Elektrische voertuigen zijn veel energie-efficiënter dan voertuigen met een verbrandingsmotor. Toch moet er nog een grote hobbel genomen worden voor we een klimaatvriendelijke vervoerssector hebben. De productie van de kathoden voor de batterijcellen die stroom leveren voor de e-voertuigen, is enorm energie-intensief. Bovendien worden bij de productie ervan giftige oplosmiddelen gebruikt.
In het BatWoMan-project gaat een Europees onderzoeksconsortium deze uitdaging aan. Het AIT Austrian Institute of Technology, het Karlsruhe Institute of Technology, Fundació CIDETEC, Matthews International, de Universiteit Duisburg-Essen en de RISE Research Institutes of Sweden zijn erbij betrokken. Het doel is een duurzame procesketen voor celproductie te ontwikkelen en deze samen met gerenommeerde industriële partners tot volle wasdom te brengen.
Het project wordt gecoördineerd door Katja Fröhlich van het AIT Austrian Institute of Technology in Wenen. Daar geeft zij leiding geeft aan het onderzoek naar Sustainable and Smart Battery Manufacturing. In een interview met Innovation Origins vertelt ze over de uitdagingen.
Wat is het probleem bij de huidige productieprocessen?
“Momenteel vindt het hele proces van cel-assemblage plaats in een beschermde atmosfeer. Onder andere moeten de temperatuur en het vochtgehalte van de lucht constant worden gehouden. Dit kost enorm veel energie. Zelfs in onze relatief kleine onderzoeksruimte wordt ongeveer zevenduizend kubieke meter lucht per uur gecirculeerd.
Het drogen gebeurt elektrisch of met gas om het dauwpunt op min veertig tot zestig graden te houden. Bovendien is een koeleenheid nodig om de kamertemperatuur in elk seizoen constant te houden. Bij de gebruikelijke productieprocessen worden de kathoden verwerkt met giftige oplosmiddelen en zijn verschillende droogstappen nodig. Wij willen de giftige oplosmiddelen grotendeels vervangen door water en de noodzaak van drogen aanzienlijk verminderen. Dat is wat we in het project doen.”
Hoe is het project BatWoMan opgezet?
“Wij werken met viskeuze slurries, de zogenaamde anode- en kathodeslurries, die het mogelijk maken het drogen te integreren in het verdichten van de elektroden. Na verdichting zijn de elektroden gestructureerd. Daarom spreken we van elektroden met 3D-structuur. Met als gevolg dat het vullen van het elektrolyt sneller en efficiënter kan gebeuren, maar ook met minder elektrolyt. Dit nieuwe, innovatief productieproces bespaart kosten.
Aangezien wij de elektroden op waterbasis produceren, gaan wij ervan uit dat alle afzonderlijke stappen niet meer in een beschermde atmosfeer hoeven te gebeuren. We zouden al veel energie besparen als alleen het vullen van het elektrolyt en het verdichten in een beschermde atmosfeer plaatsvinden en de voltooide celstapel vervolgens gewoon in een drooginstallatie kan worden gedroogd.
Na het vullen van de elektrolyt volgt de vorming. Dit is wanneer de anode en de kathode voor het eerst met elkaar in contact komen. Dit proces is gebaseerd op zeer lage stromen en duurt daarom lang. Soms ontstaan er gassen die moeten worden afgezogen. Bovendien is de benodigde ruimte groot en bedraagt deze ongeveer dertig procent van de totale productie-oppervlakte. Een proces dat we in het BatWoMan project willen optimaliseren met automatisering.”
Wat is het voordeel van artificiële intelligentie bij de productie van batterijcellen?
“Wij richten ons op mobiliteitstoepassingen. Dit houdt zowel recycling als hergebruik in. In beide gevallen is het van groot belang dat relevante celbouwprocessen kunnen worden opgeslagen en later uitgelezen. Dit geeft informatie over de ladingstoestand en de gezondheid van de batterijcellen. Bovendien worden in deze Battery Data Space ook de energiegegevens van de batterij opgeslagen, zodat de werkelijke CO2-voetafdruk van de cel aan het eind van de productie kan worden afgelezen. Zo kunnen fabrikanten hun productieprocessen energie-efficiënter maken.
