Natrium‑ionbatterijen zijn in opkomst, maar lithium‑ion blijft waarschijnlijk bestaan dankzij indium

De wedergeboorte van lithium‑ion?

Een recente ontdekking door onderzoekers van Cornell University zou lithium‑iontechnologie terug in de race voor de perfecte batterijtechnologie kunnen brengen. Ze hebben ontdekt dat het gebruik van een indium‑anodemateriaal extreem snel opladen van lithium‑ionbatterijen mogelijk maakt.

Lithium‑ionbatterijen hebben tot nu toe het ontwerp van batterijen voor kleine elektronica en vroege EV-modellen gedomineerd. Echter hebben enkele beperkingen van de technologie de industrie ertoe aangezet alternatieven te zoeken, waaronder natrium‑ion- of vaste‑stroombatterijen. Het gebruik van indium zou een belangrijk probleem voor de massale adoptie van EV’s – range‑angst – wegnemen. De meeste EV‑gebruikers maken zich zorgen dat de batterij leeg raakt voordat ze een laadstation bereiken. Daarom zoeken ze vaak naar een zeer krachtige batterijpack, wat gewicht en kosten aan de auto toevoegt.

Een ander probleem is de tijd die nodig is om de batterij op te laden. Dit kan een serieuze zorg zijn voor langeafstandsreizen of commerciële toepassingen. Het vermindert ook de beschikbaarheid van laadstations, omdat elke “volle tank” tijd kost en de EV‑lader onbeschikbaar maakt.

Dus een sneller op te laden lithium‑ionbatterijtechnologie zou kunnen helpen de kosten van EV’s te verlagen, range‑angst te verlichten en de mogelijkheden van het laadnetwerk te verbeteren.

Indiumbatterijen tot de redding?

Het onderzoek werd uitgevoerd door het team van Lynden A. Archer’s team at Cornell’s Smith School of Chemical and Biomolecular Engineering, met als hoofd auteur Shuo Jin, een promovendus chemische en biomoleculaire engineering.

In hun publicatie “Fast-charge, long-duration storage in lithium batteries” leggen ze hun aanpak uit. Ze richtten zich op de kinetiek (snelheid) van elektrochemische reacties, specifiek het “Damköhler‑getal”. Door naar solid‑state transport rates te kijken, ontdekten ze dat indium een zeer goede kandidaat is voor snel ladende batterijen. Momenteel wordt indium voornamelijk gebruikt in LCD‑schermen en andere high‑tech toepassingen zoals fotovoltaïsche cellen, cryogenica en controlestaven voor kernreactoren.

Indium is een goed metaal voor gebruik in anodes vanwege zijn snelle diffusie en trage oppervlakte‑reactiekinetiek, wat zich vertaalt in snel opladen van de batterij.

Indium: een eerste stap naar AI‑ontworpen batterijen?

Indium‑anodes zouden de range‑angst kunnen verminderen, waardoor de behoefte aan zeer grote en zware batterijpacks afneemt. Echter is indium zelf een zeer zwaar en dicht metaal.

Daarom beschouwt professor Archer de ontdekking van zijn team over indium ook als een startpunt.

“Daarin ligt een kans voor computationele chemische modellering, mogelijk met generatieve AI‑tools, om te leren welke andere lichtgewicht materiaalchemie dezelfde intrinsiek lage Damköhler‑getallen kan bereiken.

Bijvoorbeeld, zijn er metaallegeringen die we nog nooit hebben bestudeerd en die de gewenste eigenschappen hebben?”

Het benutten van AI‑voortuitgang om nieuwe batterijmaterialen te vinden is een realistisch idee, zoals aangetoond door onderzoekers van PNNL (Pacific Northwest National Laboratory) researchers. In ons artikel “Changing the Timeline for Discoveries through Use of Artificial Intelligence (AI)” bespraken we hoe zij verschillende voorspellende chemie‑AI’s gebruikten om 32 miljoen ideeën in minder dan 80 uur te screenen, wat leidde tot de ontdekking van een nieuw batterij‑elektrolyt.

Dus misschien kan dezelfde techniek worden toegepast, met focus op het Damköhler‑getal om materialen te vinden die net zo goed presteren als indium, maar minder zwaar zijn.

Voorraad van levenscyclus van batterijen

1. Arcadium Lithium (fusie van Allkem + Livent)

Arcadium is het resultaat van de fusie van gelijken tussen de toonaangevende lithiummijnbedrijven Allkem en Livent, waardoor het de derde grootste lithiumproducent ter wereld wordt. De fusie creëert een bedrijf dat aanwezig is in alle stappen van lithiumproductie en -verwerking.

De productie van het bedrijf is voornamelijk gevestigd in Argentinië, in de lithiumdriehoek (Chili, Argentinië, Bolivia) in de vorm van pekel, met wat hardrock‑lithium in Canada en Australië.

Bron: Arcadium

Lithium is een grondstof die recentelijk heeft geleden onder lage prijzen, aangezien grote autofabrikanten zoals Ford of GM hun plannen voor EV’s hebben vertraagd. Tegelijkertijd worden Chinese EV‑fabrikanten zoals BYD beschuldigd van het overspoelen van buitenlandse markten met goedkope EV’s, wat een nieuwe golf van EV‑adoptie in de komende jaren zou kunnen veroorzaken. Bijvoorbeeld de €10.000 BYD Seagull die dit jaar in Europa arriveert.

Dus de huidige prijszwakte van lithium is mogelijk niet voor altijd.

2. CATL

CATL is de wereldleider in batterijproductie en produceert meer dan de helft van het wereldwijde batterijvolume. Het bedrijf is aanwezig in elke stap van de toeleveringsketen van batterijproductie en is een leider in 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 batterijtypes:

• Een ultra‑lange levensduur batterij van 12.000 cycli voor grootschalige energieopslag, met 18.000 cycli als langetermijndoel.
• Een 700 km LFP (Lithium‑ijzer‑fosfaat) batterij die 400 km bereik oplaadt in 10 minuten.
• Een 500 Wh/kg batterij, die mogelijk de elektrificatie van passagiersvliegtuigen mogelijk maakt
• Massaproductie van natrium‑ionbatterijen van 160 Wh/kg, met een doel van 200 Wh/kg.

Bron: CATL

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

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.

3. BYD

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 is geëvolueerd van een leverancier van telefoonbatterijen tot 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 de grootste auto‑exporteur ter wereld werd, waarmee Japan werd ingehaald. 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 Seagull, zou een geheel nieuwe markt kunnen opengaan voor BYD‑EV’s.

Bron: By User3204 – Own work, CC BY-SA 4.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=142412738

Nog steeds in de kern een batterijproducent, is BYD een serieuze uitdager voor CATL op de LFP‑batterijmarkt, met een marktaandeel van 41,1 % in China (vergeleken met 33,9 % voor 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, wat de groei van BYD kan belemmeren. Maar tegelijkertijd zijn goedkope Chinese EV’s al een groot succes in de rest van de wereld, waar weinig binnenlandse autofabrikanten zijn 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 met zowel het Westen als China willen behouden, waardoor het onwaarschijnlijk is dat er te sterke protectionistische barrières worden opgezet.