SustainaWeekly - Batterijtechnologieën in de schijnwerpers

Economie:

Het probleem met hernieuwbare energie is intermittentie en batterijen kunnen dit probleem oplossen. Batterijen hebben echter ook hun uitdagingen: energiedichtheid, levenscycli, materiaalgebruik. De keuze van de technologie is vooral een afweging tussen energiedichtheid, levenscycli en beschikbaarheid en kosten van materialen, waarbij de veiligheid altijd op een hoog niveau moet staan. Opkomende batterijtechnologieën zouden een aantal van de uitdagingen van de huidige technologieën kunnen oplossen.

De voor- en nadelen van batterijtechnologieën

• Het probleem met hernieuwbare energiebronnen is intermittentie, maar accu's kunnen dit probleem oplossen

• Batterijen slaan energie op voor later gebruik, voor mobiliteit en draagbare apparatenMaar zij hebben ook hun uitdagingen: energiedichtheid, levenscycli en materiaalgebruik

• De keuze van de technologie is vooral een afweging tussen energiedichtheid, levenscycli en beschikbaarheid en kosten van materialen, waarbij veiligheid altijd op een hoog niveau moet staan

• Opkomende batterijtechnologieën zouden een aantal van de uitdagingen van de huidige technologieën kunnen oplossen

Om netto nul te bereiken in 2050 spelen hernieuwbare energiebronnen een cruciale rol. Het grootste probleem met hernieuwbare energie is de intermittentie, dus het komt en gaat en is moeilijk te voorspellen. Daarom hebben we een manier nodig om deze energie op te slaan. Er zijn twee hoofddoelen/redenen om energie op te slaan: opslag voor thuis/kantoor of voor mobiliteit. Een voorbeeld van het eerste is een thuisbatterij die de energie opslaat die overdag door zonnepanelen wordt geproduceerd, om deze te verbruiken als de zon ondergaat. Deze batterij wordt dus gebruikt om energie uit hernieuwbare bronnen op te slaan om die op een later moment te gebruiken. Een voorbeeld van de laatste is een batterij die wordt gebruikt in een elektrische auto in plaats van een verbrandingsmotor die fossiele brandstoffen verbrandt. Dit is dus een batterij om energie op te slaan om te kunnen rijden in plaats van fossiele brandstoffen te verbranden en zo de uitstoot van broeikasgassen te verminderen. Batterijen zijn cruciaal in de energietransitie. Maar er zijn nogal wat uitdagingen.

Batterijen voor thuisopslag zijn duur, worden over het algemeen niet gesubsidieerd en zijn afhankelijk van materialen die schaars zijn. Accu's voor mobiliteit hebben een hogere energiedichtheid nodig om de actieradius te vergroten. Ze zijn ook duur vanwege de kritische metalen die worden gebruikt, terwijl er in de toekomst ook een tekort aan deze metalen kan ontstaan. In deze analyse richten we ons op de huidige en opkomende batterijtechnologieën om enkele van deze uitdagingen op te lossen. We beginnen met enkele basisprincipes over accu's, kijken vervolgens naar de accu's die op dit moment beschikbaar zijn, gevolgd door de opkomende technologieën.

Wat is een batterij?Een batterij is een apparaat dat elektriciteit produceert uit een chemische reactie. Elke batterij heeft een cel die uit drie onderdelen bestaat: twee elektroden (positief en negatief) en een elektrolyt ertussen. De elektroden worden ondergedompeld in chemicaliën in de batterij. De chemicaliën reageren met de metalen waardoor zich een overschot aan elektronen opbouwt op de negatieve elektrode en er een tekort aan elektronen ontstaat op de positieve elektrode. Als je een circuit aansluit, is er een manier voor de elektronen om van de negatieve naar de positieve kant te gaan. Conventionele batterijen slaan dus energie op door chemische reacties te gebruiken om ionen op te vangen die van de ene elektrode naar de andere bewegen. Zoals hierboven aangegeven worden accu's gebruikt om (hernieuwbare) energie op te slaan voor later gebruik en voor elektrische voertuigen. Er zijn verschillende soorten batterijen. Er zijn niet-oplaadbare batterijen (alkaline) en oplaadbare batterijen (loodzuur, nikkel-cadmium, nikkel-metaalhybride en lithium-ion). In de tabel op de derde pagina worden ze verder in detail uitgelegd.

Vandaag de dag gebruikt meer dan 50% van de hele markt lithium-ion. Deze batterijen genieten de voorkeur in elektrische voertuigen vanwege hun hoge energie per massa-eenheid, hoge vermogen/gewichtsverhouding, energie-efficiëntie en lage zelfontlading (bron: eTechnophiles). De twee meest voorkomende concepten in verband met batterijen zijn energiedichtheid en vermogensdichtheid. Energiedichtheid wordt gemeten in wattuur per kilogram (Wh/kg) en is de hoeveelheid energie die de batterij kan opslaan ten opzichte van zijn massa. Vermogensdichtheid wordt gemeten in watt per kilogram (W/kg) en is de hoeveelheid energie die door de batterij kan worden opgewekt in verhouding tot de massa (bron: www.energy.gov). Het is dus de snelheid waarmee de batterij wordt opgeladen/ontladen. Andere belangrijke aspecten zijn thermische runaway, vooral voor lithium-ion accu's, en levensduur. Thermische runaway wordt gedefinieerd als een kritieke toestand die optreedt tijdens het opladen met constante spanning waarbij de stroom en de temperatuur van de accu een cumulatief, wederzijds versterkend effect veroorzaken waardoor ze verder toenemen en tot de vernietiging van de accu kunnen leiden. De levensduur van een accu is het aantal laad-, ontlaad- of rustcycli dat een cel of accu kan leveren. Hieronder gaan we dieper in op lithium-ion accu's omdat dit momenteel de meest gebruikte accu's zijn.

Lithium-ion batterijZoals hierboven aangegeven is een lithium-ion batterij een familie van oplaadbare batterijtypes. De accu heeft een kathode, anode, separator, elektrolyt en twee stroomcollectoren (positief en negatief). De anode en kathode slaan het lithium op. De elektrolyt transporteert positief geladen lithiumionen van de anode naar de kathode en vice versa door de separator. De beweging van de lithiumionen creëert vrije elektronen in de anode die een lading creëren bij de positieve stroomcollector. De elektrische stroom vloeit vervolgens van de stroomcollector door een apparaat dat van stroom wordt voorzien (mobiele telefoon, computer, EV) naar de negatieve stroomcollector. De separator blokkeert de stroom van elektronen in de batterij. Terwijl de batterij ontlaadt en elektrische stroom levert, geeft de anode lithium-ionen af aan de kathode, waardoor een stroom van elektronen van de ene naar de andere kant ontstaat. Wanneer het apparaat wordt aangesloten (laden), gebeurt het tegenovergestelde: Lithiumionen worden afgegeven door de kathode en ontvangen door de anode (bron: www.energy.gov). Een batterij kan op verschillende manieren worden verpakt: cilindrisch, prismatisch of in een zakje. Elke manier van verpakken heeft een ander systeem van thermisch beheer.

De capaciteit en spanning van de batterij worden bepaald door het type actief materiaal dat in de kathode wordt gebruikt. De meeste kathoden bevatten nikkel, lithium, kobalt en mangaan, maar in verschillende hoeveelheden. Sommige accu's bevatten aluminium. Elke batterijchemie heeft een specifieke energiedichtheid, stabiliteit, veiligheid en duurzaamheid en de ene chemie kan beter geschikt zijn voor opslag of in elektrische voertuigen en vice versa. Nikkel is belangrijk voor hoge capaciteit, mangaan en kobalt zijn belangrijk voor de hoge veiligheid en aluminium verhoogt het vermogen van de batterij. De verschillende soorten lithium-ion-accu's worden in de onderstaande tabel genoemd. Een hogere energiedichtheid betekent dat voertuigen verder kunnen rijden zonder te hoeven opladen. Veiligheid en duurzaamheid zijn ook belangrijk om rekening mee te houden. De anode is verantwoordelijk voor de levensduur en is meestal gemaakt van natuurlijk of synthetisch grafiet. De elektrolyt en separator bepalen de veiligheid van een batterij.

Er zijn verschillende manieren om de energiedichtheid van een lithium-ionbatterij te verhogen. Ten eerste door meer lithium, kobalt en andere componenten gebruiken. Ten tweede, door de samenstelling te veranderen van de accu en de gebruikte materialen (accuchemie). Dus bijvoorbeeld een lager gebruik van kobalt en een hoger gebruik van nikkel. Een Nikkel Kobalt Aluminium Oxide (NCA) accu heeft de grootste energiedichtheid. Een Nikkel Mangaan Kobalt Oxide (NMC) accu heeft een lagere energiedichtheid dan een NCA accu maar heeft een langere levensduur. Ze maken beide gebruik van kritische metalen en hebben relatief lage thermische runaway temperaturen (150-210 °C). Een Lithium IJzer Fosfaat (LFP) accu biedt thermische stabiliteit bij zelfs hoge temperaturen, is goedkoop, heeft hoge cycli en een hoge duurzaamheid. Een Lithium Titanaat batterij heeft een lage energiedichtheid en is duur, maar is een van de veiligste Lithium-ion batterijen en heeft lange levenscycli.

Er is een drang om het bereik te vergroten (hogere energiedichtheid), vooral voor wegvervoer, om de cycli te vergroten, om het aantal kritische metalen dat wordt gebruikt te verminderen en om de kosten te verlagen om batterijen voor opslag en elektrische voertuigen betaalbaarder te maken. Eén manier om de kosten en het gebruik van kritieke metalen te verlagen is door een andere batterij te gebruiken of de chemische samenstelling van de batterij te veranderen. Steeds meer autofabrikanten kiezen voor een LFP-batterij in plaats van NMC. Dit is goedkoper, veiliger, heeft een langere levensduur en gebruikt minder kritieke metalen, maar de energiedichtheid van LFP-batterijen is veel lager dan die van NMC-batterijen (zie bovenstaande tabel). LFP lijkt ook te lijden onder slechte prestaties bij zeer lage temperaturen. Een andere manier om de huidige uitdagingen op te lossen, of gedeeltelijk op te lossen, is wachten op de opkomende batterijtechnologieën. Meer hierover in de volgende paragraaf.

Opkomende batterijtechnologieënDe onderstaande tabel geeft een overzicht van de opkomende batterijtechnologieën. Sommige hiervan zijn vernieuwde versies van al beschikbare technologieën zoals NMC955, flowbatterijen, ultracondensatoren en hybride condensatoren, andere zijn al bestaande ideeën maar worden nog niet op commerciële schaal toegepast en weer andere zijn nieuwe technologieën.

In termen van energiedichtheid zijn de batterijtechnologieën lithium-zwavel, lithium-air en natrium-zwavel (vernieuwd) veelbelovend. Maar ze hebben aanzienlijke stabiliteits-, duurzaamheids- en/of veiligheidsuitdagingen. Deze problemen moeten eerst worden opgelost voordat ze op commerciële schaal beschikbaar komen. Het technische gereedheidsniveau van deze technologieën ligt tussen 1 en 5, afhankelijk van de technologie. De tabel hieronder geeft uitleg over de niveaus van technische gereedheid.

Solid state is een veelbelovende technologie die relatief snel op de markt zal komen. Toyota verwacht zijn solid-state batterijen al in 2027 te kunnen produceren. Solid-state technologie is een batterij die gebruik maakt van een vaste elektrolyt in vergelijking met de vloeibare elektrolyt in lithium-ion batterijen. Vloeibare elektrolyt kan gevaarlijk en onstabiel zijn door kortsluiting of overbelasting. De vloeibare elektrolyt kan brand veroorzaken of exploderen. Een vaste elektrolyt voorkomt dit. Een ander voordeel is dat solid-state batterijen een hogere energiedichtheid hebben van 400 Wh/kg potentieel tot wel 2.600 Wh/kg. Dit is aanzienlijk hoger dan de huidige lithium-ion batterijen met een energiedichtheid van 240-350 Wh/kg. Tot slot zouden ze ook hogere cycli hebben in vergelijking met lithium-ionbatterijen. Deze opkomende technologie heeft ook enkele nadelen. Om te beginnen hebben solid state batterijen een hoge interne weerstand bij de vaste elektroden en elektrolyt-interfaces, wat het snelle oplaad- en ontlaadproces vertraagt. Bovendien zijn de kosten nog steeds hoog omdat het een opkomende technologie is. Massaproductie lijkt moeilijk omdat er schaarste is aan een betrouwbare kandidaat voor een vaste elektrolyt. Ten slotte vormen zich tijdens het laden en ontladen wortelachtige opeenhopingen (dendriet) op lithiummetaal in de anodes. Dendrietvorming vermindert de capaciteit van de vaste elektrolyt en dus de opslag.Een andere technologie die meer aandacht zou kunnen krijgen, zijn natrium-ion-accu's. Ze gebruiken natrium-ionen in plaats van lithium-ionen. De energiedichtheid is laag in vergelijking met NMC, maar ze zijn veiliger en hebben aanzienlijk meer cycli. Ze zouden dus een sterke concurrent kunnen zijn voor de LFP en loodzuuraccu's voor opslag. Maar de natrium-ion-technologie bevindt zich ongeveer op het punt waar de lithium-ion-technologie zich tien jaar geleden bevond.