Tegen 2020 zal China meer dan 70% van de lithium-ionbatterijen produceren waarop auto’s rijden. Europa vecht terug en hoopt rond 2026 20 gigafactories te bouwen.

Door Ben McCluskey, The Technologist

Sinds het verschijnen op de consumentenmarkt in 1991 zijn lithium-ionbatterijen alomtegenwoordig in telefoons, laptops en zelfs e-sigaretten. Met de opkomst van elektrische auto’s – de wereldwijde verkoop bedroeg in 2017 voor het eerst meer dan 1 miljoen stuks – stijgt de vraag naar lithium-ionen enorm. Fabrice Stassin van Umicore, een materiaaltechnologiemultinational, voorspelt: “Tegen 2025 kan het segment van de transportmarkt 80% van de toekomstige vraag naar li-ion vertegenwoordigen”.

De positie van Europa op de automarkt wordt ernstig op de proef gesteld door de overgang naar e-mobiliteit. Batterijen zijn goed voor 40% van de waarde van de auto, maar de productie wordt gedomineerd door Azië. Het wereldwijde marktaandeel van China bedraagt naar verwachting 70% tegen 2020.

Europa daarentegen heeft niet eens een eigen batterijproducerende industrie. “Zekerheid in toeleveringsketens kan een uitdaging vormen als grondstoffen en batterijproductie in andere delen van de wereld zijn gevestigd”, zegt Tejs Vegge van de Technische Universiteit van Denemarken’s Department of Energy Conversion and Storage (DTU Energy).

Meer over het onderzoek naar lithiumbatterijen hier.

In reactie daarop hoopt de Europese Commissie een sterke en duurzame batterij-industrie op te bouwen in het kader van een initiatief dat de Europese Alliantie voor Batterijen – European Battery Alliance – heet. De alliantie heeft tot doel een kader te bieden dat een veilige toegang tot grondstoffen, steun voor technologische innovatie en consistente regels voor de productie van batterijen omvat. Het onderzoeksfonds Horizon 2020 van de EU heeft 200 miljoen euro gereserveerd voor batterijprojecten. Daarnaast is 800 miljoen euro beschikbaar voor de financiering van demonstratie-installaties voor de bouw. Armere gebieden kunnen ook een beroep doen op het Fonds voor regionale ontwikkeling (22 miljard dollar). En het Europees Fonds voor strategische investeringen is beschikbaar voor de medefinanciering van de miljarden euro’s die nodig zijn voor de bouw van equivalenten van Tesla’s grootschalige batterijcelproductiefaciliteit in Nevada, door oprichter Elon Musk een “gigafactory” genoemd.

 breedte=.

Lithium depot, Portugal. Met ruim 2% van het wereldwijde aanbod zouden de bronnen in Portugal een aanzienlijke aanvoer van lithium voor Europa kunnen garanderen.

De opkomst van de gigafabrieken

Doel van de EU is om tussen de 10 en 20 gigafabrieken te creëren. Autofabrikant Daimler plant er twee in eigen land, Duitsland, dat ook de koploper is om Tesla’s eerste Europese gigafabriek te bouwen. Als de EU dat doel bereikt, zou Europa in 2026 goed zijn voor ongeveer 15% van de wereldwijde productiecapaciteit.

In sommige landen wordt al vooruitgang geboekt. De Poolse fabriek van LG Chem, die in 2018 werd geopend, is bezig de productiedoelstellingen zevenmaal te verhogen. De Zweedse Northvolt is van plan 4,13 miljard euro uit te geven aan een Scandinavische fabriek en het Duitse TerraE heeft twee fabrieken in Duitsland aangekondigd.

Umicore vormt een technologische alliantie met BMW en Northvolt. Stassin legt uit: “De alliantie heeft ambities op de ontwikkeling van actieve materialen, het gebruik van grondstoffen afkomstig van recycling, de schaalvergroting van batterijcellen, het ontwerp van cellen en verpakkingen en, ten slotte, de inzameling, ontmanteling en recycling, met de nadruk op het verhogen van de duurzaamheid van de batterijwaardeketen.”

Lithium-ionbatterijen bestaan uit twee lagen: de ene laag bestaat uit lithiumkobaltoxide, de andere uit grafiet. Wanneer lithium-ionen zich van de grafietlaag naar de lithiumkobaltoxidelaag verplaatsen, komt er energie vrij. Het opladen van een batterij verschuift die ionen gewoon de andere kant op.

