Ga direct naar: Hoofdnavigatie | Inhoud | Zoeken | Servicemenu

Rijden op batterijen

De elektrificatie van de auto is begonnen, maar een doorbraak vereist een lithiumionaccu met een hogere energiedichtheid. Een lithiumaccu voor een volledig elektrische auto moet twee keer zoveel elektriciteit kunnen opslaan dan nu mogelijk is. Toepassing van nieuwe materialen zal die verdubbeling tot stand moeten brengen.

Dr.ir. Erik Kelder leidt het Europese onderzoeksprogramma EuroLiion. (Foto: Tomas van Dijk)
Dr.ir. Erik Kelder leidt het Europese onderzoeksprogramma EuroLiion. (Foto: Tomas van Dijk)

“Met nieuwe materialen gaan we oplaadbare lithiumaccu’s bouwen waarin tientallen procenten meer stroom is op te slaan”, zegt elektrochemicus dr.ir. Erik Kelder (Technische Natuurwetenschappen). Enthousiast haalt hij achter een archiefkast in zijn werkkamer een dunne doos tevoorschijn ter grootte van een televisiescherm. “Zo groot worden de drie prototypen die we de komende jaren zullen maken.’ Kelder is projectleider van het Europese project EuroLiion, waaraan vijftien onderzoeksinstituten in zeven landen, universitaire laboratoria en bedrijfslabs van onder meer Volvo en Renault meewerken. Het project moet over vier jaar veiligere en goedkopere lithiumbatterijen met een grotere opslagcapaciteit opleveren. Elk instituut pakt een onderdeel van de lithiumbatterij aan; onderzoekers van de TU Delft nemen de koolstofanode onder handen.

De eerste lithiumbatterijen, die dateren van veertig jaar geleden, waren dure en niet-oplaadbare exemplaren. Sindsdien is de technologie enorm verbeterd. Er zijn nieuwe, lichtere materialen gevonden die bovendien duizenden malen oplaadbaar zijn. In twintig tot dertig jaar tijd is de opslagcapaciteit van lithiumionbatterijen in elektronische apparatuur vervijfvoudigd. Omdat in lithiumbatterijen steeds meer stroom kan worden opgeslagen, zijn apparaten niet alleen lichter geworden, maar kunnen ze ook steeds meer en doen dat steeds langer. Hoe meer stroom er in een batterij kan worden opgeslagen, des te grootschaligere toepassingen er binnen bereik komen. Energiedichtheid is dan ook de belangrijkste maat in de batterijwereld.
Het gebruik van lithiumbatterijen is de afgelopen twintig jaar explosief gestegen in vooral elektronische apparatuur als mobiele telefoons, laptops en fotocamera’s. Inmiddels komen ook energievretende toepassingen als elektrische fietsen en auto’s in beeld. Van de Nederlanders rijdt inmiddels tien procent op een elektrische fiets met een lithiumaccu van enkele kilo’s onder de bagagedrager. De volgende slag bestaat uit hybrideauto’s en kleine stadsauto’s met een lithiumaccu van tientallen tot honderd kilo’s, constateert Kelder. Een accu in een hybrideauto hoeft niet zo groot te zijn, want het belangrijkste doel is niet hard en lang op de snelweg rijden, maar energiebesparing. In een hybride zit een accudoos waarmee in de stad een kleine elektromotor is aan te drijven die de verbrandingsmotor vervangt. Tijdens het rijden wordt de accu opgeladen met remenergie en met laadstroom uit de motor. Een hybrideauto gaat tien tot twintig procent zuiniger met brandstof om en produceert bovendien minder schadelijke uitlaatgassen, juist in de stad een groot voordeel.

Ook elektrochemicus dr. James Akridge, een van belangrijkste
lithiumexperts in de Verenigde Staten, verwacht dat hybrideauto’s de volgende lithiumslag vormen. Akridge heeft de afgelopen twintig jaar bij verschillende Amerikaanse batterijproducenten, zoals Energizer, gewerkt aan lithiumbatterijen; de afgelopen vier jaar leidde hij batterijproducent Valence Technology in Austin (Texas). Akridge werkt nu als bedrijfsadviseur aan verschillende batterijprojecten van de overheid. “Hybrideauto’s rijden prima; ze zijn hier in de VS volledig geaccepteerd. De groei ervan zal geleidelijk gaan, want de levensduur van een auto is lang. Vergeet niet dat de hybrideautotechnologie er in de VS meer dan tien jaar over heeft gedaan om geaccepteerd te worden.”

Explosiegevaar
Een belangrijke remmende factor is de veiligheid, waarschuwt Akridge. In lithiumbatterijen zit veel energie per kubieke meter, waardoor ook het risico op brand- en explosiegevaar toeneemt naarmate er in een apparaat of auto meer kilo’s aan lithiumbatterijen zitten. Het is een beetje vergelijkbaar met de warmtediscussie die tien jaar geleden ontstond rond laptops en mobiele telefoons gevuld met lithiumbatterijen, toen de nieuwe, innovatieve vervanger van de tot dan toe gebruikte nikkel-metaalhydridebatterijen. Laptops met een lithiumaccu werden na een tijdje zo warm dat ze bijna niet op schoot te gebruiken waren. Dat leidde onder meer tot onzinnige, onbewezen verhalen over mogelijke spermaschade bij mannelijke schootcomputergebruikers. Ook zijn er de afgelopen jaren mobiele telefoons uit elkaar geklapt als gevolg van explosieve warmteontwikkeling in de lithiumaccu en chemische nevenreacties in meestal het elektrolytmateriaal met ophoping van gassen tot gevolg. De kans op zo’n extreme situatie is echter ontzettend klein. Er zijn honderden miljoenen batterijen geproduceerd en in gebruik geweest, terwijl het aantal ontplofte mobieltjes op twee handen is te tellen. In de loop der jaren zijn de ontwerpen verder verbeterd, zowel in de ontlaadelektronica als bij de koeling, wat tot verdere risicoreductie heeft geleid.

Dezelfde stappen worden nu gezet bij de ontwikkeling van lithiumaccu’s voor auto’s. Bescherming vraagt om extra materiaal rondom de accu en om betere koeling en extra ontluchting. Daardoor gaat het gewichtsvoordeel van nieuwe, efficiëntere materialen deels verloren. “In een autoaccu is de helft van het gewicht ingegeven door veiligheid, de andere helft is stroom”, stelt Kelder. “We boeken materiaalwinst waardoor er meer stroom in een accu is op te slaan, maar omdat we ervoor moeten zorgen dat de opgepakte stroom nog veiliger wordt opgeslagen, is een extra omhulling nodig die weer gewicht kost.”

Er is bij autofabrikanten inderdaad enige huiver om lithiumaccu’s te gaan gebruiken vanwege het veiligheidsrisico, erkent Kelder. “Laptops en mobiele telefoons hebben veel veiligheidsexpertise opgeleverd die ook is te gebruiken in auto’s. Ik denk dat ook voor auto’s veilige lithiumaccu’s zijn te maken, net zo veilig als het gebruik van een benzinetank.” Autofabrikanten hebben dat de afgelopen jaren bij talloze accuproeven in het laboratorium en in auto’s bewezen: er is nog nooit een elektrische auto ontploft. Geen autoproducent wil echter de eerste zijn die met een ongeluk te maken krijgt. “Vandaar die voorzichtige en geleidelijke introductie van lithiumaccu’s in auto’s”, legt Kelder uit.

In de eerste hybrideauto, de Toyota Prius, zit een accu van ongeveer honderd kilo met nikkel-hydridebatterijen. Inmiddels heeft Toyota in Japan exemplaren van de Prius met een lithiumionaccu rijden als proef, laat batterijexpert Akridge weten. Het bedrijf lijkt echter nog geen haast te hebben met massa-introductie. Akridge geeft ze geen ongelijk. “Nikkel-metaalhydrideaccu’s hebben hun succes per slot van rekening ruimschoots bewezen.” De concurrentie maakt die overstap wel. De Civic is al een paar jaar op de markt met een nikkel-metaalhydrideaccu, maar met de Civic Hybrid heeft Honda als eerste autoproducent een lithiumaccu in een serieauto gepresenteerd. Ook andere fabrikanten hebben hybrideauto’s met een lithiumionaccu aangekondigd: Peugeot de 3008 HYbrid, Opel de Ampera, BMW de ActiveHybrid en Volvo de V60 Plug-in Hybrid. Volkswagen komt dit jaar met een hybride Jetta en heeft voor 2013 een hybrideversie van de Golf gepland. Voor de levering van accu’s heeft de Duitse autofabrikant een contract gesloten met het Chinese BYD, momenteel de grootste producent van lithiumbatterijen.

Ook de eerste volledig elektrische stadsauto’s zijn beschikbaar. Het meest offensief is Renault met vier modellen: Kangoo, Fluence, Twizy en Zoe. Daarnaast is er de Nissan Leaf, de Mitsubishi iMiEV, de Peugeot iOn en de Citroën C-Zero. Bij zijn fabriekcomplex in het Zuid-Engelse Sunderland bouwt Nissan een speciale fabriek voor de productie van vijftigduizend elektrische auto’s per jaar; de productie moet in 2013 van start gaan. Daar komt ook een productielijn voor lithiumaccu’s, die nog dit jaar operationeel zal zijn. De meeste elektrische auto’s zijn nog wel twee- tot driemaal duurder dan een vergelijkbare benzineauto vanwege het dure accusysteem. Bovendien is er niet ver mee te rijden. Kelder: “Er is hooguit 100 tot 150 km mee te rijden, en dan niet harder dan 100 km/h. Voor een stadsauto is dat geen probleem, want een stopcontact is altijd dichtbij.”

Kanthode
“De elektrificatie van de auto is begonnen”, stelt Kelder, “maar een doorbraak vereist een lithiumaccu met een hogere energiedichtheid, waarin meer stroom is op te slaan. Experts zijn het erover eens dat in een lithiumaccu voor een volledig elektrische auto 200 tot 250 kWh per kilo aan elektriciteit opgeslagen moet kunnen worden. Dat is een verdubbeling van waar wat nu mogelijk is bij autoaccu’s. Het EuroLiion-project is een eerste stap daar naartoe.”

Die verdubbeling moet bereikt worden met nieuwe materialen voor met name de metaalkathode. Daar is de meeste gewichtwinst te halen. Bovendien is de kathode het duurste deel van een batterij. Er zijn fabrikanten die goedkoop lithiumijzerfosfaat als kathode gebruiken, waar nog maar weinig aan valt te verbeteren wat energiedichtheid betreft. In de meeste accu’s in mobieltjes, digitale camera’s en laptops zit echter een kathode van kobaltoxide, die zich tijdens een ontlading vult met lithium (zie het kader ‘Bewegingen in een batterij’). Fabrikanten doen verwoede pogingen om kobalt te vervangen, omdat het kankerverwekkend is en duur, een aspect dat zwaarder telt naarmate accu’s voor toepassingen groter worden.

De opslag van lithium in metaaloxide heeft zijn grenzen. Naarmate er meer lithium in een metaaloxide wordt gestopt, worden de stof instabieler, waardoor de verbinding chemisch uit elkaar dreigt te vallen. Fabrikanten zoeken daarom naarstig naar stabiele oxidische mengsels die zo veel mogelijk mangaan bevatten om veel lithium te kunnen opslaan en die een zo hoog mogelijk stabiliteit hebben, een eigenschap die juist kobaltoxide heeft. Het is dus zoeken naar een materiaalcompromis en dat gaat met kleine stappen. “Het komt over als hocus pocus met materialen”, zegt Kelder. “Wij kiezen in ons project voor een kathodemengsel met eenderde kobaltoxide voor optimale stabiliteit. De resterende tweederde bestaat dus uit mangaan- en nikkeloxide om een zo hoog mogelijke lithiumopslag te realiseren en dus een optimale energiedichtheid. De mix hebben we gevonden na jarenlang materiaalonderzoek met telkens een iets andere samenstelling – monnikenwerk.”

In batterijenlaboratoria wordt ook gesleuteld aan de koolstofanode. Zo probeert de TU Delft in het kader van het EuroLiion-project koolstof te vervangen door silicium. In silicium is meer lithium, en dus stroom, op te slaan: elke set van zes atomen koolstof kan een ion lithium bevatten, terwijl een atoom silicium plek heeft voor vier lithiumionen. “In theorie is dat 24 keer zoveel, vandaar onze keuze voor silicium.” De uiteindelijke winst is beperkt: het gewicht van de anode vormt maar tien procent van de hele batterij. “Omdat silicium een veel slechtere elektrische geleiding heeft dan koolstof, gebruiken we nanodeeltjes om dat te compenseren. Naarmate deeltjes kleiner zijn, kunnen ze dichter bij elkaar komen, wat de elektrische geleiding verhoogt. We maken de komende jaren in onze labfabriek in Delft drie kilo aan siliciumelektrode, wat voldoende is voor de bouw van de drie prototypen.”

Het hele traject van laboratorium naar een zekere marktpenetratie gaat langzaam. Zo duurt het bijvoorbeeld jaren voordat een nieuw materiaal na duizenden op- en ontlaadcycli kan worden getest op effectiviteit en veiligheid, geeft Kelder aan. En is er een nieuw kathodemateriaal ontwikkeld, dan moet er ook een nieuwe elektrolytstof worden gezocht en vervolgens in het laboratorium en in de bedrijfspraktijk worden uitgeprobeerd. Vervolgens is een investering van honderden miljoenen euro’s nodig om bijvoorbeeld productielijnen en een grondstoffabriek te bouwen voor verschillende elektrodematerialen. “Dat geld is alleen terug te verdienen als een nieuw batterijconcept vele jaren als het ware wordt bevroren”, zegt de Amerikaanse batterijadviseur Akridge. Maar tijdens de bevriezing van een productielijn gaat de technologische ontwikkeling in het laboratorium gewoon verder.

Penlites
Voor elektrificatie van de auto zijn niet alleen betere en efficiëntere batterijen nodig, maar ook om grotere. In elektrische apparaten als laptops en camera’s zitten accu’s die zijn opgebouwd uit enkele penlites, die in serie en parallel aan elkaar zijn geschakeld, afhankelijk van het benodigde vermogen. De meeste batterijfabrieken beschikken over productielijnen voor penlites waarin dunne elektrode- en elektrolytlagen op elkaar worden gestapeld en vervolgens opgerold. Deze lithiumpenlites zijn bijna net zo groot als hun technologische voorgangers nikkel-cadmiumbatterijen, nikkel-metaalhydridebatterijen en niet-oplaadbare alkalinebatterijen. Alles is afgesteld op deze originele grootte. De meeste batterijfabrikanten gebruiken hetzelfde stramien en de al draaiende productielijnen voor accu’s in hybrideauto’s zolang de marktpenetratie nog beperkt is. Accuauto’s zijn nu opgebouwd uit honderden tot duizenden aaneengeschakelde penlites.

De Amerikaans-Duitse batterijproducent Lithium Technology Corporation (LTC), die is opgegaan in een joint venture met het Duitse Enersys, leverancier van industriële energiediensten, bewandelt als een van de weinige producenten een andere weg. LTC is gespecialiseerd in grote cilindrische cellen, een formaat waarop vermoedelijk alle producenten voor autoaccu’s zullen overstappen als de automarkt aantrekt en die van laptops en mobiele telefoons zal overschaduwen. “Deze cellen zijn veel geschikter voor grote accupakketten voor bijvoorbeeld auto’s”, zegt directeur ir. Theo Kremers.

Hij verwacht dat autofabrikanten voor hybrideautoaccu’s steeds meer zullen overschakelen op grote cilindrische cellen. De productiemachines zullen daarvoor groter worden en grotere vormen afleveren, maar de productieprincipes blijven onveranderd: op een dunne laag geleidend aluminiumfolie wordt een superdunne laag kathodemateriaal gespoten. Na snelle uitdroging komt daar vervolgens een dun laagje poreus filtreerpapier op te liggen, als elektrolytdrager. Daarop wordt de anode gelegd, die bestaat uit een dun koolstoflaagje gespoten op een dunne laag koperfolie. Het geheel wordt vervolgens opgerold tot een ronde vorm.
In nichemarkten worden die grote cilindrische cellen al gebruikt. Zo levert LTC levert geassembleerde batterijpakketten voor stadsbussen en militaire toepassingen, een nichemarkt met een hoge winstmarge en relatief lage investeringsrisico’s die dient als opstap naar een uiteindelijke accumarkt voor auto’s.

Akridge verwacht dat het gebruik van lithiumaccu’s in hybrideauto’s en in speciale voertuigen als bussen sterk zal blijven stijgen. Of het ooit tot een grootschalige productie van elektrische auto’s zal komen met tientallen kilo’s aan lithiumaccu’s, betwijfelt hij. Ook al wordt alle materiaaltechnologie uit de kast gehaald, de energiedichtheid van lithiumaccu’s zal veel te duur en ondermaats blijven, denkt hij.
Akridge zet voor personenauto’s zijn kaarten op de ontwikkeling van de lithium-luchtbatterij, een volgende technologische stap. In dit type is vijf- tot tienmaal zoveel stroom op te slaan als in een lithiumionaccu. Eigenlijk hoeft dit type geen zware metaalkathode mee te zeulen. De kathode bestaat uit een metaalachtige katalysator die zuurstof uit de lucht kan omzetten. Lucht is overal en hoeft niet meegenomen te worden, wat een hoop gewicht uitspaart. Lithiummetaal in de batterij reageert met zuurstof, langs elektrochemische weg. De energie die bij deze reactie vrijkomt, wordt omgezet in elektriciteit. Er zijn koolstofhoudende kathodematerialen gevonden waardoor dit elektrochemische proces omkeerbaar is. Daardoor is deze innovatieve batterij, een soort heilige graal in batterijland, oplaadbaar.

Dit artikel verscheen eerder in De Ingenieur , nummer 2, 3 februari 2012.

Bewegingen in een batterij

Opbouw en werking van een Liion batterijpakket. (Illustratie: De Ingenieur)
Opbouw en werking van een Liion batterijpakket. (Illustratie: De Ingenieur)

In lithiumbatterijen bewegen lithiumionen zich bij het ontladen van de negatieve koolstofanode naar de positieve metaaloxidekathode. In opgeladen toestand is de koolstofanode maximaal gevuld met lithium: één lithiumatoom hecht zich aan zes koolstofatomen, die in een nette laagstructuur zitten. De kathode, aan de andere kant, bestaat uit een oxidepoeder van een overgangsmetaal als kobalt, nikkel, mangaan of ijzer (of een combinatie daarvan). Deze metaaloxides bestaan uit microkristallen van 5 µm, nog kleiner levert niet veel meer voordeel op, en hebben ook een gelaagde structuur of soms een soort driedimensionale tunnelstructuur. Lithiumionen kunnen makkelijk door zo’n laag- of tunnelstructuur heen en weer bewegen.

Anode- en kathodepoeders zijn van elkaar gescheiden door een superdun elektrolytlaagje, een soort kunststof filtreerpapiertje waarvan de poriën zijn gevuld met een lithiumzout in een organisch oplosmiddel. Het elektrolytmembraan laat alleen lithiumionen door; elektronen kunnen er niet doorheen en moeten buitenom om een laptop of elektromotor van stroom te voorzien.

Bij het laden en ontladen speelt de metaalkathode een beslissende rol. Het metaal van de kathode staat bij het laden een elektron af – chemisch gesproken oxideert het – en er komen positieve lithiumionen vrij die naar de negatieve elektrode migreren. Bij het ontladen is het proces omgekeerd: positieve lithiumionen migreren naar de kathode, waarbij het metaal reduceert en elektronen opneemt.

www.euroliion.eu
www.lithiumtech.com
www.spijkstaal.nl
batteryuniversity.com


14 april 2014

Nieuwe bouwdoos voor chemici

Nieuwe bouwdoos voor chemici De TU leidt een Europees onderzoeksprogramma van tien miljoen euro naar de afvang van CO2. Het zou de eerste grootschalige toepassing kunnen worden van een nieuwe klasse poreuze materialen.
14 april 2014

Gescheiden werelden

Gescheiden werelden Nederlandse en internationale studenten integreren niet genoeg, blijkt uit onderzoeken. In Delft is dat niet anders. Taal en cultuur zijn vaak een obstakel. “Tijdens een borrel praten we Nederlands met elkaar.”

31 maart 2014

‘Afvalverzameling op de campus is huilen met de pet op'

De TU kan veel meer doen om de campus te verduurzamen. Samen met een groep studenten werkt de dienst facilitair management en vastgoed aan maatregelen die duurzaamheid in kaart moeten brengen én vergroten. “We hebben consistent beleid ...
31 maart 2014

Kuddedieren in crisis

Kuddedieren in crisis Aardbevingen, tsunami’s, rennende meutes; bij de afdeling transport en planning storten proefpersonen zich in het ‘onheil’, om zo uiteindelijk verkeersmodellen beter bruikbaar te maken voor evacuaties.

31 maart 2014

De beste bachelors

De beste bachelors Vijf bachelor eindprojecten krijgen op 31 maart een UfD-Damen Bachelor Award ter waarde van 2500 euro. Sommige studenten deden hun eindproject alleen, anderen in een groep. Ze berekenden waterstromingen in rivieren, ontwierpen een drone ...
17 maart 2014

Kies en stem

Kies en stem Vandaag valt er weer wat te kiezen in Delft. Hoe denken de twaalf lokale politieke partijen over onderwerpen als studenten, huisvesting en de kenniseconomie? Wat zeggen ze over de universiteit en wat beweegt TU- medewerkers en studenten ...

  Meer