Ultra-duurzame batterijen: waarom de volgende generatie technologie decennialang meegaat, niet alleen jaren

Batterijen gemaakt om lang mee te gaan

Naarmate de wereld elektrificeert en overstapt op hernieuwbare energie, groeit de behoefte aan meer energieopslag. Dit wordt deels gedreven door de overstap naar elektrische voertuigen, maar ook door de intermitterende aard van de productie van hernieuwbare energie.

Dit kan gedeeltelijk worden gecompenseerd door andere koolstofarme energiebronnen, zoals waterkracht of kernenergie, of misschien geothermische energie in de toekomst. Toch zouden voorstanders van groene energie er sterk de voorkeur aan geven om goedkope zonne‑ (en wind‑)energie als basis van ons energiesysteem te zien.

Dit creëert een vraag naar batterijen met fundamenteel andere kenmerken dan die voor mobiliteit.

EV’s hebben zeer energiedichte batterijen nodig die licht genoeg zijn in gewicht en klein genoeg in volume om in het chassis van een auto te passen. Duurzaamheid is een zorg, maar zolang de batterij 10‑15 jaar kan functioneren, is dit waarschijnlijk in lijn met de duurzaamheid van de rest van de autocomponenten.

Daarentegen zijn batterijen voor energieopslag veel minder beperkt door gewicht of volume. Ze worden echter zeker beperkt door kosten, aangezien ze in feite een extra kost zijn voor de productie van groene energie en het elektriciteitsnet.

Een manier om de kosten van energieopslag te verlagen is door een minder duur materiaal dan lithium te gebruiken voor het bouwen van de batterij. Veel alternatieven worden overwogen, zoals we eerder bespraken in “The Future Of Energy Storage – Utility-Scale Batteries Tech”: batterijen die technologieën gebruiken zoals natrium‑ion, ijzer‑lucht, zink, zeezout, polymeren, natrium‑zwavel, of zelfs gesmolten metalen.

Een ander belangrijk element om de levensduurkosten van een batterijsysteem te verlagen, is dat deze meerdere decennia meegaat. Door de investering over vele jaren af te schrijven, worden de kapitaalkosten van de batterij per jaar veel lager. En dit is iets waar nutsbedrijven zich waarschijnlijk meer prettig bij voelen, aangezien ze gewend zijn om nieuwe elektriciteitscentrales over een periode van 30‑50 jaar af te schrijven.

Waarom falen batterijen?

Dood door dendrieten

Voordat we een batterij bouwen die bijna eeuwig meegaat, moeten we kijken waarom de meeste batterijen na verloop van tijd hun lading verliezen of stoppen met werken.

Een belangrijke factor, vooral bij lithium‑ionbatterijen, is de groei van dendrieten. Deze stalactiet‑achtige structuur ontstaat door onjuiste ophoping van metaal in de batterij en kan na verloop van tijd de barrière tussen de kathode en anode doorbreken, wat kan leiden tot een kortsluiting en een catastrofale brand.

Bron: Nobel Prize

Vanwege dit brandgevaar zijn dendrieten een bijzonder ernstig probleem voor nutsbedrijven, omdat een brand in één batterijcel zich snel kan verspreiden naar een heel, miljarden‑dollar waardig batterijpark in de buurt. Ideaal gezien zou een batterijtechnologie die lang meegaat bijna geen risico op het vormen van deze dendrieten mogen hebben.

Het moet ook worden opgemerkt dat hoewel dendrieten vooral worden besproken bij lithium‑ionbatterijen, dit een veelvoorkomend probleem is voor de meeste batterijen die metalen anodes en/of kathodes gebruiken.

Ladingverlies

Een andere manier waarop batterijen kunnen falen, is door langzaam hun capaciteit om energie op te slaan te verliezen. Dit is meestal het gevolg van dat een deel van het metaal dat in de elektrode wordt gebruikt, langzaam ophoopt in een vorm die niet meer kan worden omgezet in iets bruikbaars.

Bron: EnergSoft

Andere oorzaken kunnen kleine scheurtjes zijn die ontstaan door mechanische en thermische stress, verlies van structurele integriteit, ophoping van ongewenste afzettingen, enz.

Bron: EnergSoft

Hoe gevoeliger een batterijtechnologie is voor deze langzame degradatie, hoe meer de totale lading afneemt, waardoor de batterij geleidelijk onbruikbaar wordt. Bovendien houden verslechterde batterijen de lading minder goed vast en verspillen ze meer van de opgeslagen energie, waardoor ze nog onrendabeler worden.

De ideale batterijtechnologie zou dus niet vatbaar moeten zijn voor langzame degradatie van het materiaal waaruit hij bestaat, of zou regelmatig kunnen worden geregenereerd tot een optimale staat zonder dat het hele systeem gerecycled moet worden.

Als je de details wilt leren over hoe batterijen degraderen, kun je ook deze 22‑minuten‑lange video raadplegen:

Cyclische levensduur

De duurzaamheid van batterijen kan moeilijk te meten zijn. Bijvoorbeeld, de meeste EV‑batterijsystemen worden meestal gemeten per afgelegde kilometer, of hoeveel afstand de EV’s kunnen afleggen voordat een nieuw batterijpakket nodig is.

Een andere manier om het te meten is het aantal laad‑ontlaadcycli dat kan worden uitgevoerd voordat de batterij een aanzienlijk deel van zijn totale lading verliest. Voor energieopslag wordt een regulier laad‑ontlaadcyclus van 1‑3 per dag verwacht.

Ten slotte is hoe lang een lading kan worden vastgehouden ook een belangrijke vraag, aangezien de meeste batterijen elke dag een beetje van hun lading verliezen. Ondertussen kan de wind wekenlang stoppen, en winterdagen zijn de dagen met het minste zonlicht en het hoogste energieverbruik, vooral in koude klimaten. Dus in theorie zou een batterij die weken of zelfs maanden energie kan leveren zonder veel verlies de ideale optie zijn.

Temperatuurtolerantie

De meeste batterijtechnologieën zijn meer dan een beetje intolerant voor koude, vooral vrieskou. Aangezien grootschalige energieopslag waarschijnlijk buiten in de buurt van een energiecentrale zal plaatsvinden, kan dit een ernstig probleem zijn in koude klimaten tijdens de winter. Als een aanzienlijk deel van de opgeslagen energie wordt gebruikt om de batterijen warm te houden, kan dit de economische haalbaarheid van het exploiteren van deze batterijen sterk beïnvloeden.

Ultra-duurzame batterijtechnologieën

Honeycomb‑batterijen

Zelfs als uiteindelijk alternatieve chemieën de winnaars zullen zijn voor het aandrijven van een volledig op hernieuwbare energie gericht stroomnet, zoeken batterijfabrikanten ook naar manieren om hun huidige technologie duurzamer te maken.

Een voorbeeld hiervan is de honeycomb‑batterij van CATL (300750.SZ). De batteriegigant CATL, die meer dan de helft van de wereldbatterijen produceert, zet sterk in op deze technologie. Het lijkt gedeeltelijk gebaseerd te zijn op een idee dat al in een wetenschappelijk artikel uit 2020 werd voorgesteld, getiteld “Stretchable lithium-ion battery based on new micro-honeycomb structure”.

Bron: Phys.org

From a 2021 scientific paper, we can learn some of the key advantages of honeycomb shapes, notably low density and high out-of-plane compression and shear properties (resistance of materials to forces acting in parallel but opposite directions).

Uit een wetenschappelijk artikel uit 2021 kunnen we enkele belangrijke voordelen van honeycomb‑vormen leren, met name een lage dichtheid en hoge compressie‑ en schuifsterkte buiten het vlak (de weerstand van materialen tegen krachten die parallel maar in tegengestelde richtingen werken).

Deze wijziging in de fysieke configuratie van de batterij houdt het materiaal op de juiste plaats, waardoor scheuren en krimp tijdens het opladen worden voorkomen.

Hoewel niet duidelijk is hoe CATL dit heeft gedaan, zijn enkele van deze methoden bekend; bijvoorbeeld, opeenvolgende thermische en chemische behandelingen met koolstof en zuur kunnen een nano‑honeycomb‑structuur creëren.

Bron: Chemistry Europe

Bron: Chemistry Europe

Over het geheel genomen lijkt de honeycomb‑batterijstructuur scheuren en de vorming van dendrieten te voorkomen, waardoor een ultra‑duurzame batterij ontstaat, terwijl nog steeds wordt vertrouwd op het goed begrepen principe van lithium‑ion- en LFP‑batterijtechnologieën (lithium‑ijzerfosfaat).

Het vormt waarschijnlijk de kern van CATL’s nieuwe product, het TENER containerized LFP battery system, dat na een volledige periode van 5 jaar gebruik nul degradatie in capaciteit heeft aangetoond.

