Met een aandeel van dertig procent zijn auto´s en vrachtwagens met verbrandingsmotoren grote uitstoters van CO2. Elektrische voertuigen veroorzaken daarentegen nauwelijks emissies en kunnen aanzienlijk bijdragen tot het bereiken van de klimaatdoelstellingen. Ware het niet dat de productie van de batterijen volgens een Zweedse studie goed is voor 61 tot 106 kilogram CO2 per kilowattuur.
State-of-the-art zijn lithium-ion batterijen, waarbij laag gewicht hand in hand gaat met een hoge energiedichtheid. Daardoor kunnen zij veel energie opslaan per kilogram batterijgewicht. Veel meer dan andere batterijmaterialen. Aangezien energiedichtheid synoniem is met actieradius, hebben auto´s met lithium-ionbatterijen een grotere actieradius in vergelijking met andere oplaadbare batterijen. En dat tegen aanvaardbare grondstofkosten.
Vloeibare elektrolyt
Het probleem met lithium-ionbatterijen is de vloeibare elektrolyt. Die dient als geleidend medium tussen de positieve en negatieve polen: de anode en kathode. Bij mechanische schokken, zoals ongevallen, kan deze elektrolytvloeistof ontsnappen en door verdamping veranderen in licht ontvlambare gassen.
De vaste-stofbatterij daarentegen kan het helemaal zonder vloeibare elektrolyten stellen. Het is dus veiliger, vindt Dr. Marcus Jahn, die het pas opgerichte competentiecentrum voor batterijtechnologie aan de Austrian Institute of Technology (AIT) in Wenen leidt.
Solid state
De fabricageprocédés voor vastestofbatterijen verkeren momenteel echter nog in de ontwikkelingsfase. Er zijn in Europa slechts enkele onderzoeksgroepen die zich hiermee bezighouden. Met het pas opgerichte competentiecentrum levert het AIT een bijdrage aan het nog jonge onderzoek. Bestaande onderzoeksactiviteiten worden gebundeld en gecombineerd met nieuwe strategische onderwerpen.
Het doel is een futuristisch laboratorium te creëren dat de batterijtechnologieën in Oostenrijk en andere Europese landen vooruit helpt. De solid-state batterij is echter slechts één van de aandachtsgebieden van het dertigkoppige onderzoeksteam rond Jahn. Het is nog onduidelijk welke batterijtypes voor elektrische voertuigen in de toekomst hoofdzakelijk gebruikt gaat worden. Daarom zijn de grenzen van het onderzoeksgebied relatief ruim en omvatten zij ook het zoeken naar nieuwe materialen en fabricageprocédés.
Kosten, energiedichtheid, veiligheid en duurzaamheid zijn parameters die voor alle batterijtypes en toepassingen van belang zijn, legt Jahn uit. In het geval van energiedichtheid moet onderscheid worden gemaakt tussen gewicht en volume. Maar in wezen stellen verschillende toepassingsgebieden verschillende eisen. Zo zijn gewicht en veiligheid doorslaggevend voor vliegtuigen, terwijl voor personenauto’s de kosten doorslaggevend zijn.
Kobalt
Bij de ontwikkeling en karakterisering van materialen voor batterijen gaan de AIT-onderzoekers op zoek naar alternatieven voor essentiële grondstoffen. Het gaat dan vooral lithium, dat fundamenteel zeer reactief en gemakkelijk ontvlambaar is. Bovendien worden lithium-ionbatterijen ook geassocieerd met een snel verouderingsproces.
De huidige celtechnologie kan slechts een levensduur garanderen tot tien jaar voor een accu-set voor e-auto´s. Waarbij deze cijfers eigenlijk achterhaald zijn, omdat bekend is dat de snelheid van verouderingsprocessen afhankelijk is van de wijze van gebruik. En vooral van het soort en de hoeveelheid laad- en ontlaadprocessen. “Dat komt omdat ontlading gasvorming veroorzaakt. Dergelijke chemische reacties veroorzaken veroudering”, legt Jahn uit.
Mogelijke alternatieven voor de toekomst zijn magnesium-ion-accu’s of natrium-ion-accu’s. Het is al bekend dat deze nieuwe soort batterijen werken en voor een aantrekkelijke prijs geproduceerd kunnen worden. Maar er is nog veel ontwikkeling nodig. Hetzelfde geldt voor kobalt, het hoofdbestanddeel van de elektroden, dat door alternatieve materialen moet worden vervangen.
Duurzame productie
De AIT-onderzoekers houden zich ook bezig met de ontwikkeling van nieuwe en duurzame methoden voor de industriële productie van batterijen voor elektrische voertuigen. In de afgelopen jaren is hiervoor een hoogwaardige onderzoeksinfrastructuur opgebouwd, inclusief prototype-productie dicht bij de industrie. Daar kunnen alle processen intensief worden bestudeerd en verder ontwikkeld. Centraal staat de duurzame productie, waarbij bijvoorbeeld milieuonvriendelijke oplosmiddelen moeten worden vervangen door onschadelijke stoffen.
Verbetering
Een batterij bestaat in wezen uit elektroden, kathoden en anoden. Momenteel worden de elektroden in pastavorm op kathoden en anoden aangebracht. Deze pasta’s bevatten van oudsher kritische oplosmiddelen; ook al zijn de dampen geëlimineerd. De ideale batterij van de toekomst moet echter bestaan uit droge elektroden en dus oplosmiddelvrij zijn. Bij de anoden is dat al gelukt, maar bij de kathoden moet er nog heel wat gebeuren, zegt Jahn, en hij vervolgt: “Er is pas sprake van een groene batterij als deze zonder oplosmiddelen, met een laag energieverbruik en met duurzame materialen wordt geproduceerd.´´
Hogere energiedichtheid
De reden waarom de vastestofbatterij veel veiliger is dan de conventionele lithium-ionbatterij, is dat er geen vloeibare elektrolyten voor nodig zijn. Bovendien zal er naar verwachting een grotere actieradius mogelijk zijn, omdat vaste elektrolyten potentieel een hogere energiedichtheid hebben. Geschikte materialen voor vaste elektrolyten zijn reeds bekend en hebben elk hun voor- en nadelen.
Bij AIT ligt de nadruk onder meer op polymeren, keramiek en glas, of stoffen op basis van sulfide. Op basis van deze materiaalkennis moeten geheel nieuwe fabricageprocédés worden ontwikkeld. In tegenstelling tot lithium-ionbatterijen zijn de productieprocessen voor solid state batterijen nog niet gestandaardiseerd. “Om deze systemen beter te begrijpen, moeten nog fundamentele vragen worden beantwoord”, legt Jahn uit.
Overgangstechnologie
Hybride batterijen, die zowel een vaste stof als een vloeibare stof bevatten, worden beschouwd als overgangstechnologie. Hierbij wordt een gel-achtige substantie gebruikt. Er wordt wat vloeistof aan toegevoegd, die wordt geabsorbeerd. Dit betekent dat de elektrolyt niet vloeibaar is en dus niet kan weglekken. Daardoor is de veiligheid gegarandeerd. De ideale batterij van de toekomst moet echter uit een massieve kern bestaan, omdat alleen dan de benodigde hoge energiedichtheid wordt verkregen, legt Jahn uit.
Levenscyclusanalyses worden uitgevoerd voor alle onderzoeksgebieden in het nieuwe AIT Battery Technology Competence Centre. Deze bestrijken de gehele procesketen, van grondstoffen tot productie en gebruik tot het eindgebruik en het gebruik van gerecyclede materialen.
Als je dit artikel leuk vindt, lees dan ook:
