De standaardaccu maakt meestal gebruik van lithium-iontechniek. Deze is nog lang niet uitontwikkeld, laat Marnix Wagemaker, hoogleraar opslag elektrische energie van TU Delft, weten. De ontwikkelingen gaan door, om technische en om ethische redenen.

De meeste lithium-ionbatterijen hebben elektroden met daarin kobalt. Dat metaal komt vooral uit Congo. Dagelijks zwoegen tieners onder barre omstandigheden in kobaltmijnen voor een hongerloontje van 1 of 2 dollar per dag. Een moeder liet aan de Amerikaanse mensenrechtenadvocaat Terry Collingsworth weten: „Onze kinderen sterven als honden.”

„De kobaltwinning is bepaald niet ethisch verantwoord”, vindt Wagemaker. „Er wordt hard gewerkt aan elektroden met veel minder of helemaal geen kobalt.” Accuproducenten zoeken daarom naarstig naar alternatieven.

Goedkoper

Om te bevatten waarmee de wetenschappers bezig zijn, is enig begrip van de werking van de accu handig. Een lithium-ionaccu heeft net als elke batterij twee elektroden, een plus –voor het gemak kathode genoemd– en een min –de anode– hoewel dat formeel niet helemaal klopt. De kathode bevat vaak het dure kobalt, de anode grafiet. Hoe minder kobalt, hoe goedkoper de accu.

Beide elektroden zijn gescheiden door een vloeistof, de elektrolyt, die de lithiumionen transporteert tussen de elektroden. Bij het ontladen stromen de lithiumionen spontaan van min naar plus; de elektrolyt dwingt de elektronen buitenlangs van de min naar de plus, waardoor een elektrische stroom ontstaat.

Hoe meer lithium de elektroden kunnen opslaan, hoe groter de opslagcapaciteit van de accu en hoe sneller de batterij kan worden geladen. De zoektocht is dus naar elektrodematerialen die meer lithium kunnen opslaan en die lithiumionen en elektronen sneller kunnen transporteren

Zwarte fosfor

Voortdurend ontwikkelen wetenschappers efficiëntere en goedkopere lithium-ionbatterijen. Onlangs publiceerde vakblad Science een nieuwe negatieve grafietelektrode met zwarte fosfor. Daarmee kan de batterij sneller opladen en ontladen. Wagemaker noemt dat „een mooie ontwikkeling. Maar de kathode moet het ook aankunnen: die bepaalt meestal de laadsnelheid.”

Met deze grafietelektrode is de accutechniek een stap verder, vervolgt de hoogleraar. „Een recente ontwikkeling zijn anodes die meer lithium kunnen opslaan. Daardoor neemt hun energiedichtheid toe.”

Een bedrijf dat aan de weg timmert met anodes van puur silicium is de Nederlandse start-up LeydenJar. Per kilogram batterij past er in de accu van het bedrijf 70 procent meer energie dan in een gewone lithium-ionbatterij.

Met deze vinding zet het bedrijf een flinke stap vooruit. Een negatieve elektrode met silicium heeft de neiging bij het opladen om uit te zetten: de lithiumionen hebben ruimte nodig tussen de siliciumatomen. Daarom gebruikt LeydenJar poreuze silicium. Daarvan neemt de dikte van de elektrode niet toe bij het opladen, zodat ze vaker opgeladen en ontladen kunnen worden. Deze kan zonder problemen zelfs meer lithiumionen opnemen dan gangbare elektroden. Bovendien is de productie van de siliciumelektrode milieuvriendelijker dan een negatieve elektrode van grafiet. De CO2-uitstoot bij de productie ligt 62 procent lager.

Elektrisch vliegen

„We zijn bovendien in staat vergelijkbare laad- en ontlaadsnelheden te halen als met grafiet”, laat directeur Christian Rood weten. „Onze elektrode is daarom ook geschikt voor toepassingen waarbij een hoge energiedichtheid en een hoog vermogen vereist zijn, zoals voor kleine vliegtuigen.”

Het aantal laad- en ontlaadcycli ligt nog wat aan de lage kant. Rood: „We zijn nu de 200 gepasseerd en verwachten in het komend half jaar 500 cycli te bereiken. Daarmee zijn onze elektrodes geschikt voor consumentenelektronica. De komende jaren hopen we dit dusdanig te verbeteren dat ze bruikbaar zijn voor alle soorten lithium-ionaccu’s. We voeren daarover ook gesprekken met de auto-industrie.”

LeydenJar is wat Wagemaker betreft op de goede weg. „Het ontwikkelt zich heel sterk op dit gebied.” Zijn collega Erik Kelder benoemt dat deze techniek ook snel bruikbaar is in de huidige lithium-ionbatterijen. „Dat is een groot voordeel.”