TENER wordt nu door CATL gecommercialiseerd voor nutsbedrijven.

Bron: Sustainability Environment

Vaste‑stroombatterijen

Naast aanpassingen aan de chemie kan de manier waarop batterijen worden gebouwd worden veranderd om meer dichte en duurzamere batterijen te creëren.

Dit is het idee achter vaste‑stroombatterijen, die de vloeibare elektrolyt in de meeste batterijontwerpen vervangen door een vaste metallaag. In theorie zouden hiermee de energierijkste batterijen kunnen worden gebouwd, hoewel ze mogelijk niet de goedkoopste zijn.

Tot voor kort was dit een moeilijk op schaal implementeerbaar idee, omdat het een perfect contact tussen de metallaag vereist. Mechanische beweging tijdens het laden‑ontladen leidt vaak tot scheurvorming.

Bron: Flash Battery

Echter, recent development by many companies like QuantumScape (QS ), Toyota (TM ), Samsung SDI (006400.KS) or Hyundai (HYMTF) of battery factories and mass production for 2028-2030 indicate the technology is now becoming mature.

In theorie zouden goed ontwikkelde vaste‑stroombatterijen geleidelijk alle lithium‑ion-, LFP- en zelfs natrium‑ionbatterijen in EV’s kunnen vervangen.

De uiteindelijke prijs moet nog blijken wanneer ze op schaal worden geproduceerd om te bepalen of ze goedkoop genoeg zullen zijn voor toepassingen in netenergieopslag. Misschien kunnen speciale concepten, zoals anode‑vrije natrium‑vaste‑stroombatterijen, deze taak beheren, omdat ze het gebruik van duur lithiummetaal vermijden.

(U kunt meer leren over investeringskansen in deze technologie in “5 beste vaste‑stroombatterijen aandelen om in de gaten te houden of te kopen”).

Zinkbatterijen

Omdat zink een zeer goedkoop en overvloedig metaal is, wordt het al lange tijd gebruikt in niet‑oplaadbare batterijen. Herbruikbare batterijen kunnen ook met zink worden gebouwd, met name zink‑gebaseerde waterige batterijen (ZAB’s).

Het is echter een ontwerp dat wordt geteisterd door dendrietvorming, parasitaire waterstofontwikkelingsreactie (HER) en oppervlakte‑corrosie‑passivering, waardoor het sterk in bruikbaarheid wordt verminderd.

Dit verandert dankzij nieuw onderzoek uitgevoerd aan de Technische Universiteit van München¹. Ze gebruikten een poreuze organische polymeer genaamd TpBD-2F. Dit materiaal vormt een stabiele, ultradunne en zeer geordende film op de zinkanode, waardoor zinkionen efficiënt door nano‑kanalen kunnen stromen terwijl water van de anode wordt weggelaten.

Bron: Advanced Energy Materials

De samengestelde volledige cellen (Zn‑ion condensatoren) leveren een ultra‑lange cyclische levensduur van meer dan 100.000 cycli, een verbazingwekkende duurzaamheid, dankzij bijna volledige onderdrukking van dendrietvorming, evenals geen HER en corrosie.

Naast zinkbatterijen denken de onderzoekers dat dit concept kan worden uitgebreid naar andere metalen anodes: lithium, natrium, kalium, aluminium, enz.

TAQ‑polymeer en natrium‑ionbatterijen

Polymeer (koolstof) en natrium in plaats van lithium kunnen een geweldige manier zijn om de prijs van grondstoffen voor een batterij te verlagen. Dit is wat onderzoekers van MIT combineerden in hun TAQ‑natrium‑ionbatterij.

In de eerste tests voldeed het aan 2.000 laad‑ontlaadcycli zonder zichtbare degradatie, terwijl het een hogere energiedichtheid leverde dan lithiumbatterijen en een ultrasnelle oplaadtijd van 6 minuten.

Dit toont aan dat, uiteindelijk, de batterijchemie die het meest waarschijnlijk de race voor ultra‑duurzame batterijen zal winnen, niet simpelweg meer van hetzelfde is, maar een radicale heroverweging van welke materialen in een batterij kunnen worden gebruikt, waarbij zowel goedkope als overvloedige elementen zoals koolstof en natrium goede kandidaten zijn.

Gesmolten metaalbatterijen

De meeste batterijconcepten zijn gebaseerd op de overdracht van elektronen tussen één oxidatietoestand van vaste metaalatomen naar een andere oxidatietoestand. In deze moeten anodes en kathodes perfect gescheiden zijn om kortsluitingen te voorkomen.

Hoe meer metaal en hoe minder vloeibare delen zoals elektrolyten, hoe beter, zoals bij vaste‑stroombatterijen, of zo gaat de richting van het grootste deel van de batterijindustrie.

Door radicaal uit te breiden wat als een batterij kan worden beschouwd, doen gesmolten metaalbatterijen het tegenovergestelde: alle drie de hoofdcomponenten, de anode, kathode en elektrolyt, zijn vloeibaar.

Ze scheiden spontaan van elkaar dankzij verschillende vloeibare dichtheden. Het feit dat er geen vaste componenten zijn, zou in theorie de levensduur van de batterij dramatisch moeten verhogen, evenals het mogelijk maken om zeer snel op en af te laden en volledig recyclebaar te zijn.

Bron: Ambri

De door Bill Gates gesteunde onderneming Ambri, die een calcium‑ en antimoonbatterij gebruikt, is een voorvechter van deze technologie. Het was van plan om produceren 200.000 batterijcellen per jaar in zijn nieuwe fabriek tegen 2024.

Dit gebeurde echter niet, omdat het bedrijf zonder geld kwam te zitten voordat het de productie kon opschalen. Het is sindsdien in de zomer van 2024 uit chapter 11 faillissement gekomen, en zal nog steeds geleid worden door mede‑oprichter Dr. David Bradwell als CEO.

We kijken ernaar uit ons unieke, veilige en goedkope commerciële product op grote schaal aan onze klanten aan te bieden, om te voldoen aan de sterke klantvraag naar onze batterijsystemen en voor een schonere energietoekomst.

Terwijl we aan deze frisse start beginnen met een sterkere balans en nieuw kapitaal, richten we ons op het positioneren van Ambri om een leidende rol te spelen in de markt voor langdurige energieopslag ten behoeve van onze belanghebbenden.

David Bradwell

Dus Ambri is nog niet dood, en het is niet het enige bedrijf dat aan gesmolten batterijen werkt. Het Japanse NGK‑isolatiebedrijf (NGKIF) werkt ook aan een natrium‑zwavel gesmolten zoutbatterij, en het bedrijf Horien werkt aan een natrium‑nikkel‑chloridebatterij.

Beide bedrijfsproducten zijn al gecommercialiseerd en worden beoordeeld op een levensduur van meer dan 20 jaar.

Warmte‑/thermische batterijen

Door de definitie van batterij nog verder uit te breiden van elektriciteitsopslag naar simpelweg elke vorm van energieopslag, slaan warmte‑batterijen groene energie op in de vorm van warmte in plaats van elektrochemische energie.

Dit kan verschillende belangrijke voordelen bieden ten opzichte van “normale” batterijen:

• Warmtebehoud gedurende meerdere maanden is perfect haalbaar met voldoende isolatie, terwijl chemische batterijen altijd meer energie per dag lekken.
• Het grootste deel van het materiaal dat warmte vasthoudt, kan honderden duizenden keren worden gecycled zonder significante degradatie.
• De gebruikte materialen zijn goedkoop en overvloedig, zoals bijvoorbeeld zand of zuivere koolstof.

De combinatie van goedkope materialen, bijna geen degradatie over decennia, en energieopslag over meerdere maanden maakt warmte‑batterijen een goede kandidaat.

Het zijn voornamelijk private bedrijven die dit idee verkennen, met name het Finse bedrijf Polar Night Energy, dat overtollige energie van de zomer naar de winter opslaat, met alleen laagwaardig zand en een beetje metaal voor het frame en de leidingen.

Bron: Polar Night Energy

Een vergelijkbare warmte‑batterij wordt voorgesteld door Rondo Energy, met keramische bakstenen die tot wel 1500 °C kunnen worden verwarmd, waarbij de warmte wordt gebruikt voor industriële processen zoals cement- of staalproductie.

Bron: Rondo Energy

Over het geheel genomen kan dit een uitstekende optie zijn om sectoren die nog veel fossiele brandstoffen verbruiken, zoals de zware industrie en de winterverwarming van appartementen, te decarboniseren. Vooral omdat het ontwerp kan helpen energie van de zonnige zomer op te slaan voor de bewolkte winter.

De opgeslagen warmte kan zelfs worden omgezet terug in stroom, dankzij thermofotovoltaïsche cellen, met onderzoekers van de Universiteit van Michigan die cellen hebben ontwikkeld met een record van 44 % efficiëntie².

Bron: Design Boom

Conclusie

Batterijsystemen voor elektriciteitsnetten en woningen zullen waarschijnlijk minder afhankelijk zijn van de huidige lithium‑iontechnologie en meer van goedkopere en duurzamere technologieën, zelfs als ze minder energiedicht zijn. Voorlopig zijn de batterijen die klaar zijn voor grootschalige commercialisatie geavanceerde honeycomb‑structuur LFP‑ en natrium‑ionbatterijen.

Op de lange termijn zullen waarschijnlijk meer exotische oplossingen aan de mix worden toegevoegd, zoals gesmolten metaal, zink, polymeer of warmte‑batterijen. Uiteindelijk zullen de duurzaamheid, de materiaalkosten en de productiekosten waarschijnlijk de bepalende factor zijn welke de “definitieve” ultra‑duurzame energieopslag vormen.

Dat is, als vaste‑stroombatterijen niet goedkoop genoeg blijken om de volledige energiemarktplaats over te nemen, wat een reële mogelijkheid is.

Ultra-duurzaam batterijbedrijf

QuantumScape

Sinds de oprichting in 2010 is het Californische QuantumScape een prominente startup in de vaste‑stroombatterijsector, opmerkelijk door haar vroege intrede in het veld en haar onafhankelijkheid van grotere batterijfabrikanten die ook vaste‑stroomtechnologie nastreven, zoals CATL (300750.SZ), Samsung of LG Energy Solution (373220.KS).

Bron: QuantumScape

Een uniek kenmerk van QuantumScape‑batterijen, dat destijds als revolutionair werd beschouwd, is dat ze een anode‑vrij ontwerp gebruiken. Het maakt een snelle lading van ongeveer 15 minuten mogelijk (10‑80 % bij 45 °C) en de separator is niet brandbaar en niet ontvlambaar.

Bron: QuantumScape

Dit plaatst QuantumScape‑batterijen ook in een eigen klasse wat betreft energiedichtheid en oplaadsnelheid, en ze presteren veel beter dan leiders zoals Tesla (TSLA ) (zowel hun eigen ontwerp als die van CATL).

Bron: QuantumScape

Echter, deze opmerkelijke prestaties werden regelmatig belemmerd door problemen met het opschalen van de productie. Het dwong het bedrijf ook om zijn kasreserves te verbranden, wat leidde tot verwatering van eerdere investeerders en een daling van de aandelenkoersen.

Dit lijkt te veranderen sinds de overeenkomst van 2024 met PowerCo, de batterijafdeling van de Volkswagen Group, voor een licentieovereenkomst voor het ontwerp en de massaproductie van QuantumScape‑batterijen door PowerCo.

Onder de niet‑exclusieve licentieovereenkomst kan PowerCo tot 40 gigawattuur per jaar aan elektrische voertuigbatterijen produceren, met de mogelijkheid om uit te breiden naar 80 GWh per jaar.

De plotselinge opschaling van de productie van QuantumScape lijkt gekoppeld te zijn aan Cobra, de next‑generation vaste‑stroombatterij separator‑apparatuur van het bedrijf, een doorbraak in keramiekproductie.

In het algemeen zou Cobra in 2025 in de productie moeten worden geïntegreerd, en de eerste afgewerkte EV die QuantumScape‑batterijen gebruikt, zou in 2026 moeten worden geproduceerd.

Bron: QuantumScape

Dit zou een keerpunt voor het bedrijf kunnen zijn, waarbij het 16 jaar na de oprichting van een veelbelovende startup met interessante intellectuele eigendom naar het genereren van groeiende inkomsten gaat via een partnerschap met een van de grootste autofabrikanten ter wereld.

In de tussentijd moeten investeerders nog steeds enige volatiliteit in de aandelenkoers verwachten, maar met een licht aan het einde van de productontwikkeltunnel.

Laatste nieuws over QuantumScape

Studieverwijzing:

^{1. Da Lei, et al, (2024) Ion-transportkinetiek en interface‑stabiliteitsvergroting van zinkanodes gebaseerd op gefluoride covalente organische raamwerkdunne films. Advanced Energy Materials. 13 oktober 2024}

^{2. Bosun Roy-Layinde, et al. (2024) Hoge‑efficiënte luchtbrug thermofotovoltaïsche cellen. Joule. Volume 8, Issue 7, p2135-2145. 17 juli 2024.}