artikel

Batteryday 2018: Batterij, Achilleshiel of Ei van Columbus?

Techniek Premium 1555

Batteryday 2018: Batterij, Achilleshiel of Ei van Columbus?
Een accupakket moet zijn voorzien van een deugdelijk koel- en verwarmingssysteem om in alle omstandigheden goed te functioneren en om snelle veroudering tegen te gaan.

Dat het vervoer van de toekomst elektrisch moet, is voor de meeste mensen zonneklaar. Hoe ver weg die toekomst is, blijft een discussiepunt. Actieradius, laadtijd alsmede de prijs en levensduur van batterijen is nog altijd een belangrijk struikelblok voor de consument. Maar de techniek gaat met rasse schreden vooruit, terwijl accuprijzen dalen. Brengt dat de elektrische toekomst dichterbij?

Het grote probleem van een elektrische auto is, dat je meer betaalt voor iets dat minder kan. Een benzineauto heeft een range van 600 km, een diesel al gauw 1000. Kom je te kort, dan tank je hem in vijf minuten vol en je bent weer op weg. Een elektrische auto haalt met mooi weer tussen de 200 en 400 km, bij koud weer de helft. Dat komt omdat accu’s minder spanning hebben als het koud is. Accu’s verwarmen kan, maar dat kost energie. Ook de verwarming in de auto kost energie, net als de ruitenwissers. Dan blijft er dus minder energie over om te rijden en moeten je accu’s eerder opgeladen. Dat vraagt geen minuten, maar uren. Je kunt de laadtijd met snelladers verkorten, maar dat geeft warmteontwikkeling. Daar konden de eerste generatie lithium-ion accu’s slecht tegen, net als tegen diep ontladen en helemaal vol laden.

Actiepunten

 

De actieradius is voor veel mensen nog altijd een struikelblok. Naar verwachting is dat binnen tien jaar opgelost.

Voor de acceptatie van elektrische auto’s zijn er dus – naast het feit dat we over schone elektriciteit moeten beschikken om elektrisch rijden überhaupt zinvol te maken – drie “actiepunten”: De levensduur moet omhoog, de energie-inhoud moet omhoog en de laadtijd moet omlaag, tenzij de energie-inhoud zo groot kan worden dat de actieradius groter wordt dan het menselijk uithoudingsvermogen. Dan kun je altijd ’s nachts tanken, als je toch in bed ligt. De vraag is, kan dat met lithium-ion accu’s?

Of beter, kan het ergens anders mee, want van alle materialen die er op de aardbol zijn heeft lithium zo ongeveer de hoogst mogelijke redox-potentiaal. Over de mogelijkheden en onmogelijkheden ging het symposium, dat Automotive NL en de stichting Doet samen op de automotive campus in Helmond organiseerden.

Lithium-ion

De lithium-ion accu, zoals die in 1991 door Sony werd geïntroduceerd, werkt met een anode van lithium-kobaltdioxide (LiCoO2) en grafiet. Bij het ontladen migreren de lithium ionen van deze anode door een gelvormig elektrolyt naar de kathode, die van grafiet ((LixC6)) is gemaakt. Dat geeft een celspanning van 3,7. De stabiliteit van dit element is echter niet zo goed. Bij temperaturen boven de 50° Celsius dreigt brand- en ontploffingsgevaar. Goede koeling is dus essentieel, terwijl de cellen tijdens het ontladen niet te koud mogen worden, want dan gaat de energieopbrengst flink omlaag.

 

‘Bij een solid state zijn alle materialen als coatingen op elkaar aangebracht, zonder vloeistof.’

 

Een ander probleem van deze batterij is de levensduur: die daalt als de batterij vaak diep wordt ontladen of te vol wordt geladen. Bij de Chevrolet Volt springt de “extender”-lader in als de accu 30% restlading heeft. Bij de Toyota Prius gebeurt dat bij 40%, terwijl de accu’s nooit verder dan 80% worden geladen. Er wordt dus effectief maar 40% van de capaciteit gebruikt en dat betekent dat er nog meer accu’s nodig zijn voor een acceptabele range.