Een dergelijk platform spreekt ook voor de steeds meer gedifferentieerde automobielsector, waarin aan een tractiebatterij voor een kleine gezinsauto andere eisen worden gesteld dan aan een tractiebatterij voor een sportwagen of een minibus. Er kan dan worden gekozen tussen criteria als lage kosten, groot bereik of snelle levering van veel energie. Dit zijn ook eisen die in parameters op een dergelijk platform in kaart kunnen worden gebracht.”
Wat zijn de relevante parameters voor recyclingbedrijven?
“Soms kun je aan de buitenkant niet eens zien uit welke hoofdbestanddelen een Li-ion batterij bestaat. Als we de materialen kennen, kunnen we de scheiding optimaliseren. Verschillende energieopslagsystemen bevatten verschillende soorten materialen. Recycling vergt ook een energie-input en veroorzaakt kosten.
Om te kunnen afwegen in hoeverre welk recyclingproces werkelijk zinvol is, hebben wij ook gegevens nodig zoals de dikte van de elektroden en hun materiaalsamenstelling. Als energieopslagapparaten bijvoorbeeld kobalt, nikkel of mangaan bevatten, moeten deze materialen worden gescheiden voordat het recyclingproces begint.”
Wie moet toegang hebben tot deze Battery Data Space?
“Er wordt gewerkt aan een Europees of zelfs wereldwijd batterijpaspoort. De verantwoordelijke organisaties zijn geïnteresseerd in de wijze waarop het door ons ontwikkelde platform op dit niveau kan worden geïntegreerd. Wij zijn natuurlijk ook het aanspreekpunt hiervoor. Uiteindelijk zal via deze verordeningen moeten worden verduidelijkt wie uiteindelijk toegang krijgt tot welke informatie.
Het BatWoMan-project moet ervoor zorgen dat het platform beschikbaar is wanneer de verordeningen van kracht worden. In het project bekijken we wat voor soort dataruimte je nodig hebt en hoe je die kunt implementeren. Vervolgens creëren we het platform en bekijken we welke gegevens kunnen worden gelezen en hoe. Aangezien de opslag van gegevens ook energie kost, onderzoeken wij ook hoe dit zo efficiënt mogelijk kan gebeuren.”
De resultaten moeten de Europese productie van batterijcellen bevorderen. In hoeverre is dit al het geval?
“Momenteel vindt de productie hoofdzakelijk plaats in Azië – en vooral in China. Daar werd tot voor kort meer dan tachtig procent van de batterijcellen in de wereld vervaardigd. De laatste maanden zijn er echter veel Europese productiefaciliteiten aangekondigd – door zowel Europese als Aziatische fabrikanten. Waarbij de Europese celproducenten zich sterk willen richten op duurzame productiemethoden.”
Is de productie in Europa concurrerend?
“Je moet dit zeker bekijken vanuit het oogpunt van duurzaamheid en kwaliteit. De conventionele productie van batterijcellen bijvoorbeeld gaat gepaard met een hoog percentage afgekeurde cellen. Als de kwaliteitsnormen hoog zijn, kan dit aandeel worden verminderd en kan veel worden bespaard.
Als al vanaf het begin recyclingopties worden gepland, kunnen in ieder geval de eigen materialen van het bedrijf in de cyclus worden teruggebracht. Voorts is ook de productie van batterijcellen in Europa een kwestie van waardeketens. Er zijn materialen die in Europa kunnen worden betrokken en materialen die gebonden zijn aan de Aziatische markt. Dit zijn dingen die je moet bekijken voordat je deze vraag definitief kunt beantwoorden.”
Foto boven: De droogkamer van het Oostenrijks Instituut voor Technologie AIT © AIT – Lang
Als je dit artikel leuk vindt, lees dan ook:
