De Toekomst van Mobiliteit – Batterijtechnologie

De Opkomst van EV’s

Toen Tesla (TSLA ) in 2003 werd opgericht, werden elektrische auto’s vaak gezien als een nicheproduct. Veel toenmalige modellen hadden een beperkte actieradius, bescheiden prestaties en weinig ruimte. Toch bestonden er ook vóór Tesla volwaardige elektrische auto’s; het waren niet allemaal veredelde golfkarretjes.

De Tesla Roadster van de ^eerste generatie (waarvan een opvolger wordt ontwikkeld) veranderde dat beeld met de prestaties van een luxe sportwagen en maakte elektrische auto’s aantrekkelijk voor een nieuw publiek.

Een doorslaggevende ontwikkeling was de vooruitgang in batterijtechnologie. Aanvankelijk werden lithium-ioncellen gebruikt die voor draagbare elektronica waren ontwikkeld. Later kwamen er steeds meer ontwerpen speciaal voor elektrische voertuigen, met een grotere actieradius als belangrijk doel.

Volgens het IEA werden in 2022 wereldwijd meer dan tien miljoen elektrische auto’s verkocht: 14% van de verkoop van nieuwe auto’s. Die cijfers omvatten volledig elektrische auto’s en plug-inhybrides. China en Europa liepen voorop.

Wereldwijde EV-verkopen – Bron: IEA

Ondanks de groei bleven er in 2023 vragen over het tempo van de overstap. Hoge inflatie, financieringskosten en de noodzaak om een breder publiek te overtuigen zetten sommige plannen onder druk. Dat leidde bij verschillende fabrikanten tot het uitstel of de annulering van de EV-strategie door grote fabrikanten, zoals GM, Ford of Honda.

De Huidige Beperkingen

Vroege kopers waardeerden de nieuwe technologie en de mogelijkheid om de uitstoot te verminderen. Andere automobilisten bleven om verschillende redenen terughoudend:

• Prijs: Veel elektrische modellen waren duurder in aanschaf dan vergelijkbare auto’s met een verbrandingsmotor. Hogere rente kon financiering extra kostbaar maken.
• Actieradiusangst: Een kleiner accupakket kan de aanschafprijs verlagen, maar beperkt doorgaans het bereik. Op lange ritten spelen ook de laadsnelheid en beschikbare laadpunten een rol.
• Koud weer: Kou vermindert tijdelijk de beschikbare energie en kan laden vertragen. Voorverwarming en aangesloten parkeren kunnen helpen, maar een elektrische auto hoeft niet standaard de hele winternacht te laden wanneer hij buiten staat.
• Laadinfrastructuur: Mensen die in appartementen wonen kunnen het moeilijk vinden hun EV’s op te laden als er niet genoeg openbare laadstations beschikbaar zijn. Lange wachtrijen, langzaam laden of geen stations in de buurt kunnen voor een slechte ervaring zorgen.
• Batterijveiligheid & duurzaamheid: Lithium-ionaccu’s slaan veel energie op. Veel gebruikte vloeibare elektrolyten zijn brandbaar, waardoor beschadiging of oververhitting brand kan veroorzaken. Het risico hangt ook af van celchemie, koeling en beveiliging; auto’s met een verbrandingsmotor kennen eveneens brandrisico’s.
• Elektrisch net: Hoewel dit geen echt probleem is voor EV‑kopers, kan het een probleem worden voor de sector als geheel. Elektriciteitsnetten zijn al enigszins onder druk en kunnen mogelijk niet goed omgaan met miljoenen voertuigen die moeten worden opgeladen. De bron van de elektriciteit is ook een kwestie, aangezien een groot deel afkomstig is van fossiele brandstoffen, inclusief steenkool.

Betere accu’s kunnen de laadtijd, actieradius, veiligheid, prestaties bij kou en kosten verbeteren. Ook voertuigontwerp, laadvoorzieningen en het elektriciteitsnet blijven belangrijk.

