg Brannon, directeur automotive research bij AAA, afgelopen zomer op. “De resterende groep mensen die nog geen EV heeft, overweegt de praktische aspecten, kosten, gemak en eigendomservaring, en voor sommigen zijn dat voldoende obstakels om de overstap naar volledig elektrisch te maken.” De interesse verschuift naar hybriden.

De verschuiving is deels te wijten aan zorgen over bereikverlies in de winter en langzamer laden. In de winter moeten batterijen warm genoeg zijn zodat elektronen kunnen bewegen, wat betekent dat het een half uur kan duren om de batterij op te warmen en klaar te maken voor opladen. Volgens Neil Dasgupta, universitair hoofddocent werktuigbouwkunde en materiaalkunde aan de U‑M:

“Het opladen van een EV‑batterij duurt 30 tot 40 minuten, zelfs bij agressief snelladen, en die tijd stijgt tot meer dan een uur in de winter. Dit is het pijnpunt dat we willen aanpakken.” 

Studies hebben aangetoond dat het bereikverlies kan variëren van 10 % tot 36 %. Het punt is dat bij lage temperaturen “bijna alles dat een chemische stof is, vertraagt.”

Dus ontwikkelden de U‑M‑ingenieurs een aangepast productieproces voor EV‑batterijen dat snel opladen in vriezende omstandigheden en hoge reikwijdtes mogelijk maakt. Met deze grote problemen opgelost, kan dit proces de adoptie van elektrische auto’s verder stimuleren. 

“We zien deze benadering als iets dat EV‑batterijfabrikanten kunnen adopteren zonder grote veranderingen aan bestaande fabrieken. Voor het eerst hebben we een route aangetoond om zowel extreem snelladen bij lage temperaturen te bereiken, zonder concessies te doen aan de energiedichtheid van de lithium‑ionbatterij.” 

– Corresponderend auteur van de studie, Dasgupta

Door dit nieuwe productieproces te gebruiken, kunnen Li‑ion EV‑batterijen tot 500 % sneller opladen, zelfs bij 14 °F.

Deze sterke prestatie is het resultaat van een structuur en coating die de vorming van lithiumafzetting op de batterij‑elektroden voorkomt. Li‑afzetting is nadelig voor batterijen, omdat het de prestaties belemmert door capaciteitsverlies en een verkorte levensduur. Het kan zelfs een potentieel veiligheidsrisico vormen in de vorm van interne kortsluitingen door de vorming van lithiumdendrieten. 

Door de vorming van Li‑afzetting te voorkomen, stellen de aanpassingen de batterijen in staat tot wel 97 % van hun capaciteit te behouden, zelfs na 100 keer snel opladen bij zeer koude temperaturen.

Een batterij ontwerpen met betere snelheid, bereik & koude‑weerstand

EV‑batterijen slaan chemische energie op en zetten deze om in elektrische energie. Deze omzetting wordt aangedreven door een elektrochemische reactie die lithium‑ioncellen gebruikt met een anode (negatieve elektrode) en een kathode (positieve elektrode) gescheiden door een separator en een elektrolyt. 

Het elektrolyt, een oplossing zoals een lithiumzout, faciliteert de overdracht van ionen tussen de kathode en anode. Deze ionenbeweging drijft de stroom van elektronen door een externe kring, waardoor elektrische energie wordt gecreëerd om het aangesloten apparaat van stroom te voorzien.

Tijdens de ontlading, wanneer de batterij in gebruik is, geeft de anode Li‑ionen af aan de kathode. Tijdens het opladen, d.w.z. wanneer de batterij op een stroombron is aangesloten, geeft de kathode de lithiumionen af aan de anode. Bij lage temperaturen vertraagt de ionenbeweging, waardoor het batterijvermogen en de oplaadsnelheid afnemen.

