Een accu die liefst minstens tien jaar meegaat, geen zeldzame grondstoffen nodig heeft en snel oplaadt? Wetenschappers werken eraan, ook bij technologie die al bestaat. ‘Aan lithiumionaccu’s kunnen we nog flink wat verbeteren.’
Een batterij slaat energie uit chemische reacties op, zodat je die later kan oogsten en gebruiken. Dat idee dateert misschien al van meer dan 2.200 jaar geleden. Al van de batterij van Bagdad gehoord? Natuurlijk is het niet bewezen dat die Mesopotamische aarden kruik met een koperen cilinder erin ooit werd gebruikt als batterij. Maar dat zo’n constructie energie kan opslaan is wel zeker, archeologen hebben het uitgetest.
Als stoffen betrokken raken in een chemische reactie, veranderen ze in nieuwe materialen. Bij die transformatie verandert ook hun energieniveau, de elektrochemische potentiaal. In 1800 presenteerde Alessandro Volta als eerste een opslagplaats voor energie uit chemische reacties. Die bestond uit koper- en zinkelementen in een zoutoplossing. De batterij van Volta kon je niet opladen, maar enkele decennia later, in 1859, ontwikkelde Gaston Planté de eerste accu – afkorting voor accumulator – op basis van loodzuur. Later volgden dan oplaadbare batterijen met nikkel, en sinds 1991 zijn er accu’s met lithium op de markt.
Van flink voor die tijd dateert het snellaadstation in seventieskleuren in de hal van het onderzoekscentrum MOBI van de VUB. Een algoritme dat explosies door overladen moest voorkomen, stuurde het, toen al. Een Battery Management System (BMS) avant la lettre.
‘Als je de spanningslimieten van een accu overschrijdt, kan er een chemische reactie met een domino-effect ontstaan.’ Maitane Berecibar, hoofd van het batterijteam, maakt speciaal een omweg om het laadstation te tonen. ‘Decennia geleden reed het VUB-personeel al met elektrische voertuigen van campus naar campus.’
In 1979 zorgde wijlen Gaston Maggetto voor negen blauwe elektrische autootjes met loodzuuraccu’s op de VUB. Elke veertig kilometer moest je ze opladen, maar Maggetto slaagde er in 1984 toch maar in om met zo’n wagentje naar een conferentie over elektrische voertuigen in Parijs te rijden. De rit duurde volgens de overlevering wel twintig uur.
Lithiumionaccu’s mogen dan al sinds de jaren 1990 bestaan, pas sinds een tiental jaar zie je ze echt overal. ‘Ze worden inderdaad steeds belangrijker in allerlei toepassingen’, vertelt Berecibar. ‘Ze hebben immers een spectaculair betere energiedensiteit dan de vorige systemen.’
Volle vrachtwagen
De energiedensiteit van een accu is de energie die hij kan opslaan per massa batterij. ‘Chemische batterijen werken met redoxreacties, waarbij materialen elektronen uitwisselen.’ Er bestaan veel redoxreacties, dat verklaart waarom er zoveel batterijen mogelijk zijn. ‘En het verklaart tegelijk het succes van lithiumaccu’s, want redoxreacties met dat materiaal leveren veel energie op’, legt Momo Safari uit. Hij is hoofd van de groep elektrochemische ingenieurstechnieken bij het Instituut voor Materiaalonderzoek van de UHasselt en EnergyVille.
‘Daardoor kan je in een kleine en lichte batterij veel energie opslaan, en dus veel toepassingen bereiken. Ik denk aan ingeplante sensoren voor medische toepassingen, maar vooral aan mobiliteit’, gaat de ingenieur verder. ‘Elektrische voertuigen vormen de grootste markt voor batterijen, en ze drijven dus het onderzoek aan. Misschien zijn er meer smartphones of laptops, maar als je telt in hoeveelheid energie zijn auto’s honderd tot duizend keer belangrijker.’
De ontwikkeling van accu’s was dus in de afgelopen twintig jaar vooral gericht op elektrische wagens – en is dat nog steeds. ‘Want een auto moet zijn eigen accu’s verplaatsen. Je hebt bijna een vrachtwagen vol loodzuurbatterijen nodig om een elektrische wagen van nu te doen rijden’, zegt Berecibar lachend. ‘Om de autonomie van voertuigen te vergroten, moest de energie-intensiteit van hun accu omhoog. Dat bereikten we onder andere door andere samenstellingen. In de afgelopen vijftien jaar zijn accu’s dan ook erg verbeterd.’
Lithiumijzerfosfaataccu’s of LFP kwamen als eerste op de markt voor mobiliteit. ‘Ze zitten nog steeds in de meeste wagens, wereldwijd. Daarna kwam de NMC-technologie, met naast lithium de elementen nikkel, mangaan en kobalt.’ NMC-accu’s hebben een grotere energiedichtheid dan LFP, maar ze bevatten kobalt. Dat mineraal is behoorlijk zeldzaam en komt vooral op plaatsen voor die niet bekend staan om hun politieke stabiliteit en hun bezorgdheid om de mensenrechten.
Wanneer komt de revolutie?
‘Qua energie-efficiëntie zijn NMC-accu’s prima, en ze worden nog steeds beter. Maar de vraag naar duurzame batterijen wordt belangrijker. Elektrisch rijden op zich is niet meer voldoende, we gaan op zoek naar de beste batterij met de kleinste voetafdruk, ecologisch en sociaal.’ Dat zorgt ervoor dat onderzoek naar nieuwe batterijtechnologieën in de lift zit – en vooral: het nieuws haalt.
De onderzoeksgroep van Berecibar houdt zich bezig met onderzoek naar nieuwe materialen, zoals lithiumzwavel-, vastestof- en natriumionbatterijen. ‘Die laatste zijn interessant omdat je geen lithium en geen kobalt meer gebruikt.’ Zoals al haar onderzoek begint ook de research naar de natriumionbatterijen met kleine prototypes. ‘Rond en plat, vergelijkbaar met de batterijtjes in een afstandsbediening. Als we zien dat het daarin werkt, schalen we op naar grotere cellen.’
De onderzoeker toont een zakje van metaalfolie. ‘Je zou misschien denken dat we een technologie die werkt in een klein batterijtje, direct in een autoaccu kunnen inbouwen, maar dat klopt jammer genoeg niet.’ Een van de moeilijke factoren is namelijk dat een batterij voor een elektrisch voertuig uit honderden kleine batterijen bestaat. ‘Die moeten allemaal samen stroom leveren, en liefst zo gelijkmatig mogelijk, maar die beïnvloeden elkaar natuurlijk ook wederzijds.’
Bij elke batterijtechnologie gebeuren die mechanismen op een andere manier. ‘Chemische reacties verschillen naargelang het materiaal waarmee je begint. Dus als we overstappen op een nieuwe technologie, zet ons begrip van het complexe systeem dat een batterij toch is, weer zoveel stappen achteruit.’
Je hebt bijna een vrachtwagen vol loodzuurbatterijen nodig om een elektrische wagen van nu te doen rijden
‘Een andere batterijchemie met dezelfde technische eigenschappen als lithiumionaccu’s, die werkt met overvloedige materialen, zou natuurlijk een grote sprong voorwaarts betekenen. Maar technisch gezien en qua maturiteit hebben we vandaag geen accu die kan concurreren met lithiumion. Alternatieven hebben op papier hun verdiensten, maar de weg naar de werkelijkheid is meestal nog heel lang’, zegt Momo Safari.
Lithiumion is de technologie voor miljoenen elektrische voertuigen. ‘Zeker nu in grote delen van de wereld de uitfasering van de verbrandingsmotoren op het programma staat. We hebben binnenkort heel veel batterijen nodig, en dus giga-batterijfabrieken. Om dat niveau vanaf nul te bereiken voor een nieuwe chemie, heb je minstens tien jaar nodig. Het heeft ook meer dan twee decennia geduurd om die maturiteit voor lithiumion te bereiken.’
Volgens Safari zijn alleen vastestofbatterijen bijna rijp voor de auto-industrie. ‘Al werken die natuurlijk ook met lithiumionen.’ In plaats van een vloeibaar elektrolyt gebruiken die accu’s een vast materiaal. Dat maakt ze brandveiliger, belangrijk bij snelladen. Doordat ze geen kobalt bevatten, zijn ze ook duurzamer en goedkoper.
Op de vraag wanneer we zullen rijden op vastestofbatterijen, heeft de ingenieur geen antwoord. ‘Er zijn veel start-ups en veel aankondigingen, maar de exacte timing is moeilijk in te schatten. Producenten houden de werkelijke stand van zaken binnenskamers. Maar om realistisch te blijven: ik denk dat het nog wel vijf jaar kan duren, misschien langer.’
Goed gemixt en goed gemaakt
‘Voor wegtransport zijn lithiumionaccu’s moeilijk te vervangen, zeker op korte termijn’, gaat Safari verder. ‘Dus moeten we ervoor zorgen dat we die zo goed mogelijk maken: minder kritische materialen, minder energie-intensieve productiemethodes en groene energie gebruiken, en daardoor zorgen voor een kleinere CO2-voetafdruk.’
Ook volgens Berecibar is er nog veel winst te halen bij de bestaande batterijen. ‘De oorspronkelijke NMC-accu’s bevatten alle elementen in dezelfde hoeveelheid, dus één deel kobalt voor één deel nikkel en één deel mangaan. Ondertussen ontwikkelden we NMC-accu’s die acht delen nikkel bevatten voor één deel mangaan en één deel kobalt. En nu zelfs NM-accu’s. Zonder kobalt, met negen delen nikkel en één deel mangaan. Dat is een race die nu loopt.’
‘Zelf doen we veel onderzoek naar homogene slurry, het basismateriaal voor batterijen.’ Accu’s zijn blijkbaar gevuld met een soort van deeg met de consistentie van vloeibare modder. ‘Dat deeg bestaat uit de verschillende materialen, en hoe homogener die gemengd zijn, hoe hoger de efficiëntie en de kwaliteit van de batterij. Je moet ze dus minder vaak opladen.’
Autoaccu’s bestaan niet uit één stuk, maar uit honderden kleine stukken, weten we nu, en dat compliceert de zaak nog. ‘We willen het perfecte mengsel niet alleen voor de eerste kleine accu, maar ook voor het volgende miljoen in de productielijn. Daarbij speelt de digitalisering van de productielijn een grote rol, met een volledige automatisering en robotisering van het mengproces en een continue kwaliteitscontrole.’
Safari’s team doet vooral onderzoek naar een beter productieproces. ‘Als je elektroden maakt, moet je materiaal coaten op een substraat. Dat materiaal is een poeder dat je moet mengen met oplosmiddelen. Een coatingmachine zet die inkt op het substraat, dan moet je persen om de porositeit aan te passen. En dan lamineren en rollen. Je moet de elektroden stapelen om een functionele cel te maken. In heel dat proces zitten mogelijkheden voor verbetering.’
En batterijen bevatten niet alleen elektroden. ‘Er zitten veel andere – essentiële! – delen in die geen energie opslaan. Die vergroten het gewicht en het volume van de accu ook. Als je dus de bijdrage van die niet-energetische componenten in een batterij kan verminderen, verhoog je vanzelf de energiedichtheid van je accu. Dat is een van de belangrijkste zaken die we onderzoeken.’
Langer leven dankzij Big Brother
Ook accu’s worden ouder, en dan beginnen ze slechter te presteren. Een van de meest directe manieren om batterijen duurzamer te maken, is hun verouderingsproces vertragen. Berecibar legt het uit. ‘Als een batterij degradeert, kan ze niet meer zoveel energie bevatten als in het begin. Dan moet je dezelfde batterij verplaatsen, met hetzelfde gewicht en hetzelfde volume, maar met minder energie.’ Een van de verouderingsprocessen die spelen, is dat lithiumionen vast komen zitten aan één pool van de accu. ‘Maar er zijn nog andere chemische reacties die je niet wil.’
Of en wanneer die optreden, hangt nauw samen met de temperatuur, de laadstatus van de batterij, de laadsnelheid, … ‘Al die parameters zijn met elkaar verbonden. Voor iets dat de meeste mensen als eenvoudig beschouwen, is er veel ingewikkelde chemie gaande in de batterij.’
Het probleem: we weten niet precies welke. Klassiek kan je aan een accu maar drie zaken meten: stroom, spanning en temperatuur. Het team van Berecibar wil daar verandering in brengen. ‘Om de ladings-, de gezondheids- en de veiligheidstoestand van een accu in te schatten, moeten we begrijpen wat er binnenin gebeurt. Daarom plaatsen we sensoren in de accu’s.’ Dat kan gaan van optische vezels tot temperatuursensoren, akoestische sensoren en druksensoren.
‘Temperatuur is heel belangrijk voor de gezondheid van een batterij. Op basis van de metingen met sensoren kunnen we het koelsysteem perfect aanpassen aan de toepassing: met lucht, met water of hybride. Nu zijn we bezig met koelstoffen die van fase veranderen, zij gaan van vast naar vloeibaar en weer terug, en werken zo nog efficiënter.’
Gecombineerd met een thermisch managementsysteem met sensoren zorgt dat voor de perfecte temperatuur op het juiste moment. ‘In koude landen start de batterij soms niet. Er zijn nu intelligente systemen die de batterij kunnen opwarmen voordat je ‘s winters in Noorwegen vertrekt. Of zelfs om de batterij voor te bereiden op snelladen.’
En het gaat nog verder. ‘Die sensoren en managementsystemen verbinden we dan met algoritmes die met de bestuurder van de wagen communiceren. De temperatuur van je batterij loopt hoog op, je moet wat trager gaan rijden. Of: vandaag is het erg koud buiten, je kan beter 100 kilometer per uur rijden en geen 120. Zo verleggen we de grenzen van de bestaande batterijsystemen.’
Berecibar onderzoekt ook systemen waarmee batterijen zichzelf kunnen repareren als er scheurtjes of lekken zouden ontstaan – self-healing heet dat in het jargon. Dat zorgt niet alleen voor een langer leven, maar ook voor veiligere batterijen met – alweer – minder kans op kettingreacties. ‘We zijn nu bezig met tests voor curatieve polymeren. Door onze sensorsystemen weten we of die polymeriseren op de juiste plek op het juiste moment.’
Allemaal elektrisch?
Al die systemen zullen ervoor zorgen dat onze accu’s almaar langer gezond leven, een beetje zoals de geneeskunde voor mensen doet. Maar bij batterijen stopt het daar niet. ‘Autoaccu’s kan je gemakkelijk nog een tweede leven geven. In huis, als opslagplaats voor de elektriciteit uit zonnepanelen, kunnen ze nog heel veel cycli mee. Autorijden is erg agressief voor een accu. In huis is het gebruik constant, omdat je niet optrekt en afremt. Zelfs als je strijkt, wat toch veel energie verbruikt.’
‘We testen op dit moment verschillende batterijen in verschillende omstandigheden, om te weten wanneer een batterij best aan haar tweede leven begint. En wanneer ze het moet beëindigen, en gerecycled moet worden. Want dat is voor batterijen in hun tweede leven nog helemaal niet duidelijk en is erg afhankelijk van waarvoor je ze gebruikt.’
Ook bij die recycling wringt het schoentje nog. ‘Zelfs zeldzaam kobalt kan je probleemloos gebruiken in accu’s als je het kan terugwinnen uit versleten batterijen’, zegt Momo Safari. ‘Maar daarvoor moet de recyclingtechnologie wel helemaal op punt staan, en moeten er genoeg installaties zijn.’
‘We moeten klaar zijn om verschillende soorten batterijen te recycleren, en vooral om veel meer batterijen te recycleren. We moeten goed beseffen welke stroom accu’s er binnen tien tot twintig jaar op ons afkomt.’ Maitane Berecibar kijkt er ernstig bij. ‘Vandaag kunnen we die nog helemaal niet aan, en dus worden accu’s vaak nog gewoon gedumpt. Accu’s veilig en op een goede manier opslaan tot we in staat zijn om ze te recyclen zou al een goed begin zijn.’
Ondertussen zijn de accu’s die alle noden van de meeste consumenten vervullen al op de weg, volgens de VUB-onderzoeker. ‘Mensen hebben het altijd over het bereik en de levensduur van accu’s. De huidige accu’s gaan tien jaar mee, en met ons onderzoek zullen we dat nog met zo’n twee jaar kunnen verlengen, schatten we. Zeg nu eerlijk: hoeveel mensen in België willen hun auto twaalf jaar houden?’
Met een bereik van 350 kilometer komen de meeste mensen ook gemakkelijk toe, volgens haar. ‘Zeker als de laadinfrastructuur eenmaal op punt staat. En het bereik zal groter worden door alle ontwikkelingen naar een hogere efficiëntie.’ Aan sneller laden werken wetenschappers nog, maar accu’s die je op één minuut volledig kan opladen, gaan er niet komen. Als je een elektrische auto oplaadt, gaat dat heel snel tot ongeveer tachtig procent van de batterij, en dan vertraagt de laadsnelheid enorm. ‘Dat moet ook zo, het BMS regelt dat, zelfs bij fietsaccu’s. De kans op schade aan de batterij is anders gewoon te groot. Snelladen op een kwartier is technisch wel haalbaar, en dat lijkt me ook snel genoeg voor iedereen.’
Een ander probleem met snelladen is dat het de levensduur van je accu verkort. ‘Er gebeurt niets als je af en toe snellaadt, op vakantie bijvoorbeeld. Het wordt een probleem als je dat elke dag doet. Dé manier om je auto op te laden is een langzaam oplaadpunt thuis of op je werk. Dat is voor de meeste mensen ook niet zo problematisch als ze zelf denken.’