Onderzoekers en industriële leiders werken hard om deze tekortkomingen op te lossen, hetzij door het bestaande ontwerp te verbeteren, hetzij door volledig nieuwe manieren te ontwikkelen om batterijen te bouwen.

Een hogere energiedichtheid kan gewicht en ruimte besparen. Ze maakt een accu niet vanzelf goedkoper, veiliger, duurzamer of sneller oplaadbaar: daarvoor zijn ook materiaalkeuze en ontwerp bepalend.

Verbeteren van Lithiumbatterijen

De eerste stap is het verbeteren van de bestaande batterijen en profiteren van de enorme kennis en ervaring met deze technologie. Sommige onderzoekers zien dat de huidige generatie batterijen nog incrementeel kan worden verbeterd tot 2030: “Vooruitzichten voor lithium‑ionbatterijen en verder—een visie voor 2030”.

Een belangrijke onderzoekslijn is verbetering van de kathode. Sommige lithium-ionchemieën gebruiken nikkel en kobalt, andere bijvoorbeeld ijzerfosfaat. Meer inzicht in de kristalstructuur en veranderingen tijdens veroudering kan de prestaties verbeteren.

Grafietanodes kunnen gedeeltelijk worden vervangen door silicium of siliciumoxide. Silicium heeft een veel hogere theoretische specifieke opslagcapaciteit dan grafiet, maar dat betekent niet dat de volledige accu vijf tot tien keer zoveel energie opslaat. Uitzetting en veroudering bemoeilijken het gebruik. Mengsels van grafiet en silicium worden al toegepast.

Het veranderen van de elektrolyten die de anode en kathode verbinden kan ook helpen. Nieuwe soorten vloeibare oplosmiddelen, meer geconcentreerde elektrolyten, of misschien zelfs gelachtige elektrolyten kunnen het veiligheidsprofiel verbeteren en de batterijdichtheid verhogen.

Ook de integratie in het voertuig kan beter. Structurele accupakketten vervullen naast energieopslag een dragende functie. Dat kan onderdelen en gewicht besparen en de efficiëntie verhogen. Tesla, Volvo en Rolls-Royce onderzochten verschillende vormen van deze aanpak. Een eerder genoemde verbetering van 16% in bereik was een ontwerpdoel, geen algemene winst voor ieder voertuig.

Vastestofaccu’s

Lange tijd theoretisch en langzaam werkelijkheid geworden in laboratoria, worden vaste-stof batterijen vaak beschreven als de Heilige Graal van batterijtechnologie.

Vastestofaccu’s vervangen de vloeibare elektrolyt door een vaste ionengeleider. Ze verwijderen de elektrolyt dus niet helemaal. Bepaalde ontwerpen kunnen een hogere energiedichtheid en minder brandbare vloeistof bieden. Ook kan een deel van de tijdrovende productiestappen veranderen; in de aangehaalde analyse werd gesproken over maximaal drie weken tijdwinst, afhankelijk van het productieproces.

Sommige ontwikkelaars mikken op zeer snel laden, met doelen van drie tot vijf minuten. Dat is geen eigenschap die iedere vastestofaccu automatisch bezit.

Verschillende bedrijven onderzochten commerciële vastestofaccu’s, met uiteenlopende streefdata in de periode 2026–2029. Genoemde spelers waren QuantumScape (QS ) (QS), CATL (300750.SZ), Toyota (TM), Panasonic (6752.T), LG (051910.KS) en Samsung SDI (006400.KS). Zulke data waren plannen, geen gegarandeerde introducties. Tesla’s 4680 is een cilindrisch lithium-ioncelformaat, geen vastestofchemie.

Problemen met Vaste-Stof Batterijen

Het opschalen van laboratoriumprototypes naar betaalbare massaproductie is lastig. Betrouwbaarheid, automatisering en kosten moeten tegelijk aan de eisen voldoen. De in 2023 genoemde introductieperiode 2026–2028 was daarom een verwachting, geen vaststaand resultaat.

