Ideale accu is goedkope lichtgewicht met enorme opslagcapaciteit

Fabrikanten hebben vooralsnog de keuze uit de nikkelmetaalhydride-accu (NiMH-accu) en een lithium-ionaccu (Li-ionaccu). Maar dat verandert razendsnel met de toepassing van nieuwe grondstoffen.

De veelgebruikte NiMH-accu werd 35 jaar geleden bij toeval ontdekt bij Philips Research Laboratories. „Mijn collega’s zochten naar magnetische materialen voor cassettebandjes toen ze bemerkten dat waterstofgas op een mysterieuze wijze verdween uit onze proefopstelling”, herinnert Peter Notten zich. Hij is emeritus hoogleraar energieopslagsystemen aan de TU Eindhoven.

Het waterstofgas bleek te zijn opgeslokt in een vaste stof. De chemici van Philips beseften dat ze een manier hadden gevonden om waterstof op te slaan en het gas er ook weer uit te halen. Het bleek mogelijk het systeem in te zetten als accu. De zogeheten NiMH-accu bleek een geschikte vervanger van de milieubelastende nikkelcadmiumaccu (NiCd-accu).

Japanse autofabrikanten, zoals Toyota, maken inmiddels al twintig jaar gebruik van de NiMH-accutechniek in hybride voer- tuigen, zoals de Toyota Prius, Yaris en Auris, aldus Guido Roozekrans van Toyota-importeur Louwman & Parqui. Toyota heeft dus veel ervaring met accutechniek, al laat een volledig elektrische Toyota nog even op zich wachten.

Lithiumionen

Een merk als Hyundai maakt uitsluitend gebruik van Li-ionaccutechniek in zijn hybrides, plug-inhybrides en volledig elektrische auto’s, zegt Mike Belinfante van Hyundai Nederland. Een Li-ionaccu werkt op vrijwel dezelfde manier als een NiMH-batterij, maar kan per kilogram twee keer zo veel energie opslaan. In een Li-ionaccu bewegen zich geen waterstofionen, maar lithiumionen door een vloeistof (elektrolyt) van de ene naar de andere elektrode. De lithiumionen worden in de elektrode geslagen.

Het materiaal waarvan de elektroden in de Li-ionaccu’s zijn gemaakt, is per accutype verschillend. Lithiumtitaanelektroden geven de accu bijvoorbeeld een enorme levensduur, maar een lagere energie-inhoud; een accu met een ander type elektrode –voor de fijnproevers: lithiumnikkelkobaltmangaanoxide-elektrode– is snel op te laden, maar gaat minder lang mee.

De accutechniek ontwikkelt zich voortdurend. De energiedichtheid van een Li-ionaccu neemt nog steeds toe: elk jaar kan er per kilogram accu 5 tot 7 procent meer energie worden opgeslagen; een verdubbeling binnen veertien jaar.

Aanvankelijk verwachtten analisten dat de massale overstap op elektrische auto’s wereldwijd een tekort aan lithium zou veroorzaken. Notten: „Maar dat valt erg mee; er is voor de komende decennia nog voldoende beschikbaar.”

Een tekort aan koper lijkt eerder voor de hand te liggen, liet Arnoud Balhuizen, commercieel directeur van kopermijnbedrijf BHP Billiton, vorige maand weten in het vakblad Automotive News. In een elektrische auto wordt vier keer meer koper verwerkt dan in een voertuig met een verbrandingsmotor. De kopermijnen staan voor de opgave de groeiende vraag naar koper bij te benen.

Alternatieven

Wereldwijd zoeken onderzoekscentra nog steeds koortsachtig naar alternatieven voor het dure lithium, bij voorkeur accumaterialen die op aarde ruimschoots beschikbaar zijn en die per kilogram veel energie kunnen opslaan. Wetenschappers hebben grote verwachting van een zinkbatterij als vervanger van de Li-ionaccu (zie ”Zoeken naar de beste zinkbatterij”). Maar het ei van Columbus heeft nog niemand uitgevonden.