Lees ook: Auke Hoekstra: Het enorme potentieel van batterijen

animatie ionenbatterij

Maar het is niet eenvoudig om de batterijproductie van begin tot eind te schalen. Azië heeft hard gewerkt om een groot deel van de stroom zeldzame (kobalt en lithium) grondstoffen die het nodig heeft uit Afrika en Australië zoveel mogelijk te controleren.

Een groeiende mineralencrisis

De volgende stap is het vinden van alternatieven voor het importeren van componenten en grondstoffen. In mei 2018 werd in Portugal een enorme lithiumafzetting opgegraven. Ten minste 14 miljoen ton van het kostbare element zou zich rond de Mina do Barroso in het district Vila Real bevinden en de mijnbouwbedrijven staan in de rij om deze enorme hulpbron te exploiteren.

“Met meer dan 2% van de wereldwijde deposito’s zouden de hulpbronnen in Portugal zeker een aanzienlijke lithiumvoorraad voor Europa kunnen garanderen”, zegt Vegge. Maar voor de lange termijn is dit niet goed genoeg, zegt hij. “Als je de kwantumsprong nodig hebt van een duurzame batterij die volledig schaalbaar is voor de terawatt-uitdaging, kunnen we niet vertrouwen op de materialen die we vandaag de dag gebruiken.”

Is Europa te laat?

Maar hoe probeert Europa dan haar marktaandeel te maximaliseren in een li-ion-industrie die voorbestemd is om te krimpen in het licht van nieuwere technologieën? Het antwoord is de EU’s Battery 2030+ Vision, die tot doel heeft Europa een concurrentievoordeel te geven door de het complete productieproces voor batterijmaterialen en -technologieën te ontwrichten.

Het werk van Vegge aan het Battery Interface Genome – Material Acceleration Platform (BIG-MAP) is een belangrijk onderdeel van deze langetermijnvisie. Het maakt gebruik van kunstmatige intelligentie om de optimale materialen te vinden – van aluminium-zwavel tot lithium-zuurstof en verder – en van daaruit de materiaalontwerpen voor toekomstige accutoepassingen te ontwikkelen. “BIG-MAP combineert in principe het begrip van de fundamentele chemie en fysica achter de batterijen met ons vermogen om de productie te versnellen”, legt hij uit. “Kunstmatige intelligentie bepaalt welke experimenten moeten worden uitgevoerd, hoe de materialen moeten worden samengebracht en hoe de gegevens die naar voren komen direct kunnen worden gekarakteriseerd.”

Het succes van een dergelijke strategie zal van cruciaal belang zijn om Europa te helpen de ontdekking van groenere batterijtechnologieën te versnellen. De onderzoekers gebruiken dezelfde technologie die men gebruikt om een begrip te zoeken op een Google-app, nu om de beste manier te vinden om bepaalde soorten materiaal te samen te brengen. “We kunnen tussen de laatste 100 jaar van gepubliceerde wetenschappelijke artikelen kijken wat de beste opties zijn om dit soort materialen te maken,” zegt Vegge. Snelheid is de sleutel. Azië ligt misschien kilometers voor op de markt, maar het trage tempo van de batterij-innovatie – de technologie is in 27 jaar nauwelijks veranderd – kan de Europeanen helpen.

learn_more caption=”Een siliciumoplossing”]

François Ozanam legt uit hoe onderzoek naar anodes van siliciumlegeringen de batterijen van de toekomst kan helpen verbeteren

Een siliciumatoom kan zich aan vier lithium-ionen hechten, zodat een siliciumanode 10 keer zoveel lithium kan opslaan als het grafiet dat momenteel in gebruik is. “Dit betekent dat de elektroden zeer hoge prestaties leveren, maar zeer onstabiel zijn”, zegt François Ozanam van École Polytechnique.

Wanneer lithium-ionen zich aan de anode hechten als een batterij wordt opgeladen, zwelt deze licht op en krimpt weer als hij wordt gebruikt. Een grafietanode zwelt op en krimpt met ongeveer 7%. Siliciumdeeltjes kunnen tot 400% opzwellen, wat betekent dat de meeste siliciumanodes zelfs onder gecontroleerde laboratoriumomstandigheden na een paar laadcycli uit elkaar scheuren.

“Ons belangrijkste werk gaat over de nanostructuren van deze materialen op basis van silicium”, legt Ozanam uit. “We kijken dus niet echt naar het materiaal zelf, maar eerder naar hoe we het vormgeven om het beter bestand te maken tegen deze cyclus van zwellen en krimpen”.[/learn_more]

Dit artikel werd eerder gepubliceerd op ‘The Technologist‘ en is met toestemming vertaald en op IO geplaatst.