De Toekomst van Mobiliteit – Batterijtechnologie

De Opkomst van EV’s

When Tesla (TSLA ) was founded in 2003, the idea of electric cars was mostly seen as a joke. At that point, every electric car had been essentially a glorified golf cart with poor battery range, low comfort, small size, and very low top speed.

De Tesla Roadster (1^st generatie, aangezien een nieuwe versie wordt verwacht in 2026) veranderde deze perceptie volledig, met de prestaties van een luxe sportwagen, waardoor elektrische auto’s (EV’s) plotseling cool werden.

Het cruciale onderdeel dat EV’s plotseling levensvatbaar maakte, was de vooruitgang in batterijtechnologie. In eerste instantie berustte dit op lithium-ionbatterijen die waren ontworpen voor de kleine elektronische markt. Al snel werden meer toegewijde systemen ontwikkeld om EV’s meer autonomie te geven.

Van een klein volume zelfs in 2016, zijn elektrische auto’s (EV’s) nu een exponentieel groeiend deel van de wereldwijde verkoop, met meer dan 10 miljoen verkochte elektrische auto’s in 2022, of 14 % van de wereldwijde verkoop, waarbij China en Europa de leiding hebben.

Wereldwijde EV-verkopen – Bron: IEA

Desondanks blijven er enkele vragen open over de adoptie van EV’s. De verkoop van EV’s is vertraagd door hoge inflatie en de noodzaak om het grote publiek – niet alleen vroege adoptanten – te overtuigen. Dit heeft recent geleid tot het uitstel of de annulering van de EV-strategie door grote fabrikanten, zoals GM, Ford of Honda.

De Huidige Beperkingen

Vroege EV‑enthousiastelingen waren blij met voertuigen die koolstofneutraler konden zijn en een nieuwe technologie vertegenwoordigden. Kopers die minder milieubewust zijn, blijven echter enigszins sceptisch over EV’s om verschillende redenen:

• Prijs: De meeste EV’s kosten nog steeds meer dan hun ICE (interne verbrandingsmotor) equivalent. Met stijgende rentetarieven kan dit EV’s voor veel mensen te duur maken.
• Reikwijdte‑angst: Een manier om de prijs van een EV te verlagen is het kiezen van een kleinere batterijpack. Maar dan kan een lager bereik lange reizen bemoeilijken, en kan de oplaadtijd ook lang zijn.
• Koud weer: Hoe kouder het klimaat, hoe schadelijker het voor batterijen. De meeste EV’s moeten ‘s nachts in de winter blijven opladen als ze niet in een warme garage staan. Bovendien vermindert kou het theoretische bereik van EV’s.
• 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‑ionbatterijen bevatten veel energie. En de elektrolyten in de batterij zijn zeer brandbaar. Dit maakt batterijen potentieel een veiligheidsrisico, vooral in gesloten omgevingen zoals ondergrondse parkeergarages. Niet dat ICE‑auto’s niet brandbaar zijn, maar het blijft een zorg.
• 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.

De meeste problemen met huidige EV’s kunnen worden opgelost met betere batterijen. Trage oplaadtijd, te laag bereik, veiligheidsproblemen, koudegevoeligheid en zelfs prijs zijn allemaal kenmerken van huidige lithium‑ionbatterijen.

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.

Over het algemeen betekenen dichtere batterijen goedkopere, veiligere batterijen die ook waarschijnlijk langer meegaan en sneller opladen.

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”.

Het eerste deel is het verbeteren van het kathodedeel van de batterij, dat momenteel voornamelijk bestaat uit lithium en nikkel in lithium‑ionbatterijen. Een dieper begrip van de kristallijne structuur en chemische veranderingen wanneer een batterij veroudert, kan alle specificaties van de batterijen verbeteren.

Anodes, momenteel gemaakt van grafiet, zouden kunnen worden vervangen door 5‑10 x energie-dichtere silicium of siliciumoxide. Dit is tot nu toe moeilijk gebleken, omdat siliciumanodes de neiging hebben te “verouderen” te snel. Grafiet‑siliciummengsels worden al vaker gebruikt en kunnen de totale energie van de batterijen verhogen.

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.

Ten slotte is een beter ontwerp een optie om de relatie tussen batterijen en EV’s te optimaliseren. Veel EV‑fabrikanten beginnen zogenaamde structurele batterijen te gebruiken die zowel energieopslag als structurele componenten van het voertuig zijn. Dit kan het totale gewicht van de auto verminderen, wat leidt tot meer efficiëntie en bereik. Rolls‑Royce, Tesla en Volvo werken al aan dit idee, wat het bereik met 16 % kan verhogen.

Vaste-Stof Batterijen

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

Het idee is om volledig af te zien van vloeibare elektrolyten, waardoor het gewicht van de batterij sterk wordt verminderd en de dichtheid dramatisch toeneemt. Het verwijderen van de brandbare elektrolyt zou de batterij veel veiliger moeten maken. Het verwijderen van de elektrolyt zou ook het productieproces moeten vereenvoudigen; tot 3 weken in de productielijn kunnen worden bespaard.

Ten slotte beloven dergelijke ontwerpen bijna volledige herlading in 3‑5 minuten, of ongeveer dezelfde tijd als het tanken van een auto met benzine.

Veel bedrijven praten over het lanceren van hun eigen versie van vaste-stof batterijen al in 2026‑2029. Dit omvat QuantumScape (QS ) (QS), CATL (300750.SZ), Toyota (TM), Panasonic (6752.T), LG (051910.KS) en Samsung SDI (006400.KS). Voorlopig werkt Tesla (TSLA) aan zijn eigen alternatief voor vaste-stof batterijen, de 4680 batterijcellen gebaseerd op lithium‑iontechnologie.

Problemen met Vaste-Stof Batterijen

De ontwikkeling van vaste-stof batterijen is geteisterd door de moeilijkheden om laboratoriumprototypes op te schalen naar massaproducten. Betrouwbare, geautomatiseerde en goedkope productie is nog in ontwikkeling, en de tijdlijn voor de marktintroductie van vaste-stof batterijen ligt waarschijnlijk tussen 2026‑2028 op zijn best.

Bron: Vertex Holdings

Ten slotte zullen vaste-stof batterijen veel meer lithium gebruiken dan huidige lithium‑ionbatterijen, wat een herhaling kan veroorzaken van de torenhoge lithiumprijs in 2022, toen deze in 2 jaar tijd 10‑maal steeg. Recycling kan ook moeilijk zijn.

“Gecondenseerde” Batterijen

Misschien hoeven we niet te wachten op vaste-stof batterijen om zeer hoge-dichtheidsbatterijen te zien. CATL heeft de creatie van een “gecondenseerde materie” batterij aangekondigd, die 500 Wh/kg kan bereiken. Het bedrijf beweert ook de mogelijkheid om massaproductie in een korte tijd te realiseren, wat, komende van de leider in de sector en niet van een kleine startup, waarschijnlijk geloofwaardig is.

Dit is een dichtheidsniveau dat eerder werd geacht alleen haalbaar te zijn met vaste-stof batterijen. Het is ook het niveau dat nodig is om elektrische vliegtuigen en andere toepassingen, die tot nu toe niet elektrificeerbaar waren, te overwegen.

Alternatieve Batterijchemieën

Er zijn veel mogelijke alternatieven voor lithium‑ion om een batterij te maken. Maar slechts enkele batterijchemieën zullen de juiste mix van lichtgewicht, hoge dichtheid en veiligheid hebben om geschikt te zijn voor gebruik in mobiele toepassingen.

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

Lithium-Iron(Ferrum)-Fosfaat Batterijen – LFP

LFP-batterijen zijn lange tijd buiten mobiliteitsapplicaties gebleven vanwege een te lage energiedichtheid, doorgaans 30‑40 % lager dan een klassieke lithium‑ionbatterij. De nieuwste versie van deze chemie bereikt nu het dichtheidsniveau van oudere generaties lithium‑ionbatterijen, waardoor ze levensvatbaar zijn voor goedkope voertuigen.

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.

De toonaangevende fabrikant van LFP is het Chinese CATL (300750.SZ), samen met BYD (BYDDF), hoewel het bedrijf nu naar andere opties kijkt om zijn positie als fabrikant van de helft van de wereldbatterijen te behouden.

Desondanks negeert het de LFP-markt niet na de onthulling in augustus 2023 van een 700‑kilometer LFP-batterij die in slechts 10 minuten 400 km bereik kan bijladen.

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.

De toonaangevende Chinese autofabrikant BYD heeft haar intentie aangekondigd om natrium‑ionbatterijen te gebruiken voor haar nieuwe goedkope modellen Dolphin en Seagull, waarbij de Seagull mogelijk zo goedkoop is als $10.000 (jammer genoeg alleen in China).

Dit volgde op de aankondiging van een hoog-dichtheids natrium‑ionbatterij door CATL in 2021. In november 2023 heeft het Europese Northvolt een doorbraak aangekondigd in natrium‑ion, waarbij dezelfde energiedichtheid van 160 Wh per kilogram als CATL werd bereikt.

Hoewel iets minder energiedicht dan LFP en veel minder dan lithium‑ion, kan natrium‑ion de massamarkt winnen dankzij een VEEL goedkopere prijs, mogelijk een derde van de prijs van huidige batterijen die nikkel gebruiken.

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 de heer Goodenough, de uitvinder van de lithium‑ionbatterij, mag het niet worden afgedaan (jammer genoeg is de heer Goodenough in de zomer van 2023 overleden).

Grafeenbatterijen

Grafeen, een enkele laag koolstofatomen, is extreem geleidend. Het bedrijf Graphene Manufacturing Group zet zich in voor grafeen/aluminium batterijen, die een hogere dichtheid kunnen hebben dan lithium‑ion terwijl ze 70 keer sneller opladen en 3 keer langer meegaan. Het bedrijf werkt samen met mijnreus (en grafeenminer) Rio Tinto (RIO ) om productie op schaal te starten voor 2025.

Mangaan Waterstof Batterijen

Deze batterijen zouden magnesium gebruiken om lithium te vervangen. Dit type batterij wordt beschreven als “quasi vaste-stof” en kan veel beter omgaan met temperaturen tot -22 °C (- 7 °F).

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

Deze technologie vervangt de lithium‑anode door een aluminium‑anode. Door een polymeervervanging voor grafiet, deze batterijen zouden een hoge opslagcapaciteit kunnen bereiken.

Aluminium‑Lucht

Deze “batterijen” functioneren door aluminium te consumeren als brandstof, waardoor de EV die ze gebruikt een groter bereik heeft dan een brandstofauto (1.600 km per tank), met een veel hogere energiedichtheid dan lithium‑ion (1.350 W/kg). Dit maakt het ook een potentiële elektriciteitsbron voor elektrische vliegtuigen.

Het verbruikte aluminium kan vervolgens binnen 90 seconden worden vervangen door nieuw aluminium, en het gebruikte “brandstof” wordt gerecycled. Deze technologie kan ook worden gecombineerd met oudere EV’s om hen extra bereik te geven.

Momenteel lijkt de belangrijkste beperking voor de ontwikkeling van deze technologie te zijn dat ze geen publieke steun krijgt, omdat ze noch een echte batterij, noch een brandstofcel, noch op waterstof gebaseerd is, waardoor ze niet in aanmerking komt voor ondersteuning door bestaande groene beleidsmaatregelen.