Innovatieve opslagtechnologie gaat elektrische mobiliteit de komende jaren op een hoger plan brengen. Daimler gaf een kijkje in de keuken, opgediend door prof. dr. dr. Andreas Hintennach, senior manager battery research.
Een vijftiental journalisten uit diverse Europese landen is via teleconferentie virtueel aangeschoven bij Andreas Hintennach. Binnen het Daimler-concern geldt de met dubbele dr.-titels uitgeruste chemicus als dé autoriteit op het gebied van accucelonderzoek. Hintennach trapt de bijeenkomst af met de mededeling dat de huidige techniek in lithium-ion-batterijen bepaald nog niet is uitontwikkeld. “Ik zie zeker nog twintig procent rek. Silicium bijvoorbeeld gaat op termijn grotendeels het huidige grafietpoeder vervangen. Hierdoor kan de energiedichtheid 20 tot 25 procent hoger komen te liggen.”
‘Bij de ontwikkeling van lithium-ion zie ik nog twintig procent rek’
Hintennach herinnert zijn toehoorders eraan hoe eind jaren negentig lithium-ion batterijen voor elektrische voertuigen bijna even duur waren als goud. En de range niet veel meer bedroeg dan 65 kilometer op één lading. “Zet dat eens af tegen de situatie van nu en die over vijf jaar. Dan passeren we bij de productie van accupakketten de magische grens van honderd euro per kWh. Geloof me, elektrische mobiliteit wordt in hoog tempo technisch hoogstaand en zeer betaalbaar.”
Indirecte koeling
Levensduur en prestaties van een batterijpakket zijn het best af bij een temperatuur tussen 25 en 35 graden Celsius. Daimler past voor zijn thermomanagement indirecte koeling toe, met een op water-glycol gebaseerd systeem. Het wordt sinds jaar en dag met succes toegepast in andere sectoren en is volgens Andreas Hintennach bewezen betrouwbaar. “We hebben er expertise mee opgedaan bij onze R&D in de afgelopen decennia op het gebied van waterstofsystemen. Die knowhow hebben we in een later stadium vertaald naar de batterijsystemen.”
Luchtkoeling zoals ooit in de VW Kever is volgens hem ontoereikend. “De warmteafgifte per vierkante centimeter is een stuk lager dan als je vloeistof gebruikt. Om die reden zie ik voor koelen met lucht alleen toepassing in low-end EV’s die niet zijn toegerust op snelladen. Het is een goedkope oplossing, die echter de levensduur van de batterij beperkt en daarom voor ons als fabrikant geen optie is. Je bespaart in het ontwikkelingsproces maar betaalt een veelvoud aan het eind. De batterij moet vroegtijdig vervangen worden, mogelijk zelfs het hele voertuig.”
Zwavel
Achter de schermen is het R&D-team van Daimler druk doende met batterijcellen die zijn opgetrokken uit alternatieve ingrediënten. Nikkel en kobalt bijvoorbeeld zullen om meerdere redenen moeten plaatsmaken voor de combinatie lithium-zwavel: stukken goedkoper, overal op aarde beschikbaar en niet giftig. Komt bij dat zwavel een afvalproduct is van de chemische industrie en 45 procent lichter dan de huidige materialen in een batterij. “Een lager gewicht resulteert in een lager stroomverbruik, zo simpel is het. Bovendien is een batterij van lithium-zwavel aan het eind van zijn levensduur zeer goed te recyclen.” Wel ligt er voor de verzamelde laboranten een uitdaging op het gebied van energiedichtheid. “Het kan daarom nog wel enkele jaren duren eer deze technologie beschikbaar is voor personenwagens.”
‘Niemand legt deze zoektocht naar de Heilige Graal af in zijn eentje’
Maar er leiden meer wegen naar Rome, houdt Hintennach de persafvaardiging voor. Ergens tussen 2025 en 2030 zullen wetenschappers komen met de oplaadbare alkalinebatterij, rijp voor marktintroductie. Tot op heden is dit type stroombron er slechts in wegwerpversie voor thuisgebruik. Het basismateriaal is mangaan, dat bekend staat als milieuvriendelijk en makkelijk in gebruik. Als veelbelovend taxeert Hintennach ook de toepassing van silicium-anodes in lithium-ion batterijen. Ten opzichte van de huidige grafiet-anodes vergroten ze de energiedichtheid met 20 tot 25 procent. Het materiaal wordt al toegepast, zoals in de bluetooth draadloze Airpods van Apple. “Dit soort devices op consumentniveau is technisch eenvoudig en hoeft geen vijftien jaar mee te gaan. In de voertuigindustrie zijn de eisen aan levensduur veel strenger. Daarom hebben we meer ontwikkeltijd nodig.”
Snelladen
Een stuk verderop langs deze ontwikkelingsroute, tien tot vijftien jaar, bevindt zich lithium-zuurstof als bron voor elektrische aandrijving. Daarbij zijn geen nikkel en kobalt meer aanwezig in de batterij, slechts een opening waardoor zuurstof uit de buitenlucht wordt gehaald. Die reageert vervolgens met het lithium. In de basis is de werking vergelijkbaar met de waterstof-brandstofcel. Belangrijk voordeel echter is dat het lithium-zuurstofsysteem oplaadbaar is. Op dit moment is de techniek niet breed toepasbaar, omdat de levensduur te beperkt is en snelladen nog niet mogelijk. “We hebben diepere kennis nodig van de onderliggende chemische processen om een commerciële toepassing in beeld te krijgen.”
De horizon van Hintennach reikt tijdens zijn gastcollege echter nóg verder. Over vijftien tot twintig jaar debuteert mogelijk de organische c.q. composteerbare batterij. Opgebouwd uit agrarisch afvalmateriaal, met name fruitvezel. Gedurende hun gebruiksperiode bevatten ze geen metalen en doen ze geen beroep op natuurlijke hulpbronnen. Aan het eind van hun leven zijn ze volledig te composteren, waarmee idealiter sprake zou zijn van een circulair model. “Er is al een prototype op laboratoriumniveau, maar dat is nog niet toereikend voor gebruik in een voertuig. Ik zie echter veel potentieel.” Vergelijkbare woorden klinken bij de term grafeen, een uitstekende thermische en elektrische geleider in opkomst. Met dank aan carbon-atomen zou de accu van een smartphonebatterij binnen een kwartier zijn op te laden. De verleiding is groot om die lijn gemakshalve lineair door te trekken naar snelladen van een autobatterij, maar deze weg is vooralsnog lang.
Solid-state
Ook aan de solid-state batterij die Mercedes-Benz op proef wil toepassen in zijn stadsbus eCitaro hangt een jaartal voorbij 2025. Deze techniek is goed voor een lange levensduur en bevat geen kobalt, nikkel of mangaan. Maar de lage energiedichtheid maakt het systeem op dit moment relatief groot, langzaam op te laden en staat een lange actieradius in de weg. Solid state is daarom een kansrijke oplossing voor bedrijfswagens maar vooralsnog niet voor personenwagens. Fundamenteel onderzoek is volgens Andreas Hintennach dan ook vereist. “Om een indruk te geven: er zijn extreem dunne, foutloze glas-keramische lagen vereist. Qua procestechniek is dat te doen, handmatig weliswaar, maar het vormt slechts één kant van de medaille. Snelle, goedkope en kwalitatieve productie is de andere kant. Alle solid-stategeleiders schieten hierin nog te kort.”
In de verschillende Daimler-laboratoria wordt gewerkt aan alternatieven voor het prijzige metaal nikkel. Hier speelt eveneens het aspect duurzaamheid een rol, want hoe geringer de materialenmix, des te makkelijker en efficiënter de recycling. Oog heeft Hintennach namelijk ook voor de andere zijde van R&D – het moment waarop de batterij zijn levenseinde heeft bereikt. Hergebruik van grondstoffen dient zowel het milieu als de productie, aangezien Europa slechts beperkt beschikt over primaire bronnen. Over acht tot tien jaar komt een aanzienlijk aantal voertuigaccu’s beschikbaar voor recycling. Daarbij zullen met name kobalt, nikkel, koper en later ook silicium worden gerecycled. “We zijn al zeer goed voorbereid om secundaire grondstoffen terug te brengen in de productiecyclus. Dat gebeurt momenteel al met onze testaccu’s. Maar we doen natuurlijk eerst alles om te zorgen dat accu’s zo lang mogelijk meegaan.”
Voor- en nadelen
Na de reeks doorkijkjes naar innovatieve opslagtechnologie dringt zich de vraag op hoe lang de lithium-ion batterij nog onder ons zal zijn. Het antwoord luidt: lang. “Er is voorlopig niet één vervangende technologie. Eerder in onze bijeenkomst gaf ik al aan welk enorm ontwikkelpotentieel deze techniek nog heeft. Daarnaast verschillen alternatieve oplossingen als solid-state-elektrolyten, lithium-metaal-anoden of lithium-zwavel sterk qua materiaalvereisten, toepassingen en doorontwikkeling. Elke technologie heeft haar voor- en nadelen, net als onze voertuigen zelf. In een Smart EQ draait het meer om snel bijladen in een stedelijke omgeving dan om een lange actieradius. Het zal dus nog even duren voordat we met betrekking tot onze range personenwagens kunnen zeggen: ‘dit is de technologie waar we nu voor moeten kiezen’.”
Magische grens
Tijdens het afsluitende Q&A-rondje klinkt de vraag hoe ver het toekomstige batterijpakket in een personenwagen kan reiken. Ligt de magische grens van duizend kilometer rijbereik in het verschiet? Ook hier zijn volgens de Daimler-expert eenduidige antwoorden niet te geven. Technisch is zo’n 1K-range mogelijk, bijvoorbeeld met cellen van lithium-zwavel. Toch is dat voor het grootste deel van de voertuigmarkt niet de oplossing, want zo’n constructie moet ook inpasbaar zijn, snel te laden en betaalbaar blijven. Welke kant het ook opgaat in batterijland, samenwerking is van groot belang, benadrukt Hintennach. “Elke oplossing is het resultaat van wereldwijd teamwerk, met sterke industriepartners en onderzoeksinstituten. Niemand legt deze zoektocht naar de Heilige Graal af in zijn eentje.”
