Veiliger, Goedkoper en Krachtiger? De Belofte van Aluminium Batterijen

Batterijen met hoge capaciteit die sneller opladen en langer meegaan, zijn essentieel voor het aandrijven van de toekomst van draagbare elektronica, elektrische voertuigen en langdurige energieopslag.

De afgelopen decennia hebben lithium-ionbatterijen de leiding in dit gebied gehad. Een type oplaadbare batterij, lithium-ionbatterijen worden opgeladen en ontladen door de beweging van deze ionen tussen de positieve en negatieve elektroden, d.w.z. anodes en kathodes.

Het metaal lithium dat in deze batterijen wordt gebruikt, is zacht, zilverkleurig en zeer reactief. Het heeft de laagste dichtheid van alle metalen en wordt in verbindingen als een mineraal aangetroffen, waarbij Chili de grootste producent is. Chili heeft ook de grootste lithiumreserves, gevolgd door Australië en China; laatstgenoemde is bovendien een leider in lithium-ionbatterijen.

Deze batterijen vereisen in feite enorme hoeveelheden water en energie om te produceren. Ze zijn ook zeer moeilijk te recyclen.

Dus, hoewel lithium-ionbatterijen hun prestaties hebben bewezen in draagbare consumentenelektronica zoals smartphones, laptops en andere handapparaten, evenals in EV’s en opslagsystemen voor zonne-energieback-up, zoekt de markt nu naar materialen die beter presteren dan lithium-ion en de volgende generatie apparaten, langeafstandsvoertuigen, elektrische vliegtuigen en opslag op netwerkniveau kunnen aandrijven.

Dit heeft onderzoekers naar aluminium geleid, dat veelbelovende prestaties vertoont voor veiligere, goedkopere en krachtigere batterijen.

Het potentieel van aluminium bij het verbeteren van batterijen 

Inspanningen om oplaadbare aluminiumbatterijen te ontwikkelen bestaan al vele decennia, maar hebben de afgelopen tien jaar of zo aanzienlijk aan tractie gewonnen. Toegenomen aandacht en onderzoek hebben Al-ionbatterijen geholpen uitzonderlijke laadsnelheden en ontlaadsnelheden te bereiken.

Alle ontwikkelingen rondom Al-ionbatterijen zijn belangrijk vanwege de superieure voordelen die dit elektropositieve metaal biedt.

De unieke eigenschappen van aluminium omvatten een licht gewicht, corrosiebestendigheid en een hoge thermische geleidbaarheid.

Deze veelzijdigheid maakt dit metaal zeer nuttig in een breed scala aan toepassingen in verschillende sectoren, met name transport. Het metaal wordt uitgebreid gebruikt bij de productie van auto’s, vliegtuigen en treinen omdat het licht en sterk is, wat helpt de brandstofefficiëntie te verbeteren en de uitstoot te verminderen.

Een andere belangrijke toepassing van aluminium is in de bouwsector omdat het gemakkelijk te bewerken is en in staat is om barre omgevingsomstandigheden te weerstaan. Aluminium wordt ook veel gebruikt in verpakkingen, de lucht- en ruimtevaart, chemische, militaire en elektrische industrie.

Een lage dichtheid en een goede elektrische geleiding maken aluminium ideaal voor de productie van elektrische geleiders, apparaten zoals computers, smartphones en televisies, en voor gebruik in bovengrondse stroomleidingen.

Bovendien is aluminium het meest voorkomende metaal in de aardkorst. Als een goedkope metaal kan het gebruik ervan in oplaadbare batterijen de kosten van batterijen aanzienlijk verlagen, vooral voor economische grootschalige back-upsystemen voor opslag van hernieuwbare energie.

Lithium-ionbatterijen zijn nog steeds te duur voor deze toepassingen. Naast de hoge kosten bevatten deze batterijen ook een brandbaar elektrolyt, wat een veiligheidsprobleem oplevert. Het meest voorkomende metaal op aarde en het commercieel tweede meest voorkomende metaal (na ijzer) vormt hier een geschikt alternatief.

Naast de lage prijs heeft aluminium ook een hoge volumetrische capaciteit, die vier keer groter is dan die van lithium en zeven keer groter dan natrium. Dit toont het potentieel van aluminium om de energiedichtheid van batterijen per volume‑eenheid te verhogen.

Bovendien is aluminium niet brandbaar, wat de adoptie als elektrode verder ondersteunt. Het gebruik van dit metaal verwijdert ook de complexiteit van een interfacelaag die vaak wordt gezien in lithium‑ionsystemen.

Dat betekent niet dat aluminium zonder gebreken is. De passivering, corrosie en waterstofontwikkeling van aluminiumionbatterijsystemen hebben geleid tot hun beperkte toepassing. Een andere uitdaging voor aluminiumionbatterijen is de selectie van anodematerialen vanwege de hoge ladingsdichtheid van Al3+-ionen, wat resulteert in trage diffusiekinetiek en daardoor de rijsnelheid van de batterij beperkt.

Ondanks deze uitdagingen zijn aluminiumionbatterijen een veelbelovende kandidaat voor grootschalige energieopslag vanwege hun hoge specifieke capaciteit, lage kosten, lichtgewicht, goede veiligheid en de natuurlijke overvloed van aluminium.

Het verkennen van aluminium-ionbatterijen voor praktisch gebruik

Het onderzoek naar aluminium in batterijen loopt al een tijdje vanwege de behoefte aan nieuwe batterijchemie om te voldoen aan de vraag naar hoge energie, bijvoorbeeld voor vliegtuigen die lange afstanden moeten vliegen en voor grootschalige energieopslag. Conventionele batterijen kunnen simpelweg niet genoeg energie opslaan om deze systemen van stroom te voorzien.

Ongeveer een decennium geleden onthulden onderzoekers van Stanford University voor het eerst dat een aluminium‑ionbatterij stabiel kan zijn en langdurig kan cycleren. Deze Al‑ionbatterij kon binnen één minuut volledig worden opgeladen en tot 7500 laad‑/ontlaadcycli doorlopen met weinig capaciteitsverlies.

Een studie uitgevoerd door onderzoekers van de University of Queensland, Australië, laat vorig jaar ging in op de technische hindernis met een AIB‑component¹ genaamd de vaste‑elektrolyt‑interfase.

Een Al‑ionbatterij, net als lithium‑ionbatterijen, heeft een anode, een kathode en een elektrolyt, die aluminiumionen draagt die tussen de positief geladen elektroden en de negatief geladen elektroden stromen.

Tijdens ontlading bewegen de ionen van de anode naar de kathode om energie te genereren, en bij het opladen van de batterij keert het proces om om energie op te slaan. Bij Al‑ionbatterijen ontstaan er instabiliteiten tijdens het cycleren tussen opladen en ontladen door de vorming van dendrieten die kortsluitingen veroorzaken, wat leidt tot batterijfalen.

Het antwoord hierop, volgens het onderzoek, was dat aluminium‑ionbatterijen voorcyclussen nodig hebben, net als lithium‑ionbatterijen, om hun levensduur te maximaliseren. Het begrijpen van deze unieke voorcyclust behoeften kan leiden tot betere ontwerpen die een batterij langer laten meegaan en betrouwbaarder laten presteren, waardoor ze dichter bij praktische toepassingen komen.

In een ander onderzoek van een paar jaar geleden gebruikten onderzoekers van het Georgia Institute of Technology aluminiumfolie om batterijen te maken die elektrische voertuigen in staat stellen langere afstanden af te leggen met één enkele lading.

In deze studie voegden onderzoekers kleine hoeveelheden van meer dan 100 verschillende materialen toe aan aluminium om folies met specifieke “microstructuren” te creëren. De aluminiumanode kon meer lithium opslaan dan traditionele anodematerialen, wat meer energie betekent en leidt tot de creatie van batterijen met een hoge energiedichtheid.

Dit onderzoek naar aluminiumbatterijen heeft een enorm potentieel om de deur te openen naar krachtigere batterijtechnologieën voor de toekomst.

Nieuw ontwerp om de levensduur van aluminiumbatterijen te verlengen

Gezien de vele voordelen van aluminium‑ionbatterijen, heeft een recent nieuw onderzoek gepubliceerd² in ACS Central Science zich gericht op het ontwerpen van een kosteneffectieve en milieuvriendelijke Al‑ionbatterij die de overgang naar duurzame, schone energie kan ondersteunen.

Met de wereldwijde drang naar duurzaamheid merkte de studie op dat er behoefte is aan het verkennen van overvloedige en hernieuwbare bronnen voor vooruitgang in batterijtechnologieën voor energieopslag om duurzame ontwikkeling te bevorderen.

Dus richtten de onderzoekers zich op oplaadbare aluminium‑ionbatterijen (AIB’s) met niet‑brandbare, kamertemperatuur‑chloroaluminate‑gebaseerde ionische vloeistof‑elektrolyten. Hun brede temperatuuranpasbaarheid, lange cyclustijd en uitzonderlijke veiligheid maken AIB’s zeer geschikt voor systemen die energie op grote schaal kunnen opslaan.

Maar, uiteraard, lijden traditionele ionische vloeistof‑elektrolyten in AIB’s aan aanzienlijke kwetsbaarheden. Met hun nieuwe raamwerk streven de onderzoekers ernaar het corrosieprobleem van het meest gebruikte elektrolyt in Al‑ionbatterijen te overwinnen.

Het elektrolyt — vloeibaar aluminiumchloride — corrodeert niet alleen de aluminiumanode, maar verergert deze toestand door de hoge gevoeligheid voor vocht. Dit draagt bij aan slechte stabiliteit, wat leidt tot een afname van de elektrische prestaties na verloop van tijd.

Om deze beperking te verwijderen, introduceerden de onderzoekers een inert aluminiumfluoridestraat in het elektrolyt dat een Al‑ion bevatte, waardoor het een vaste‑toestand‑elektrolyt werd. De 3D-poreuze structuur van het aluminiumfluoridestraat laat aluminiumionen gemakkelijk over het elektrolyt springen en verhoogt de geleidbaarheid.

De onderzoekers gebruikten ook fluoroethyleencarbonaat als interfaciale toevoeging. Een dunne vaste coating hiervan op de elektroden hielp de vorming van aluminiumkristallen te voorkomen en beschermde zo de levensduur van de batterij tegen verslechtering.

Met deze twee componenten kon het team de vochtbestendigheid van hun batterij verbeteren, evenals de thermische en fysieke stabiliteit. Dit stelde de vaste‑toestand‑Al‑ionbatterij in staat temperaturen tot 392 graden Fahrenheit (of 200 graden Celsius) te weerstaan. Hij bleef ook bestand tegen herhaalde stoten van een scherp voorwerp.

Wat de levensduur van deze batterij betreft, vond de studie dat deze uitzonderlijk lang is. De vaste‑toestand aluminium‑ionbatterij hield maar liefst 10.000 laad‑ en ontlaadcycli vol, met minder dan één procent verlies van de oorspronkelijke capaciteit.

Bovendien kan het grootste deel van het gebruikte aluminiumfluoride eenvoudig worden teruggewonnen met een simpele wasbeurt. Het AlF3 kan vervolgens worden gerecycled in een andere batterij met slechts een licht verminderde prestatie, waardoor de productiekosten van de batterij verder dalen.

“Dit nieuwe Al‑ionbatterijontwerp toont het potentieel voor een langdurig, kosteneffectief en zeer veilig energies opslagsysteem. Het vermogen om belangrijke materialen terug te winnen en te recyclen maakt de technologie duurzamer.”

– Wei Wang, State Key Laboratory of Advanced Metallurgy, University of Science and Technology Beijing, China

De nieuwe batterij vergroot de praktische toepasbaarheid van Al‑ionbatterijen door hun productiekosten te verlagen en hun levensduur te verlengen, maar verdere verbeteringen zijn nog nodig op het gebied van energiedichtheid, elektrolyt‑stabiliteit en levenscyclus voor de commercialisatie van deze batterij.

Klik hier om meer te leren over een studie die mythes over batterijveroudering heeft ontkracht.

Belangrijke spelers op de batterijenmarkt

De opkomst van veelbelovende batterijtechnologieën van de volgende generatie biedt aanzienlijke verbeteringen in energiedichtheid, veiligheid, kosten en levensduur ten opzichte van huidige lithium‑ionbatterijen. Men verwacht dat ze de energiebehoeften zullen transformeren, gedreven door innovaties die de beperkingen van huidige technologieën aanpakken.

Laten we nu kijken naar bedrijven die de grenzen van batterijtechnologie verleggen en in de komende jaren enorme groei kunnen verwachten.

1. QuantumScape

Terwijl de wereld alternatieven onderzoekt, blijven lithium‑gebaseerde batterijen voorlopig de leiding houden. Tegen deze achtergrond behoort QuantumScape Corporation (QS ) tot de toonaangevende batterijbedrijven die solid‑state lithium‑metaalbatterijtechnologie ontwikkelen voor elektrische voertuigen en andere toepassingen.

Nu de traditionele lithium‑ionbatterijen hun limiet naderen, heeft het bedrijf wat het de eerste anode‑vrije celontwerp van de industrie noemt ontwikkeld, om een hoge energiedichtheid, lagere materiaalkosten en vereenvoudigde productie te leveren.

In tegenstelling tot conventionele lithium‑ionbatterijen die een polymeerseparator hebben, gebruikt QuantumScape een solid‑state separator. Dit maakt vervanging van de koolstof‑ of siliciumanode door een lithium‑metaalanode mogelijk, die energie‑dichter is en daardoor meer energie opslaat in hetzelfde volume. In het ontwerp van QuantumScape wordt de batterij anode‑vrij en in ontladen toestand vervaardigd.

Volgens QuantumScape heeft de 24‑laag A0 prototypecel meer dan 1.000 volledige laad‑ontlaadcycli voltooid met meer dan 95 % energieterugwinning. In oktober onthulde zijn geplande eerste commerciële product, QSE‑5, voor automobieltoepassingen. De QSE‑5 B‑sample cel, waarvan de productie in kleine oplage is begonnen, heeft een gemeten celenergie van 21,6 Watt‑uur (Wh). De QSE‑5 cellen kunnen van 10 % naar 80 % opladen in ongeveer 12 minuten.

Met een marktkapitalisatie van 2,62 miljard dollar worden QuantumScape‑aandelen momenteel verhandeld tegen $5,13, een daling van 1,16 % YTD. De EPS (TTM) is -0,95 en de P/E (TTM) ratio is -5,38.

Voor de laatst gerapporteerde kwartaalresultaten, d.w.z. Q3 2024, had het bedrijf $17,9 miljoen aan kapitaalinvesteringen, terwijl de GAAP operationele kosten $130,2 miljoen bedroegen en de GAAP nettokosten $119,7 miljoen waren. De liquiditeit aan het einde van het kwartaal bedroeg $841 miljoen.

QuantumScape heeft ook een partnerschap gesloten met de batterijfabrikant PowerCo van Volkswagen om zijn QSE‑5‑technologie naar massaproductie te brengen.

In deze periode meldde het bedrijf met succes de implementatie van zijn nieuwe separatorproductietechnologie genaamd de Raptor. In december annonceerde het bedrijf de release van Cobra, waarvan QuantumScape zegt dat het hen op koers zet om dit jaar hogere volume‑samples van QSE‑5 te leveren. Cobra wordt ook beschouwd als een belangrijke stap richting de commercialisering van hun solid‑state batterijen voor EV’s.

2. Solid Power

Opgericht in 2011, is Solid Power (SLDP ) voortgekomen uit de University of Colorado Boulder met financiering van DARPA. In de loop der jaren heeft het contracten binnengehaald van de luchtmacht en een overeenkomst getekend met het Department of Energy.

In 2018 kreeg het bedrijf zijn eerste ronde van aandelenfinanciering, en in 2021 kondigde het een investeringsronde van $135 miljoen aan, geleid door de BMW Group, Ford Motor Company (F ) en Volta Energy Technologies.

Zowel Ford als de BMW Group hebben sindsdien hun bestaande gezamenlijke ontwikkelingsovereenkomsten met Solid Power uitgebreid om alle solid‑state batterijen voor hun toekomstige EV’s veilig te stellen. Het jaar daarvoor had Solid Power 320 Wh/kg 20 Ah lithium‑metaalcellen geproduceerd waarvan werd gemeld dat ze beter presteerden dan commercieel beschikbare lithium‑ion specifieke energie.

Het bedrijf is betrokken bij de ontwikkeling van de volgende generatie all‑solid‑state batterijtechnologie, waarvan het zegt dat deze de toekomstige mobiele energiemarkten kan revolutioneren. De focus ligt met name op sulfide‑gebaseerde vaste elektrolyten voor EV’s, met een kostendoelstelling van $85/kWh. Het doel is om de productie van elektrolyten op te schalen om jaarlijks 800.000 EV’s van stroom te voorzien met zijn batterijen tegen 2028.

Met een marktkapitalisatie van 268,77 miljoen dollar worden Solid Power‑aandelen momenteel verhandeld tegen $1,50, een daling van 21,16 % YTD. Het bedrijf begon pas in december 2021 op de Nasdaq te handelen. De EPS (TTM) is -0,47 en de P/E (TTM) ratio is -3,14.

Voor zijn meest recent gerapporteerde financiële resultaten, Q3 2024, leverde Solid Power $4,7 miljoen aan omzet, wat een daling van $1,7 miljoen betekende ten opzichte van hetzelfde kwartaal vorig jaar. Deze omzetdaling kwam voornamelijk door de voltooiing van haar mijlpalen met BMW. De operationele kosten voor de periode waren hoger door stijgende productiekosten, ontwikkelingskosten van cel en elektrolyt, opschaling van de operatie en uitvoering. Haar liquiditeitspositie bleef echter sterk, aangezien SolidPower het kwartaal eindigde met $348,1 miljoen aan totale liquiditeit.

In deze periode begon het bedrijf te werken in haar elektrolyt‑innovatiecentrum (EIC) om de productieprocessen van haar pre‑pilot elektrolyt te verbeteren.

Recentelijk heeft Solid Power aangekondigd dat het tot $50 miljoen aan financiering heeft verkregen van het Amerikaanse Department of Energy voor continue productie van sulfide‑gebaseerde vaste elektrolytmaterialen. Als onderdeel van een Assistance Agreement zal Solid Power $60 miljoen van haar eigen middelen bijdragen om de installatie van apparatuur te ondersteunen, wat naar verwachting de productiecapaciteit van het bedrijf zal versterken.

Conclusie 

Lithium‑ionbatterijen blijven dominant in veel gangbare consumentenelektronica, elektrische voertuigen en energieopslagsystemen (ESS’s). De groeiende adoptie van deze batterijen is te danken aan hun hoge energiedichtheid en volwassen industriële productiesystemen, maar als we overvloedige en hernieuwbare energiebronnen in het elektriciteitsnet willen integreren, moeten we betere oplossingen vinden.

De langdurige opslag van zonne‑ en windenergie vereist grote batterijen, maar Li‑ionbatterijen zijn hiervoor kostbaar. Bovendien vormt hun brandbaarheid een aanzienlijk veiligheidsrisico. Een potentieel alternatief voor betrouwbare grootschalige energieopslagsystemen zijn oplaadbare Al‑ionbatterijen, die een veelbelovend alternatief bieden met hun lagere kosten, verbeterde veiligheid en hoge volumetrische capaciteit.

Met vooruitgang in elektrolyt‑stabiliteit en batterijlevensduur kunnen aluminium‑ionbatterijen een sleutelrol spelen in grootschalige energieopslag, EV’s en daarbuiten. Hoewel er nog uitdagingen zijn voor hun commerciële levensvatbaarheid, brengt lopend onderzoek deze batterijen dichter bij praktische toepassingen en kunnen ze binnenkort voldoen aan de toekomstige maatschappelijke behoefte aan batterijen met hoge energiedichtheid en betaalbaarheid.

Klik hier voor een lijst van topbatterijenacties om in te investeren.