Om het bereik van een EV te vergroten, de afstand die hij kan afleggen op één lading, hebben autofabrikanten de aanpak gekozen om de elektrode‑dikte te vergroten. Dit heeft fabrikanten in staat gesteld langere ritten aan te bieden voordat opnieuw moet worden opgeladen, maar het maakt ook een deel van het lithium moeilijk toegankelijk, wat leidt tot langzamer opladen en minder vermogen voor een gegeven batterijgewicht.

Het U‑M‑team verbeterde eerder² de laadcapaciteit van de batterij door paden in de anode te creëren, elk 40 micron groot. De kanalen fungeerden als diffusiepaden voor snelle ionentransport.

Hiervoor toonden ze een laser‑patroonproces om 3D‑grafiet‑anode‑architecturen te produceren. Met dat proces bestraalden ze het grafiet met lasers, waardoor de Li‑ionen sneller plekken konden vinden om zich te vestigen. Door diep in de elektrode te boren, zorgden ze voor een meer uniforme lading.

Bij testen toonde hun ontwerp een capaciteitsbehoud van 91 % en 86 % na 600 cycli van respectievelijk 4C‑ en 6C‑laden. Hun 3D‑anode‑ontwerp stelde cellen ook in staat om > 90 % capaciteit te benutten tijdens snelladen.

Ondanks dat het opladen bij kamertemperatuur aanzienlijk werd versneld, bleef het opladen bij koude temperaturen inefficiënt. Dit kwam door de chemische laag die zich op het oppervlak van de elektrode vormt als gevolg van de reactie met het elektrolyt.

“Die afzetting voorkomt dat de hele elektrode wordt opgeladen, waardoor de energiedichtheid van de batterij opnieuw wordt verminderd.” 

– Mede‑auteur van de studie Manoj Jangid, senior onderzoeksmedewerker werktuigbouwkunde aan de U‑M.

Het antwoord op dit probleem was het voorkomen van de vorming van de oppervlakte‑laag, wat werd bereikt door de batterij te coaten met een materiaal van lithium‑boraat‑carbonaat. De coating, met een dikte van ongeveer 20 nm, versnelde het koude opladen.

Wanneer dit werd gecombineerd met de kanalen, bleek dat de testcellen 500 % sneller opladen bij ondervriezende temperaturen.

“Door de synergie tussen de 3‑D‑architecturen en de kunstmatige interface kan dit werk het drietal van snelladen bij lage temperatuur voor langeafstandsrijden gelijktijdig aanpakken.”

– Eerste auteur Tae Cho, recent afgestudeerde Ph.D. in werktuigbouwkunde

Het vervolgwerk om een fabriek‑klaar proces te ontwikkelen wordt gefinancierd door de Michigan Economic Development Corporation.

Het U‑M‑engineerteam heeft ook een octrooi aangevraagd. Ondertussen heeft Arbor Battery Innovations — een entiteit waarin zowel Dasgupta als de universiteit een financieel belang hebben — de kanaaltechnologie gelicentieerd en werkt nu aan commercialisatie.

Innovatief Bedrijf

Ford Motor  

Als we kijken naar een innovatief bedrijf in de wereld van batterijen en EV’s, is Elon Musk’s $875,5 miljard marktkapitalisatie Tesla (TSLA ) de meest prominente naam, maar het heeft het moeilijk. De aandelen zijn dit jaar met 32,6 % gedaald en handelen tegen 261,23. Het bedrijf dat geen dividend uitkeert, leed ook een daling van 13 % in 1Q 2025 in zijn (336.681) voertuigleveringen ten opzichte van een jaar eerder. In dit kwartaal kreeg Tesla te maken met boycots, protesten en zelfs criminele handelingen vanwege de betrokkenheid van CEO Musk bij de Trump‑administratie.

Dan is er de $7,1 miljard marktkapitalisatie Albemarle Corporation (ALB ), een van de grootste lithiumproducenten en cruciaal voor de lithium‑ion batterijketen. De aandelen van ALB zijn dit jaar ook bijna 30 % gedaald, hoewel het een dividendrendement van 2,68 % uitkeert.