Wetenschappers van de University of Central Florida (VS) ontwikkelden een batterij –met elektroden van nikkelsulfide en ijzersulfide– die naar verwachting tien keer meer laad- en ontlaadcycli mee kan gaan dan de huidige Li-ionaccu’s. Yang Yang, hoogleraar materiaalonderzoek, publiceerde zijn onderzoek vorige maand in het tijdschrift Advanced Energy Materials.

Een van de nieuwste ideeën is de zogeheten zeewaterbatterij. „Wanneer we deze batterij op de markt brengen, zullen we leidend zijn op het gebied van energieopslagsystemen”, betoogde Youngsik Kim, hoogleraar energie en chemie van de Zuid-Koreaanse Ulsan National Institute of Science and Technology, in februari vol enthousiasme op de website phys.org.

Een vergelijkbare ontwikkeling betreft de zeezoutbatterij van de Nederlandse uitvinder Marnix ten Kortenaar. Het hoofdbestanddeel van de accu is zeezout. In 2013 won Ten Kortenaar met zijn accu de Jan Terlouw Innovatieprijs en de Blauwe Tulp Accenture Innovation Award. De batterij heeft een capaciteit van 40 wattuur per kilogram. Sinds de prijsuitreikingen is het stil gebleven rond de zeezoutaccu.

Sceptisch

Prof. Notten is behoorlijk sceptisch over de zeezoutbatterij. „Het materiaal is supergoedkoop, maar het blijft voor mij te vaag hoe de batterij precies werkt. Als de claims kloppen, heeft de batterij een opslagcapaciteit die een vierde bedraagt van de huidige Li-ionaccu, en ligt die zo’n beetje op het niveau van een oude loodaccu.”

Het Japanse concern Toshiba maakte eerder deze maand een heuse doorbraak bekend. Zijn zogeheten SCiB-accu komt in 2019 op de markt. Een elektrische auto kan volgens Toshiba na zes minuten laden 320 kilometer vooruit.

Toyota zit evenmin stil en werkt momenteel aan de ontwikkeling van een zogeheten solidstateaccu en een aantal andere accutechnieken, zoals de metaal-luchtaccu, weet Guido Roozekrans. „Dit type kent een korte laadtijd. Ergens rond 2020 zal deze accu in elektrische auto’s van Toyota te vinden zijn.”

Dan is er nog de lithium-luchtbatterij. Prof. Notten noemt die nog ietwat speculatief. „Maar als die er komt, kunnen elektrische auto’s echt fors goedkoper worden.”

Andere opties, zoals de natrium-ionaccu en de magnesium-ionaccu, hebben een behoorlijke energiedichtheid, vervolgt de hoogleraar. „Maar de geringe levensduur is nog een knelpunt.” De energie-efficiëntie van de natrium-ionaccu ligt 13 procent lager, maar hij kost slechts een vijfde van een lithium-ionaccu, bleek vorige week in Nature Energy.

Een veelbelovende ontwikkeling is wat de hoogleraar betreft de zwavellithium-ionaccu. „Zwavel is erg goedkoop en overal te krijgen.”

Notten kan zich goed voorstellen dat autofabrikanten momenteel miljarden investeren in de ontwikkeling van goede en goedkope accutechniek en de bijbehorende batterijmanagementsystemen. „De belangen voor de automotive-industrie zijn enorm.”

----

Zoeken naar de beste zinkbatterij

Een nieuwe ontwikkeling is de zogeheten zinkbatterij, die volgens de bedenkers de Li-ionaccu zou kunnen vervangen. De batterij moet in 2019 op de markt komen, liet uitvinder Michael Burz onlangs weten in het tijdschrift Science. Hij is directeur van EnZinc in San Anselmo (VS).

„De nieuwe batterij is 30 tot 50 procent goedkoper dan vergelijkbare Li-ionaccu’s”, verwacht Burz. Bovendien zou de batterij veiliger, kleiner en lichter zijn. Zinkbatterijen zouden kunnen worden toegepast in elektrische voertuigen, elektrische fietsen, smartphones en energieopslagsystemen.

