Hoe komen we bij de volgende grote doorbraak op batterijgebied

U leest een exclusief verhaal voor leden van Quartz, dat voor een beperkte tijd beschikbaar is voor alle lezers.Om toegang te krijgen tot heel Quartz wordt u lid.

Elektrische vliegtuigen zouden de toekomst van de luchtvaart kunnen zijn. In theorie zullen ze veel stiller, goedkoper en schoner zijn dan de vliegtuigen die we nu hebben. Elektrische vliegtuigen met een bereik van 1.000 km (620 mijl) op een enkele lading zouden kunnen worden gebruikt voor de helft van alle commerciële vluchten van vandaag, waardoor de koolstofuitstoot van de luchtvaart wereldwijd met ongeveer 15% zou dalen.

Hetzelfde verhaal geldt voor elektrische auto’s. Een elektrische auto is niet simpelweg een schonere versie van zijn vervuilende neef. Het is, fundamenteel, een betere auto: Zijn elektrische motor maakt weinig lawaai en reageert bliksemsnel op de beslissingen van de bestuurder. Het opladen van een elektrische auto kost veel minder dan het betalen van een gelijke hoeveelheid benzine. Elektrische auto’s kunnen worden gebouwd met een fractie van de bewegende delen, waardoor ze goedkoper te onderhouden zijn.

Waarom rijden er dan nog niet overal elektrische auto’s? Omdat accu’s duur zijn, waardoor de aanschafkosten van een elektrische auto veel hoger zijn dan die van een vergelijkbaar model met een benzinemotor. En tenzij je veel rijdt, wegen de besparingen op benzine niet altijd op tegen de hogere initiële kosten. Kortom, elektrische auto’s zijn nog steeds niet rendabel.

Ook de huidige accu’s bevatten niet genoeg energie in gewicht of volume om passagiersvliegtuigen aan te drijven. Er zijn nog fundamentele doorbraken in de batterijtechnologie nodig voordat dat werkelijkheid wordt.

Draagbare apparaten die op batterijen werken, hebben ons leven veranderd. Maar er is nog veel meer dat batterijen kunnen verstoren, als er maar veiligere, krachtigere en energie-dichtere batterijen goedkoop kunnen worden gemaakt. Geen enkele natuurkundige wet sluit het bestaan ervan uit.

En toch, ondanks meer dan twee eeuwen van nauwkeurig onderzoek sinds de uitvinding van de eerste batterij in 1799, begrijpen wetenschappers nog steeds niet volledig wat er precies in deze apparaten gebeurt. Wat we wel weten is dat er in wezen drie problemen zijn die moeten worden opgelost, willen batterijen ons leven weer echt veranderen: kracht, energie en veiligheid.

Er is geen standaard lithium-ion-batterij

Elke batterij heeft twee elektroden: een kathode en een anode. De meeste anodes van lithium-ion-batterijen zijn gemaakt van grafiet, maar kathodes zijn gemaakt van verschillende materialen, afhankelijk van waar de batterij voor zal worden gebruikt. Hieronder kunt u zien hoe verschillende kathodematerialen de prestaties van batterijen op zes punten veranderen.

De machtsuitdaging

In gewone taal, mensen “energie” en “vermogen” door elkaar, maar het is belangrijk om onderscheid te maken wanneer we het over batterijen hebben. Vermogen is de snelheid waarmee energie kan worden vrijgegeven.

Een batterij die sterk genoeg is om een commercieel vliegtuig te lanceren en 1.000 km in de lucht te houden, vergt veel energie die in zeer weinig tijd moet worden vrijgegeven, vooral tijdens het opstijgen. Het gaat dus niet alleen om veel opgeslagen energie, maar ook om de mogelijkheid die energie er heel snel weer uit te halen.

Om de energie-uitdaging aan te gaan, moeten we in de zwarte doos van commerciële batterijen kijken. Het wordt een beetje nerdy, maar heb geduld met me. Nieuwe batterijtechnologieën worden vaak overgewaardeerd omdat de meeste mensen niet goed genoeg naar de details kijken.

De meest geavanceerde batterijchemie die we momenteel hebben is lithium-ion. De meeste deskundigen zijn het erover eens dat geen enkele andere chemie de lithium-ion-technologie nog minstens tien jaar of langer zal verstoren. Een lithium-ion-batterij heeft twee elektroden (kathode en anode) met in het midden een separator (een materiaal dat ionen geleidt maar geen elektronen, om kortsluiting te voorkomen) en een elektrolyt (meestal vloeistof) om de stroom van lithium-ionen tussen de elektroden heen en weer mogelijk te maken. Als een batterij wordt opgeladen, bewegen de ionen van de kathode naar de anode; als de batterij iets oplaadt, bewegen de ionen in omgekeerde richting.

Stel je twee sneetjes brood voor. Elk brood is een elektrode: de linker is de kathode en de rechter is de anode. Laten we aannemen dat de kathode bestaat uit schijfjes nikkel, mangaan en kobalt (NMC) – een van de beste in zijn klasse – en dat de anode bestaat uit grafiet, in wezen gelaagde vellen, of schijfjes, van koolstofatomen.

In ontladen toestand, d.w.z. nadat de energie is afgetapt, bevat het NMC-brood lithium-ionen tussen elk schijfje. Wanneer de batterij wordt opgeladen, wordt elk lithium-ion van tussen de schijfjes gehaald en gedwongen door de vloeibare elektrolyt te reizen. De separator fungeert als een controlepunt dat ervoor zorgt dat alleen lithium-ionen het grafietbroodje bereiken. Wanneer de batterij volledig is opgeladen, bevat het kathodelaagje geen lithiumionen meer; ze zitten allemaal netjes ingeklemd tussen de schijfjes van het grafietbroodje. Als de energie van de batterij wordt verbruikt, gaan de lithium-ionen terug naar de kathode, tot er geen meer over zijn in de anode. Op dat moment moet de batterij weer worden opgeladen.

De stroomcapaciteit van de batterij wordt in wezen bepaald door de snelheid waarmee dit proces plaatsvindt. Maar het is niet zo eenvoudig om de snelheid op te voeren. Als lithium-ionen te snel uit het kathodebrood worden getrokken, kunnen de plakken gebreken gaan vertonen en uiteindelijk stuk gaan. Dit is een van de redenen waarom de levensduur van de batterij korter wordt naarmate we onze smartphone, laptop of elektrische auto langer gebruiken. Bij elke op- en ontlading wordt het brood een beetje zwakker.

Diverse bedrijven werken aan oplossingen voor dit probleem. Eén idee is om gelaagde elektroden te vervangen door iets structureel sterkers. Het 100 jaar oude Zwitserse batterijbedrijf Leclanché werkt bijvoorbeeld aan een technologie waarbij lithiumijzerfosfaat (LFP), dat een “olivijn”-structuur heeft, als kathode wordt gebruikt, en lithiumtitanaatoxide (LTO), dat een “spinel”-structuur heeft, als anode. Deze structuren zijn beter in staat om de stroom van lithiumionen in en uit het materiaal te verwerken.

Leclanché gebruikt zijn accucellen momenteel in autonome vorkheftrucks voor magazijnen, die in negen minuten tot 100% kunnen worden opgeladen. Ter vergelijking: de beste Tesla-supercharger kan een Tesla-autobatterij in 10 minuten tot ongeveer 50% opladen. Leclanché zet zijn batterijen ook in het Verenigd Koninkrijk in voor het snelladen van elektrische auto’s. Deze batterijen bevinden zich aan het laadstation en onttrekken langzaam en over een lange periode kleine hoeveelheden stroom aan het net tot ze volledig zijn opgeladen. Wanneer dan een auto aanmeert, laden de batterijen van het laadstation de batterij van de auto snel op. Als de auto weer vertrekt, begint de accu van het station weer met opladen.

Projecten als dat van Leclanché laten zien dat het mogelijk is aan de chemie van de accu te sleutelen om het vermogen ervan te vergroten. Toch heeft nog niemand een batterij gebouwd die krachtig genoeg is om snel de energie te leveren die een commercieel vliegtuig nodig heeft om de zwaartekracht te verslaan. Startende bedrijven proberen kleinere vliegtuigen te bouwen (voor maximaal 12 personen), die kunnen vliegen op batterijen met een relatief lagere energiedichtheid, of elektrische hybride vliegtuigen, waarbij de vliegtuigbrandstof het zware werk doet en de batterijen voor het uitrollen zorgen.

Maar er is eigenlijk geen bedrijf dat op dit gebied werkt en ook maar in de buurt komt van commercialisering. Bovendien zal de technologische sprong die nodig is voor een volledig elektrisch commercieel vliegtuig waarschijnlijk tientallen jaren duren, zegt Venkat Viswanathan, een batterijdeskundige aan de Carnegie Mellon University.

Een elektrisch vliegtuig met tweeelektrisch vliegtuig met twee zitplaatsen, gemaakt door het Sloveense bedrijf Pipistrel, staat buiten een hangar op de luchthaven van Oslo, Noorwegen.

De energie-uitdaging

Het Tesla Model 3, het meest betaalbare model van het bedrijf, begint bij 35.000 dollar. Hij rijdt op een 50 kWh batterij, die ongeveer $8.750 kost, of 25% van de totale autoprijs.

Dat is nog steeds verbazingwekkend betaalbaar vergeleken met nog niet zo lang geleden. Volgens Bloomberg New Energy Finance bedroegen de gemiddelde wereldwijde kosten voor lithium-ionbatterijen in 2018 ongeveer $175 per kWh, tegen bijna $1.200 per kWh in 2010.

Het Amerikaanse ministerie van Energie berekent dat zodra de batterijkosten onder de $125 per kWh komen, het bezitten en gebruiken van een elektrische auto in de meeste delen van de wereld goedkoper zal zijn dan een auto die op gas rijdt. Dat betekent niet dat elektrische voertuigen het in alle niches en domeinen zullen winnen van voertuigen met een gasmotor – voor vrachtwagens voor lange afstanden is er bijvoorbeeld nog geen elektrische oplossing. Maar het is een omslagpunt waarop mensen de voorkeur gaan geven aan elektrische auto’s, simpelweg omdat ze in de meeste gevallen economisch zinvoller zijn.

Eén manier om dat te bereiken is door de energiedichtheid van accu’s te vergroten – door meer kWh in een accupakket te proppen zonder de prijs ervan te verlagen. Batterijchemici kunnen dat in theorie doen door de energiedichtheid van de kathode of de anode, of van beide, te vergroten.

De kathode met de hoogste energiedichtheid die op weg is naar commerciële beschikbaarheid is NMC 811 (elk cijfer in het getal staat voor de verhouding tussen nikkel, mangaan en kobalt in de mix). Hij is nog niet perfect. Het grootste probleem is dat het slechts een vrij klein aantal last-ontlaad levenscycli kan weerstaan alvorens het ophoudt te werken. Maar deskundigen voorspellen dat de industrie R&D de problemen van de NMC 811 binnen de komende vijf jaar moet oplossen. Als dat gebeurt, zullen batterijen met NMC 811 een 10% of meer hogere energiedichtheid hebben.

Een toename van 10% is echter niet zo veel in het grote geheel.
En, terwijl een reeks innovaties in de afgelopen decennia de energiedichtheid van kathodes steeds verder heeft opgevoerd, zijn anodes de plaats waar de grootste kansen voor energiedichtheid liggen.

Graphiet is en blijft verreweg het dominante anodemateriaal. Het is goedkoop, betrouwbaar en heeft een relatief hoge energiedichtheid, vooral vergeleken met de huidige kathodematerialen. Maar het is tamelijk zwak in vergelijking met andere potentiële anodematerialen, zoals silicium en lithium.

Silicium, bijvoorbeeld, is theoretisch veel beter in het absorberen van lithium-ionen dan grafiet. Dat is de reden waarom een aantal batterijbedrijven proberen wat silicium in te peperen met het grafiet in hun anode-ontwerpen; Tesla CEO Elon Musk heeft gezegd dat zijn bedrijf dit al doet in zijn lithium-ion batterijen.

Een grotere stap zou zijn om een commercieel levensvatbare anode te ontwikkelen die volledig van silicium is gemaakt. Maar het element heeft eigenschappen die dit moeilijk maken. Wanneer grafiet lithium-ionen absorbeert, verandert het volume niet veel. Een siliciumanode daarentegen zwelt in hetzelfde scenario op tot vier keer het oorspronkelijke volume.

Helaas kun je de behuizing niet gewoon groter maken om die zwelling op te vangen, omdat de uitzetting de zogenaamde “vaste elektrolyt interfase”, of SEI, van de siliciumanode afbreekt.

Je kunt de SEI zien als een soort beschermlaag die de anode voor zichzelf vormt, vergelijkbaar met de manier waarop ijzer roest vormt, ook bekend als ijzeroxide, om zichzelf tegen de elementen te beschermen: Als je een stuk pas gesmeed ijzer buiten laat liggen, reageert het langzaam met de zuurstof in de lucht en gaat roesten. Onder de roestlaag ondergaat de rest van het ijzer niet hetzelfde lot en behoudt dus zijn structurele integriteit.

Aan het eind van de eerste lading van een batterij vormt de elektrode zijn eigen “roestlaag” – de SEI – die het niet-geroeste deel van de elektrode scheidt van de elektrolyt. Het SEI voorkomt dat bijkomende chemische reacties de elektrode aantasten, zodat de lithiumionen zo soepel mogelijk kunnen stromen.

Maar bij een siliciumanode breekt het SEI af telkens als de batterij wordt gebruikt om iets op te laden, en het komt weer terug telkens als de batterij wordt opgeladen. En tijdens elke laadcyclus wordt een klein beetje silicium verbruikt. Uiteindelijk vervliegt het silicium tot een punt waarop de batterij niet meer werkt.

In de afgelopen tien jaar hebben enkele startups in Silicon Valley gewerkt aan een oplossing voor dit probleem. Zo bestaat de aanpak van Sila Nano erin siliciumatomen in te kapselen in een omhulsel van nanogrootte met veel lege ruimte binnenin. Op die manier wordt de SEI gevormd aan de buitenkant van het omhulsel en vindt de expansie van siliciumatomen daarbinnen plaats zonder dat de SEI verbrijzelt na elke laad-ontlaadcyclus. Het bedrijf, gewaardeerd op 350 miljoen dollar, zegt dat zijn technologie al in 2020 apparaten van stroom zal voorzien.

Enovix, aan de andere kant, past een speciale fabricagetechniek toe om een anode van 100% silicium onder enorme fysieke druk te zetten, waardoor deze wordt gedwongen minder lithiumionen te absorberen en zo de uitzetting van de anode te beperken en te voorkomen dat de SEI breekt. Het bedrijf heeft investeringen van Intel en Qualcomm, en het verwacht ook zijn batterijen in 2020 in apparaten te hebben.

Door deze compromissen kan de siliciumanode zijn theoretisch hoge energiedichtheid niet bereiken. Beide bedrijven zeggen echter dat hun anodes beter presteren dan een grafietanode. Derden testen momenteel de batterijen van beide bedrijven.

In 2020, zal de nieuwe Tesla Roadster de eerste elektrische auto worden die 1.000 km (620 mijl) kan afleggen op één lading.

De veiligheidsuitdaging

Al het moleculaire geknutsel om meer energie in batterijen te stoppen, kan ten koste gaan van de veiligheid. De lithium-ion-batterij heeft sinds zijn uitvinding voor hoofdbrekens gezorgd omdat hij zo vaak in brand vloog. In de jaren negentig bijvoorbeeld bracht het Canadese Moli Energy een lithium-metaalbatterij voor gebruik in telefoons op de markt. Maar in de echte wereld begonnen de batterijen vlam te vatten en Moli zag zich genoodzaakt de batterijen terug te roepen en uiteindelijk het faillissement aan te vragen. (Een deel van de activa werd gekocht door een Taiwanees bedrijf en het verkoopt nog steeds lithium-ion batterijen onder de merknaam E-One Moli Energy). Meer recentelijk begonnen de Galaxy Note 7-smartphones van Samsung, die waren gemaakt met moderne lithium-ionbatterijen, te ontploffen in de zakken van mensen. Het terugroepen van producten in 2016 kostte de Zuid-Koreaanse reus 5,3 miljard dollar.

Huidige lithium-ion-batterijen hebben nog steeds inherente risico’s, omdat ze bijna altijd ontvlambare vloeistoffen gebruiken als elektrolyt. Het is een van de ongelukkige (voor ons mensen) eigenaardigheden van de natuur dat vloeistoffen die gemakkelijk ionen kunnen transporteren, doorgaans ook een lagere drempel hebben om vlam te vatten. Een oplossing is het gebruik van vaste elektrolyten. Maar dat betekent andere compromissen. Een batterij kan gemakkelijk worden ontworpen met een vloeibare elektrolyt die in contact staat met elk deel van de elektroden, waardoor het ionen efficiënt kan overbrengen. Met vaste stoffen is dat veel moeilijker. Stel je voor dat je een paar dobbelstenen in een kopje water laat vallen. Stel je nu voor dat je diezelfde dobbelstenen in een kopje zand laat vallen. Het is duidelijk dat het water een veel groter oppervlak van de dobbelstenen zal raken dan het zand.

Tot nu toe is het commerciële gebruik van lithium-ion batterijen met vaste elektrolyten beperkt gebleven tot toepassingen met een laag vermogen, zoals voor sensors die via internet verbonden zijn. De inspanningen om batterijen in vaste toestand op te schalen – dat wil zeggen zonder vloeibaar elektrolyt – kunnen grofweg in twee categorieën worden ingedeeld: vaste polymeren bij hoge temperaturen en keramiek bij kamertemperatuur.

Vaste polymeren bij hoge temperaturen

Polymeren zijn lange ketens van aan elkaar gekoppelde moleculen. Ze zijn heel gewoon in alledaagse toepassingen – plastic zakjes voor eenmalig gebruik zijn bijvoorbeeld gemaakt van polymeren. Wanneer sommige soorten polymeren worden verhit, gedragen ze zich als vloeistoffen, maar zonder de ontvlambaarheid van de vloeibare elektrolyten die in de meeste batterijen worden gebruikt. Met andere woorden, zij hebben de hoge ionengeleidbaarheid als een vloeibare elektrolyt zonder de risico’s.

Maar zij hebben beperkingen. Ze kunnen alleen werken bij temperaturen boven 105°C, wat betekent dat ze geen praktische optie zijn voor bijvoorbeeld smartphones. Maar ze kunnen wel worden gebruikt om energie van het net op te slaan in bijvoorbeeld thuisbatterijen. Ten minste twee bedrijven – het Amerikaanse SEEO en het Franse Bolloré – ontwikkelen vaste-stofbatterijen die polymeren bij hoge temperatuur als elektrolyt gebruiken.

Keramiek bij kamertemperatuur

In de afgelopen tien jaar is gebleken dat twee klassen keramiek-LLZO (lithium-, lanthaan- en zirkoniumoxide) en LGPS (lithium-, germanium-, fosforsulfide)-bij kamertemperatuur bijna net zo goed ionen geleiden als vloeistoffen.

Toyota en de startup QuantumScape uit Silicon Valley (die vorig jaar 100 miljoen dollar kreeg van Volkswagen) werken beide aan de toepassing van keramiek in lithium-ion-batterijen. De aanwezigheid van grote spelers op dit gebied geeft aan dat een doorbraak dichterbij is dan menigeen denkt.

“We zijn er vrij dicht bij om binnen twee of drie jaar iets echts te zien,” zegt Viswanathan van Carnegie Mellon.