Al met al evolueert de lithium-ionaccu gestaag. Om stappen in energiedichtheid te maken, spelen er momenteel verschillende ontwikkelingen, vervolgt Wagemaker. „Zoals negatieve lithium-metaalelektroden, nieuwe nikkelrijke kathoden en zwavelelectroden. Ook zijn we bezig met het vervangen van vloeistofelektrolyten door vastestofelektrolyten, waardoor batterijen ook veel veiliger zouden worden.”

Grote revoluties hoeven we niet te verwachten, stelt Kelder. „Wil je écht een grote slag maken in energiedichtheid, dan moet er een alternatief komen voor lithium.” Zoals accu’s met in plaats van lithium bijvoorbeeld calcium of magnesium.

Door deze twee metalen te gebruiken kan de capaciteit van batterijen ook fors omhoog, verklaart Kelder. „Van magnesium en calcium kunnen twee elektronen per atoom benut worden; van lithium slechts één. Maar voordat er een totaal nieuwe batterij zal zijn, op basis van magnesium bijvoorbeeld, zijn we wel één tot twee decennia verder.”

Smartphone

Intussen werken autofabrikant Toyota en accubouwer Panasonic al jaren onverdroten aan de zogeheten solidstate-accu. Deze heeft geen vloeistof meer als elektrolyt waardoor de ionen bewegen, maar een vaste stof. Zo’n vastestofbatterij kan heel dun en plat worden gemaakt. Dat maakt haar ideaal voor bijvoorbeeld smartphones.

„Labtesten hebben reeds uitgewezen dat deze batterijen een stuk veiliger zijn”, weet Kelder. „Er kan ook meer energie per kilogram batterij worden opgeslagen.”

Wagemaker: „De moeilijkheid zit hem in het vinden van vastestofelektrolyten die snel lithiumionen geleiden en stabiel contact met de elektroden hebben. Het is een levensvatbaar concept waarvoor de komende vijf tot tien jaar cruciaal zijn.”

In de toekomst zal er niet één type, maar zullen allerlei soorten accu’s op de markt komen. „Voor auto’s willen we een hoge energiedichtheid, maar voor niet mobiele, stilstaande toepassingen is dat minder belangrijk. Dan is de prijs doorslaggevend”, legt Kelder uit.

Momenteel krijgen afgedankte lithium-ion­accu’s van elektrische auto’s vaak een plek in grote stationaire batterijpakketten om overtollige elektriciteit van zon en wind tijdelijk op te slaan. Daarvoor zijn ze eigenlijk minder geschikt. „Brandveiligheid is echt een issue bij zulke grootschalige opslagsystemen. Met lithium-ionaccu’s kan die een probleem gaan vormen”, verwacht Kelder.

Kinderschoenen

Om de brandveiligheid van stationaire toepassingen te verbeteren, ontwikkelt Wagemaker nieuwe elektroden voor een natrium-ionaccu. „Die heeft geen kobalt nodig. Hij is net zo veilig als een lithium-ionaccu. Bovendien is hij goedkoper, zeker als de prijs van lithium gaat stijgen.”

Een aantal bedrijven is op kleine schaal begonnen aan de ontwikkeling van de natrium-ionaccu, vervolgt de Delftse hoogleraar. „De technologie staat nog in de kinderschoenen. Maar deze zal de komende jaren gestaag doorbreken, verwacht ik.”

De natrium-ionaccu is volgens hem minder geschikt als aandrijfaccu van een elektrische auto en evenmin voor consumentenelektronica, zoals een smartphone. „Deze batterij heeft een lagere energiedichtheid dan een lithium-ionaccu. Dat maakt deze technologie vooral geschikt voor stationaire toepassingen, zoals het opslaan van elektriciteit uit wind en zon. Maar ook voor zware maritieme toepassingen waar gewicht minder belangrijk is.” Kelder: „Voor mobiele toepassingen willen we juist geen zware accu’s.”

Voorlopig zijn fabrikanten van consumentenelektronica en de auto-industrie aangewezen op lithium-ionaccu’s. Wie de juiste accu’s heeft, heeft de macht in autoland. Tesla stampt bij Berlijn een gigafactory uit de grond voor de massale productie van lithium-ionaccu’s. Volkswagen bouwt er een in Salzgitter. De Chinese accufabrikant CATL is bezig in Erfurt, concurrent Svolt in Heusweiler, en NorthVolt in Zweden. Hoewel elektrische auto’s nog altijd duurder zijn dan die op benzine of diesel, gaat dat snel veranderen.

Wagemaker: „De volgende generatie accu’s met hoge energiedichtheden komt eraan. Die zijn nog steeds gebaseerd op lithium-ionen. De grafietanode zal worden vervangen door silicium of door lithiummetaal in combinatie met vastestofelektrolyten. De kathode wordt kobalt-arm, zodat de accu hogere prestaties kan leveren tegen lagere kosten, en bovendien een stuk veiliger is.”

Bij de omschakeling naar duurzame energievormen neemt de rol van accu’s toe. Deel 2: de nieuwe technieken van accu’s. Volgende week deel 3 over grootschalige opslagsystemen.