Anders dan Li-ionbatterijen zijn zinkaccu’s onbrandbaar. Maar Debra Rolison, hoofd van het energieopslagonderzoek van het US Naval Research Laboratory (VS), noemt ze ongeschikt om op te laden. „Ze hebben de neiging dendrieten te vormen, slierten zinkmetaal van de ene naar de andere elektrode, waardoor er kortsluiting ontstaat. De accu overleeft dat niet.” De solidstatevariant, met een sponsachtige vaste stof tussen beide elektroden, gaat echter ruim 50.000 korte laad- en ontlaadcycli mee.

Het team van Rolison heeft ook een zilver-zinkaccu getest. Deze levert beduidend meer energie per kilogram dan een Li-ionaccu. „Een zeer interessante ontwikkeling voor toekomstige onderzeeboten van de US Navy”, meent Rolison. Het onderzoek werd in april gepubliceerd in het tijdschrift Science.

Belangwekkend is ook de ontwikkeling van de zink-luchtbatterij als vervanger van de Li-ionaccu. Onderzoekers van de universiteit van Sydney hebben hierin grote vooruitgang geboekt. Een zinkluchtaccu werkt met elektroden van zinkmetaal en zuurstof uit de lucht. De accu kost in vergelijking met een Li-ionbatterij een schijntje, en kan per kilogram theoretisch vijf keer meer energie opslaan, schreven de wetenschappers in augustus in het tijdschrift Advanced Materials.

De onderzoekers zijn zo ver dat de accu na zestig laad- en ontlaadcycli nog maar 10 procent van zijn capaciteit heeft verloren, laat onderzoeker Li Wei van de universiteit weten. Dat is een hele prestatie, maar daarmee is de accu uiteraard nog lang niet geschikt voor toepassing in een elektrische auto. „We hebben dus nog wel wat fundamentele problemen op te lossen voordat we een bruikbare en duurzame accu hebben”, zegt zijn collega Yuan Chen in Science- Daily.

----

Concurrentie van waterstof

De grote concurrent van de elektrische auto is de auto op waterstofgas (fuel cell electric vehicle – FCEV). Met name fabrikanten als Toyota (Mirai) en Hyundai (iX35 FCEV) hebben zich daarop gestort. Zo’n auto bevat brandstofceltechniek die waterstof omzet in schone waterdamp en daarbij elektriciteit produceert. Een auto met brandstofcellen wordt –net als een gewone elektrische auto– aangedreven door elektromotoren.

Waterstof kan net als fossiele brandstoffen, zoals benzine en diesel, getransporteerd worden naar tankstations. „Je kunt de Mirai in een paar minuten voltanken”, legt Guido Roozekrans van Toyota-importeur Louwman & Parqui uit. Een elektrische auto hangt algauw 0,5 tot 2 uur aan de snellader. Een groot nadeel is dat er in Nederland maar op drie plaatsen waterstof kan worden getankt: in Helmond, Rhoon en Arnhem.

Hoewel de brandstofceltechniek de kinderschoenen is ontgroeid, zijn auto’s op waterstof nog relatief duur. Zo kost de Toyota Mirai 79.990 euro. Hyundai vraagt voor de iX35 FCEV 66.550 euro. Ondanks de forse prijs heeft Hyundai er in Europa 501 verkocht, waarvan een kleine 70 in Nederland. Een opvolger staat volgend jaar klaar en heeft een actieradius van 800 kilometer, aldus Mike Belinfante van Hyundai Nederland.

De brandstofcelauto’s en elektrische auto’s groeien qua aanschafprijs steeds meer naar elkaar toe, weet prof. Peter Notten van TU Eindhoven. „Het zal mij benieuwen welke techniek over vijftien jaar de overhand zal krijgen.”

Ideale accu is goedkope lichtgewicht met enorme opslagcapaciteit

Wetenschap & techniek

RD.nl in uw mailbox?