In de EV‑infrastructuur heeft ChargePoint (CHPT ), met een marktkapitalisatie van $273,3 miljoen, ook een uitdagende omgeving. De omzet is gedaald en de aandelen zijn dit jaar met 44,25 % gedaald, handelend tegen $0,60.

Zijn er dan bedrijven die het echt goed doen? Wel, het China‑gebaseerde BYD en CATL zeker wel.

De Chinese autofabrikant en batterijproducent ziet een aanzienlijke financiële groei, meldt een jaarlijkse omzet van $107 miljard voor 2024, waarmee het Tesla overtreft. “BYD is een industrieleider geworden in elke sector, van batterijen, elektronica tot nieuwe energievoertuigen, en doorbreekt de dominantie van buitenlandse merken en hervormt het nieuwe landschap van de wereldmarkt,” zei BYD‑president Wang Chuanfu.

In 1Q25 verkocht BYD ondertussen bijna een miljoen personenauto’s, een stijging van 58,7 % ten opzichte van 1Q24. Iets meer dan 200 000 van deze voertuigen werden geëxporteerd, een stijging van 110,5 % ten opzichte van 1Q24. Zelfs de aandelen zijn dit jaar met maar liefst 28,77 % gestegen, handelend tegen $43,78 en met een dividendrendement van 1 %.

Contemporary Amperex Technology Co., Limited (CATL) is een andere toonaangevende Chinese batterijproducent die klaarstaat om goedkeuring te krijgen van de Hong Kong Stock Exchange voor een notering van $5 miljard, wat haar financiële positie zal versterken en haar uitbreidingsplannen zal ondersteunen.

Buiten China heeft de Duitse autofabrikant Volkswagen AG (VOW.DE ) (VOW3.DE ) ook veel vooruitgang geboekt, met een stijging van 1,4 % in wereldwijde leveringen tot 2,13 miljoen eenheden in het eerste kwartaal van 2025. Deze sprong wordt aangedreven door groei in Europa en de Amerika’s, terwijl de leveringen in de Chinese markt met 7,1 % daalden. Toch worden de operationele winsten naar verwachting lager door een daling in de Amerikaanse markt vanwege zorgen over een wereldwijde recessie. Het bedrijf is ook van plan de prijzen te verhogen na de invoering van Trumps 25 % auto‑tarieven.

Terug naar de Amerikaanse markt, hier kan Ford marktaandeel winnen als een Amerikaanse autofabrikant die het overgrote deel van zijn auto’s binnenlands produceert. Opgericht door Henry Ford in 1903, is het bedrijf goed gepositioneerd om te profiteren van de plannen van president Trump. Volgens president Andrew Frick:

“We assembleren meer Amerikaanse voertuigen en we hebben meer Amerikaanse uur‑arbeiders in de auto‑industrie in dienst dan enig ander bedrijf. We willen hier in de VS meer doen, niet minder.”

Het bedrijf lanceerde onlangs een tijdelijke kortingsactie als onderdeel van de ‘From America, For America’-campagne om meer kopers aan te trekken terwijl andere fabrikanten de prijzen verhogen om de gestegen tarieven te dekken.

“We hebben de detailhandelsvoorraad om dit te doen en veel keuze voor klanten die een voertuig nodig hebben,” zei Ford in een verklaring, waarbij “onzekere tijden” en “complexiteiten van een veranderende economie” werden aangehaald als redenen voor de stap.

Nu, met een marktkapitalisatie van $37,7 miljard, worden Ford‑aandelen, op het moment van schrijven, verhandeld tegen $8,91, dit jaar tot nu toe slechts 4 % gedaald. Daarbij is de EPS (TTM) 1,46, de P/E‑ratio (TTM) 6,51 en de ROE (TTM) 13,42 %. Het betaalt ook een aantrekkelijk dividendrendement van 6,32 %.

Voor Q1 2025 meldde Ford een daling van 1,3 % in de Amerikaanse verkoop tot 501.291 eenheden, veroorzaakt door het stopzetten van enkele modellen.

Dit volgt op het feit dat Ford de verwachtingen voor het vierde kwartaal van 2024 overtrof, hoewel CEO Jim Farley een moeilijker jaar voor het bedrijf voorspelde, maar verbeteringen in kosten en kwaliteit worden beloofd.

Voor dit jaar verwacht Ford een aangepaste winst vóór rente en belastingen (EBIT) tussen $7 miljard en $8,5 miljard en een aangepaste vrije kasstroom tussen $3,5 miljard en $4,5 miljard, uitgaande van “tegenwind gerelateerd aan marktfactoren.”

Voor 2024 was de totale omzet van het bedrijf $185 miljard, de nettowinst $5,9 miljard, of $1,46 per aandeel, en de aangepaste vrije kasstroom $6,7 miljard.

Ford maakt ook aanzienlijke vooruitgang in de EV‑markt, met ongeveer 97.865 volledig elektrische voertuigen verkocht in 2024, een stijging van 35 % jaar‑over‑jaar. De hybride verkoop steeg met 40 % naar 187.426 eenheden. In 1Q25 bereikte de EV‑verkoop een record van 73.623. Deze groei van 26 % werd gedreven door hybrides, +33 %, en elektrische voertuigen, +12 %.

Conclusie

Batterijen, een cruciaal onderdeel van EV’s, hebben aanzienlijke verbeteringen ondergaan. Echter, batterijtechnologie staat nog steeds voor verschillende uitdagingen, zoals hoge kosten, tekorten in materiaalvoorziening, beperkt rijbereik, lange oplaadtijden, gebrek aan infrastructuur, veiligheidszorgen, en een juiste recycling en afvalbeheer. 

De nieuwste studie, met zijn stabiliserende coating en microschaal‑kanalen, helpt de afweging tussen bereik en oplaadsnelheid op te lossen, zelfs bij ijzige temperaturen.

Door de oplaadsnelheden aanzienlijk te verbeteren, toont deze studie het potentieel om een van de belangrijkste obstakels voor EV‑adoptie weg te nemen: bereik‑angst en lange oplaadtijden in de winter. Dit kan niet alleen het gebruik van EV’s versnellen, maar ook de bredere elektrificatietrend. Echter, grootschalige implementatie van het proces zou kosten‑effectiviteit en veiligheid moeten behouden.

Over het geheel genomen, terwijl de industrie streeft naar snellere, efficiëntere en veiligere batterijen, zullen innovaties als deze helpen de laatste hindernissen voor volledige elektrificatie te overwinnen, wat leidt tot een groenere en schonere toekomst.

Klik hier voor een lijst van top‑EV‑aandelen.

Gerefereerde studies:

1. ​Cho, T. H., Chen, Y., Liao, D. W., Kazyak, E., Penley, D., Jangid, M. K., & Dasgupta, N. P. (2025). Mogelijk maken van 6C snelladen van Li‑ionbatterijen bij onder‑nul temperaturen via interface‑engineering en 3D‑architecturen. Joule, Gepubliceerd op online 17 maart 2025. https://doi.org/10.1016/j.joule.2025.101881

2. Chen, K.-H., Namkoong, M. J., Goel, V., Yang, C., Kazemiabnavi, S., Mortuza, S. M., Kazyak, E., Mazumder, J., Thornton, K., Sakamoto, J., & Dasgupta, N. P. (2020). Efficiënt snelladen van lithium‑ionbatterijen mogelijk gemaakt door laser‑gepatenteerde driedimensionale grafiet‑anode‑architecturen. Journal of Power Sources, 471, 228475. https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2020.228475