Bron: Vertex Holdings

Sommige vastestofontwerpen met een lithiummetaalanode kunnen meer lithium per cel vragen. Dat geldt niet automatisch voor alle ontwerpen of per opgeslagen kilowattuur. De lithiumprijs steeg sterk tot 2022; toekomstige prijzen hangen ook af van aanbod en vraag. Recycling blijft bij nieuwe celontwerpen een aandachtspunt.

“Gecondenseerde” Batterijen

Een hoge energiedichtheid hoeft niet uitsluitend uit volledig vaste elektrolyten te komen.CATL heeft de creatie van een “gecondenseerde materie” batterij aangekondigd, met volgens de aankondiging van april 2023 een energiedichtheid tot 500 Wh/kg. CATL zei toen snel te kunnen opschalen en werkte aan toepassingen voor de luchtvaart en auto’s. Dit waren bedrijfsclaims en ontwikkelplannen.

Die aangekondigde celdichtheid was uitzonderlijk hoog en interessant voor elektrisch vliegen. Een bruikbaar vliegtuig vereist daarnaast onder meer voldoende vermogen, levensduur, veiligheid, certificering en een passend accupakket.

Alternatieve Batterijchemieën

Er bestaan veel batterijchemieën naast de gangbare nikkelrijke lithium-ionaccu’s. Sommige, zoals LFP, zijn zelf ook lithium-ionchemieën. Voor mobiliteit moeten gewicht, energiedichtheid, veiligheid en kosten goed op elkaar aansluiten.

Op de lange termijn kunnen sommige van deze alternatieve batterijen zelfs de duurdere lithiumbatterijen vervangen, althans voor de prijsgevoelige automobielmassamarkt.

Lithium-ijzerfosfaataccu’s (LFP)

LFP is een lithium-ionchemie met doorgaans een lagere energiedichtheid dan nikkelrijke varianten. Dat beperkte aanvankelijk bepaalde toepassingen, maar betere cellen en efficiëntere pakketten maakten LFP aantrekkelijk voor betaalbare elektrische auto’s. Een verschil van 30–40% hangt af van de vergeleken cellen en pakketten.

Een groot voordeel van LFP is dat ze geen nikkel of kobalt nodig hebben, die beide verantwoordelijk zijn voor de prijs van klassieke lithium‑ionbatterijen. Daarentegen zijn ijzer en fosfaat overvloedig en goedkoop. LFP’s gaan ook waarschijnlijk langer mee, waardoor de totale levensduurkosten van het batterijsysteem verder worden verlaagd.

CATL en BYD behoren tot de grote producenten van LFP-accu’s. CATL onderzoekt daarnaast andere chemieën om zijn marktpositie te versterken.

CATL presenteerde in augustus 2023 Shenxing: een LFP-accu waarvoor het bedrijf meer dan 700 kilometer bereik en 400 kilometer bijladen in tien minuten claimde. De haalbare waarden hangen af van voertuig en test- en laadomstandigheden.

Natrium‑Ion

Naast kobalt en nikkel is lithium de andere dure grondstof die in lithium‑ion wordt gebruikt. Daarentegen is natrium extreem overvloedig en goedkoop en veel minder waarschijnlijk regelmatig in een tekort te komen zoals lithium.

In een bericht uit november 2022 werd voorspeld dat BYD natrium-ionaccu’s zou gebruiken in goedkope modellen zoals Dolphin en Seagull. Dat was een voorspelling, geen bevestiging van de uiteindelijke uitvoering: de gelanceerde modellen gebruikten LFP Blade-accu’s. De destijds genoemde prijs rond 10.000 dollar voor de Seagull betrof de Chinese markt.

CATL presenteerde in 2021 natrium-ioncellen van 160 Wh/kg. Northvolt meldde in november 2023 een gevalideerde cel met meer dan 160 Wh/kg, aanvankelijk gericht op stationaire energieopslag.

Natrium-ion kan goedkoper worden door de ruime beschikbaarheid van grondstoffen. Een prijs van een derde van nikkelhoudende accu’s was echter een verwachting, geen algemeen aangetoonde marktprijs. De energiedichtheid en geschiktheid hangen af van het specifieke ontwerp.