Nieuwe concepten

Bij Lithium-accu’s is het actieve materiaal op een folie aangebracht. Bij solid-state batterijen zijn de kathode, het membraan en de anode zonder vloeibaar of gelvorming elektrolyt op elkaar aangebracht. Dat spaart veel ruimte. Er is dan meer actief materiaal in dezelfde accubehuizing en dus meer elektrische capaciteit.

Er is dus onderzoek nodig naar nieuwe materialen en nieuwe batterij-constructies. Dat onderzoek vindt bijvoorbeeld plaats bij de Universiteit Twente. Hoogleraar Mark Huijben vertelt daarover: “We zoeken naar betere kathodes en anodes. Lithium is een goed element. Het is klein, het kan gemakkelijk migreren in een elektrolyt. Daarnaast kijken we ook naar Natrium-ion, Magnesium-ion en Aluminium-ion. Natrium is groter, dat werkt minder goed. Magnesium heeft meer elektronen en geeft dus meer lading. Dat is belangrijk. We willen zoveel mogelijk vermogen en een zo groot mogelijke energiedichtheid, maar wel met materialen met een zo groot mogelijk voltageverschil.

We zien op dit moment in de praktijk kathodes als Lithium ijzerfosfaat (LiFePO4) in bussen en NMC (Nikkel Mangaan Kobalt) in automotive toepassingen. Die laatste geeft een betere capaciteit. We verwachten die capaciteit in de toekomst verder te vergroten door de toevoeging van lithium. Kobalt wordt ook steeds vaker vervangen door andere elementen, maar dat geeft steeds minder thermische stabiliteit. Daar moeten we dus een oplossing voor vinden.”

Zwavel en lucht

Met lokale energieopslag kan zonne-energie opgeslagen worden en wordt de grid niet overbelast als er plaatselijk veel auto’s opgeladen moeten worden.

Een van de nieuwe combinaties waar veel onderzoek naar wordt verricht, is lithium-zwavel. Bij lithium-zwavel wordt 2Li en S tot Li2S omgezet. De zwavel wordt daarbij opgeslagen in poreus carbon. Een volle lithium-zwavel accu heeft 2,4 volt, bij 25% ontlading nog 2,0 volt. Die spanning houdt hij vast tot 50% ontlading, dan daalt de spanning parabolisch. De levensduur van een Lithium-zwavel accu is ongeveer vier keer zo hoog als van een gewone lithium-ion batterij.

Lithium zuurstof is ook een zeer interessante optie. Bij dit type batterij wordt zuurstof aan lithium gebonden tot Li2O2. Omdat de zuurstof uit de lucht komt, hoef je dat niet als materiaal mee te nemen. Zo’n accu is daardoor lichter. Het probleem is echter dat er in lucht meer zit dan zuurstof alleen. Zoals water. Dat kan lithiumhydroxide vormen, een agressieve vloeistof die een accu kan verwoesten. Een ander probleem is dat je een katalysator nodig hebt om li2O2 weer af te breken tijdens het laden. Ook is het lastig dat het volume van de accu steeds verandert, omdat hij materiaal uit de buitenlucht bindt.

 

‘Auto’s staan 23 uur per dag stil. Als je die aan de grid verbindt zou je daar ook energie in op kunnen slaan voor andere toepassingen.’

>

Solid State

Naar verwachting kunnen we over vijf tot tien jaar beschikken over NMC-Li. Dat geeft veel winst: “NMC heeft 180 mAh/g, NMC-Li 270 mAh/g. Lithium-air heeft een factor 20 meer capaciteit”, stelt Huijben. “Als dat opgelost dan zijn alle accuproblemen voorbij. Dat zal echter nog meer dan 10 jaar duren, ook omdat de research zich nu grotendeels richt op een andere constructie van batterijen. Als je een grotere energie-inhoud wilt, moet je minder inactief materiaal gebruiken. Daarom worden er nu solid-state batterijen ontwikkeld.

Gewone Lithium-batterijen hebben anodes en kathodes op een folie, met daartussen een membraan en een elektrolyt. Dat neemt ruimte in en vertraagt de migratie van ionen”, aldus Mark Huijben. “Bij een solid state zijn alle materialen als coatingen op elkaar aangebracht, zonder vloeistof. Dat vraagt andere productiemethoden, maar de winst is enorm. Het is een uitdaging om alle contacten en migraties van lagen stabiel te krijgen. Zo hadden we met LiMn2O4 het probleem, dat de kathode oploste bij diep ontladen. Dat hebben we al sterk kunnen verbeteren. Eerst was de accu na 20 keer laden kapot, nu halen we 1000 cycli.

Tab-cooling

Lokale energieopslag kan ook worden gebruikt om het energienet niet te overbelasten als er veel wind staat of als er ’s nachts weinig energie wordt gevraagd, terwijl het nog altijd waait.

De temperatuur heeft een grote invloed op het functioneren van een batterij. Chemische processen verlopen trager als het koud is, bij te veel warmteontwikkeling kunnen de chemische processen zichzelf accelereren (thermal runaway) en uiteindelijk brand veroorzaken. Bij hoge temperaturen verouderen batterijen sneller, maar bij lage temperaturen doen ze dat juist als je ze probeert te laden. Temperatuurmanagement is dus belangrijk, iets waar Erik Hoedemaekers van TNO zich mee bezig houdt, in het innovatieproject “HIFI elements – horizon 2020”. “We hebben gekeken hoe je cilindrische batterijen het beste kan koelen”, aldus Hoedemaekers. Je kunt het ronde oppervlak koelen, maar je kunt er ook voor kiezen om juist de uiteinden – de “tabs” – te koelen.

Dat heeft een positief effect op de levensduur. Met tab-cooling hadden we 25 % verlies aan capaciteit na 1000 cycli, met oppervlaktekoeling 75% verlies. Nu zijn we een tab-cooling batterij aan het bouwen voor validatie. Verder zijn we nog bezig met Ultra Thin Power Cooling en Twisted Channel Cooling. We verwachten nog een factor 500 in koeling te winnen.”

Opslag

Bij elektrificatie moet je niet alleen naar de auto kijken, maar ook naar de het elektriciteitsnet, de grid. Zowel bij de productie als de “consumptie” van elektriciteit. “Je kunt je voorstellen dat er een enorme verbruikspiek ontstaat, als iedereen een elektrische auto heeft en die bij thuiskomst tegen zessen aan de lader legt”, aldus Ives Vercammen van Alfen. Dit bedrijf is in 2007 gestart met het fabriceren van energieopslagsystemen in containers, oorspronkelijk op basis van second-life batterijen. Bij gebrek eraan worden nu nieuwe BMW I3 batterijen gebruikt. De units zijn voorzien van een geïntegreerde airconditioner, die de temperatuur constant op 18 graden houdt.

 

‘We zoeken naar betere kathodes en anodes. Lithium is een goed element.’

 

Deze units zijn veelal bedoeld voor de industrie en de handel in energie. Ze hebben een capaciteit van 100 kWh tot meerdere MWh. De units kunnen echter ook worden gebruikt als vervanger van een dieselaggregaat, als mobiele laadsystemen op parkeerplaatsen en voor load balancing in woonwijken. Ze kunnen dus ook worden gebruikt voor “peak shaving”, dus om overdag energie van zonnepanelen op te slaan en ’s avonds auto’s op te laden, zonder dat de grid daardoor wordt belast.

Bidirectioneel

Ook de auto zelf kan als energieopslag voor de grid worden gebruikt. Dan moet de auto wel “bidirectioneel” kunnen laden. Bij Nissan kan dat al.

Energieopslag kan natuurlijk ook individueel per huis plaatsvinden. Nissan levert daarvoor een X-storage unit, waarvan het de bedoeling was dat die werden gebouwd met second-life batterijen. De EV-batterijen blijken de geplande levensduur van 8 jaar echter dusdanig te overschrijden dat er te weinig uit de markt vrijkomen en er nieuwe gebruikt moeten worden voor de X-storage. Maar Nissan ziet ook mogelijkheden de auto zelf als storage unit te gebruiken: “Auto’s staan 23 uur per dag stil. Als je die aan de grid verbindt zou je daar ook energie in op kunnen slaan voor andere toepassingen.

Je moet dan alleen van tevoren aangeven wanneer je met de auto weg wilt, zodat de batterijen dan wel vol zijn”, aldus Bart Bartels van Nissan, dat inmiddels 230.000 elektrische auto’s heeft geproduceerd. “Sinds 2013 zijn die geschikt voor bi-directioneel laden. De aanleiding was de tsunami en de daaropvolgende kernramp in Fukushima.

V2G

Met de X-storage van Nissan kun je thuis zonne-energie opslaan en later gebruiken.

De auto moest dus na Fukushima een rijdende energiebron worden. “Dat kan ook in Europa nuttig zijn”, stelt Bartels. Bij te veel wind worden in Duitsland bijvoorbeeld windmolens in het noorden stilgezet en energiecentrales in het zuiden opgestart, omdat er anders te veel stroom van noord naar zuid loopt. Bij Vehicle 2 Grid kun je de molens laten draaien en de energie in auto’s opslaan. In de UK gebruiken we daarvoor een bidirectionele lader van 5 tot 6 kW va Ovo Energy, inmiddels zijn we ook bezig met een eigen lader en een lader van Enel, tot 15 kW. Via een app kun je dan de gewenste state of charge voor een bepaalde tijd instellen. De technologie regelt de rest. Het gebruik van je auto-accu voor de V2G heeft nauwelijks invloed op de levensduur van de accu, omdat je de accu niet diep ontlaadt en niet vol hoeft op te laden. De garantie blijft 8 jaar of 156.000 km.

Modules

Een interessante oplossing voor lichte voertuigen biedt de firma Cleantron in Nieuw-Vennep: “We maken universele en klant-specifieke batterijen van 26 tot 72 Volt voor elektrische scooters e-bikes en andere lichte elektrische voertuigen. Daarmee gaan we ook de automotive markt bedienen”, aldus Maarten Kelder van Cleantron. We hebben een multi-pack systeem ontwikkeld waarin 1 tot 16 batterijen samen kunnen werken. Het systeem bestaat uit uitneembare modules, die je sequentieel kunt ontladen. Dat is handig, want dan hoef je thuis niet elk pakket de trap op te zeulen om ze op te laden. Je kunt ook modules wisselen. Dat doen we in Berlijn, daar rijdt busje met modules rond die terplekke modules wisselt en centraal oplaadt. Op die manier heb je geen laadinfrastructuur nodig.

Recycling

Grondstoffen voor batterijen zijn niet onuitputbaar, bovendien zijn ze schadelijk voor het milieu. “Ook lithium batterijen moeten aan het eind van hun levensduur worden gerecycled”, stelt Hector Timmers van de ARN. “De producent is daarvoor verantwoordelijk. De wet stelt dat een producent niet mag weigeren om een afvalaccu terug te nemen. Dat is wettelijk gezien degene die de accu als eerste beroepsmatig op de markt gebracht heeft. Dat brengt kosten met zich mee.

Dat begint met de inzameling. Het is gevaarlijk transport, dat moet in speciale containers en dat maakt het duur. De recycling zelf is ook gecompliceerd. Op dit moment kost inzameling en recycling 3 euro per kg. De producent draagt deze kosten. Dat wordt natuurlijk verdisconteerd in de prijs van de batterijen, daarom zit er een beheerbijdrage in de prijs verwerkt.

Reageer op dit artikel