Batterijen vormen een cruciale schakel om de energietransitie met veel meer hernieuwbare energie en sterke elektrificatie te laten slagen. Over de hele wereld wordt dan ook koortsachtig gewerkt aan innovaties die specifieke eigenschappen van batterijen verbeteren. Change Inc. benoemt vijf gebieden waarop gezocht wordt naar de heilige graal voor betere batterijen.
Productiefaciliteit voor natrium-ionbatterijen in China. Batterijen voor elektrische auto’s, batterijen voor tijdelijke opslag van duurzame stroom, batterijen om warmte te leveren aan de industrie. Als er één ding is waar niemand aan twijfelt, is het de cruciale rol die batterijen de komende vijfentwintig jaar gaan vervullen in het laten slagen van de energietransitie.
Hoewel er geen gebrek is aan nieuwtjes over revolutionaire doorbraken van nieuwe batterijtechnologie, gaat het vaak om laboratoriumresultaten. De kunst is om vervolgens te komen tot batterijen die zich kenmerken door een lange levensduur (veel laadcycli) en snelle opschaling. Dat wil zeggen: het opleveren van grote volumes tegen aanvaardbare kosten.
De benodigde innovatie van batterijtechnologie is afhankelijk van het specifieke doel waar verschillende typen batterijen voor worden ingezet. Change Inc. benoemt vijf richtingen waarvan iedereen hoopt dat revolutionaire doorbraken leiden tot massale adoptie. Mét hoopvolle voorbeelden.
Batterijen die de actieradius van elektrische voertuigen vergroten
Klassieke verbrandingsmotoren hebben als duidelijk nadeel dat er bij het verstoken benzine en diesel CO2 vrijkomt in de atmosfeer. Maar de enorm hoge energiedichtheid per eenheid volume die motorbrandstoffen zoals benzine en diesel hebben, is niet makkelijk te evenaren. Voor het equivalent van een liter benzine heb je relatief veel batterijruimte nodig om dezelfde hoeveelheid energie leveren. Die batterijen zorgen bovendien voor extra gewicht in de auto.
Geen wonder dus dat er een verwoede zoektocht is naar batterijen met een hogere energiedichtheid. Eerder deze maand claimden onderzoekers van de Chinese Universiteit van Tianjin een lithiumbatterij te hebben ontwikkeld met een energiedichtheid van 600 wattuur per kilogram. Dat is het dubbele van de beste batterijen van Tesla en kan er in theorie voor zorgen dat de actieradius van toekomstige elektrische auto’s met factor twee tot vier toeneemt, meldde Interesting Engineering.
Het Chinese team wist de verbeterde batterij gedurende negentig cycli van laden en ontladen stabiel te houden. De uitdaging voor uiteindelijke commerciële toepassing is om dat op te voeren naar duizenden laadcycli.
Batterijen die sneller opladen
De race-auto van InMotion die binnen 4 minuten kan opladen. Bron: InMotion
Ook eentje die hoog op het wensenlijstje van de elektrische auto staat: batterijen die sneller opladen. Bij snellaadstations bedraagt de gemiddelde laadtijd zo’n 15 tot 30 minuten. De paar minuten die nodig zijn om een tank vol benzine of diesel te laden, halen batterij-auto’s bij lange na niet. Nóg niet, ten minste.
Eerder dit jaar boekte een studententeam van de TU Eindhoven een record met het laden van een elektrische racewagen in minder van 4 minuten. Om de warmte die vrijkomt bij het laadproces beter te reguleren, zorgde het team van InMotion voor betere koeling tussen de batterijcellen.
Het team van InMotion gaf tegen Change Inc. aan nog niet bezig te zijn met commercialisatie van de koeltechnologie die ze hebben ontwikkeld. ‘We hebben nu niet als doel om de markt op te gaan. Wel hebben we een groot netwerk aan partners, waarvan een aantal uit de autobranche komt. We staan altijd open om hulp uit te wisselen’, aldus PR-manager Tali Pleijter van InMotion.
Batterijen die energie grootschalig en over een langere periode leveren
Eigenaren Bram Bens en Thomas Stroes bij een prototype van Saltes’ ThermalPod. Bron: Saltes
Het gros van de batterijen in de wereld betreft lithium-ionbatterijen die bij ontladen op maximale capaciteit binnen een paar uur leeg zijn. Voor de energietransitie is het van groot belang dat er meer batterijen komen met een grootschalige opslagcapaciteit die gedurende een langere periode als ‘back-up’ kunnen dienen. Energienetten die zwaarder leunen op hernieuwbare energie uit zon en wind, hebben immers een grotere behoefte hebben aan flexibele opslagcapaciteit. Zo kunnen fluctuaties in het aanbod van hernieuwbare stroom beter worden opvangen.
Een voorbeeld van een nieuw batterijtype dat zich hierop richt, is de zogenoemde flowbatterij van het bedrijf HalioGen, die zink en bromide als vloeistoffen gebruikt. ‘Ons systeem zal qua kosten goedkoper zijn dan een back-up energieopslag met fossiele brandstoffen en een lithium-ionbatterij’, zei Thanasis Stergiou, medeoprichter en chief commercial officer van HalioGen Power, tegen Change Inc.
Toenemende elektrificatie van het energiesysteem vereist ook dat het makkelijker wordt om stroom om te zetten in andere vormen van energie. Bijvoorbeeld in warmte voor de industrie, zodat die minder afhankelijk wordt van fossiele brandstoffen. Het bedrijf Saltes heeft daar een oplossing: een zogenoemde warmtebatterij zet stroom om in warmte, die wordt opgeslagen in gesmolten zout.
De ThermalPod van Saltes heeft de grootte van een klein gebouw en een opslagcapaciteit van 26 megawattuur, zodat deze gebruikt kan worden voor de levering van industriële warmte. ‘Met één systeem kun je een hele fabriek van warmte voorzien’, vertelde mede-oprichter Thomas Stroes van Saltes aan Change Inc.
Brandveilige batterijen
In de huidige wereld, die wordt gedomineerd door lithium-ionbatterijen, is brandveiligheid nog altijd een belangrijk vraagstuk. Dat heeft te maken met het gebruik van componenten die relatief makkelijk ontvlambaar zijn. Als een elektrische auto bij een ongeluk betrokken raakt, kan de batterij soms wel uren branden.
Een deel van de batterij-innovatie richt zich dan ook op de inzet van materialen die brandwerend zijn, zonder dat dat ten koste gaat van de prestatie-eigenschappen van batterijen. Zo testten onderzoekers van de School of Phyiscs and Electronics in China materialen als fluor en fosfor om de elektrolyt van klassieke batterijen brandveiliger te maken. Dat lukte behoorlijk goed, maar daarbij bleven er wel uitdagingen wat betreft de milieuvriendelijkheid en de betaalbaarheid van brandveilige grondstoffen.
Batterijen die minder afhankelijk zijn van schaarse grondstoffen
De behoefte aan een sterke opschaling van de mondiale batterijcapaciteit roept ook geopolitieke vragen op. Huidige batterijgeneraties leunen zwaar op enkele cruciale grondstoffen: lithium, nikkel, kobalt en mangaan. Die worden momenteel in een beperkt aantal landen in de wereld gewonnen, wat risico’s meebrengt voor de leveringszekerheid als er geopolitieke spanningen zijn.
Het is dus niet meer dan logisch dat er volop onderzoek wordt gedaan naar batterijen die gemaakt kunnen worden van grondstoffen die op veel plekken in de wereld beschikbaar zijn. Een technologie die Europa een groot verschil kan maken, is de natrium-ionbatterij. Dat komt mede doordat natrium qua beschikbaarheid veel minder uitdagingen meebrengt dan de winning van lithium, nikkel, kobalt en mangaan.