Andere Chemieën

Hoewel het te lang zou zijn om elke afzonderlijk te bekijken, zijn er nogal wat andere potentiële chemieën die op een dag serieuze concurrenten kunnen worden voor batterijen die in mobiliteitsapplicaties worden gebruikt. Maar deze technologieën bevinden zich nog in een vroeg stadium, waardoor hun adoptie in EV’s op korte termijn onwaarschijnlijk is.

Glasbatterijen

Een intrigerend idee, waarbij alleen zeer overvloedige materialen worden gebruikt, dat tot nu toe door andere onderzoekers moeilijk te repliceren is in hun eigen laboratoria. Maar aangezien dit idee wordt gesteund door John B. Goodenough, een van de grondleggers van de lithium-ionaccu, verdient het onderzoek aandacht. Zijn reputatie vervangt echter geen onafhankelijke bevestiging van de prestaties. Goodenough overleed op 25 juni 2023.

Grafeenbatterijen

Grafeen, een enkele laag koolstofatomen, is extreem geleidend. Het bedrijf Graphene Manufacturing Grouponderzoekt grafeen-aluminium-ionaccu’s. Het bedrijf meldde zeer snel laden en een langere levensduur in vroege tests; vergelijkingen van zeventig keer sneller laden en driemaal langere levensduur waren geen bewezen prestaties van een commercieel EV-accupakket. GMG sloot in mei 2023 een ontwikkelingsovereenkomst met mijnbouwbedrijf Rio Tinto (RIO ) voor een proefpakket. De destijds genoemde opschaling richting 2025 was een plan.

Magnesium-ionaccu’s

Een onderzoek uit 2023 beschreef een quasi-vaste magnesium-ionaccu. Die behield bij −22 °C na negenhonderd cycli 90% van zijn capaciteit. De technologie bevond zich nog in de onderzoeksfase.

Lithium‑zwavel Batterijen

Deze batterijen zouden lithium en zwavel gebruiken in plaats van duur kobalt en nikkel. Zelfs in dit vroege stadium vertonen ze een opmerkelijk hoge energiedichtheid. Ze zijn echter geteisterd door problemen met duurzaamheid en moeten veel duurzamer worden om een goed alternatief voor bestaande chemieën te zijn.

Bron: Vertex Holdings

Natrium‑zwavel Batterijen

Deze batterijen waren tot nu toe beperkt tot toepassingen waarbij de batterij op hoge temperaturen (300 °C) werd gehouden. Nieuwe elektrolyten die zwaveloplossing voorkomen, zouden deze eis kunnen wegnemen. Dus kan dit een nieuwe benadering worden om krachtige en goedkope batterijen te vinden.

Aluminium‑ion Batterijen

Een aluminium-ionaccu kan een aluminiumanode gebruiken. Onderzoekers onderzochten ook een organisch redoxpolymeer als vervanging voor grafiet in de positieve elektrode, waarmee zij een hogere specifieke opslagcapaciteit bereikten.

Aluminium‑Lucht

Aluminium-luchtcellen produceren stroom door aluminium en zuurstof te laten reageren. Het aluminium wordt daarbij verbruikt. De aangehaalde concepten beloofden circa 1.600 kilometer bereik en een specifieke energie van 1.350 Wh/kg. Dat laatste is energie per kilogram, geen vermogen in W/kg; deze claims beschrijven geen gegarandeerde prestaties van een volledig voertuig.

Volgens de ontwikkelaars zou het aluminium in een daarvoor ontworpen systeem in ongeveer negentig seconden kunnen worden verwisseld. Het reactieproduct moet vervolgens industrieel worden verwerkt om opnieuw aluminium te maken; dat kost energie. Een aanvullende bereikmodule voor bestaande elektrische auto’s was eveneens een voorgesteld gebruik.

De ontwikkeling kent technische, economische en infrastructurele uitdagingen, waaronder de productie en terugwinning van aluminium. Toegang tot steunregelingen kan ook meespelen, maar ontbrekende overheidssteun is niet zonder onderbouwing als de enige of belangrijkste belemmering aan te wijzen.