fbpx
bekeken: 225 x
Waardeer dit artikel:
0 votes, average: 0,00 out of 50 votes, average: 0,00 out of 50 votes, average: 0,00 out of 50 votes, average: 0,00 out of 50 votes, average: 0,00 out of 5
(0,00)
(Inloggen is vereist)

Batterij komt in stroomversnelling

DOMEIN:

Geplaatst op: 28 september 2020, 09:17

Leestijd: 5 minuten

Innovatieve energieopslag gaat de elektrische mobiliteit de komende jaren naar een hoger niveau tillen. Professor Andreas Hintennach leidt het onderzoek naar toekomstige batterijtechnologieën bij Daimler en gunde Aftersales Magazine een blik achter de schermen.

Een vijftiental journalisten uit diverse Europese landen is via teleconferentie virtueel aangeschoven bij Andreas Hintennach. Binnen het Daimler-concern geldt de met uitgebreide academische titels uitgeruste chemicus als dé autoriteit op het gebied van batterijcelonderzoek. Hintennach trapt de bijeenkomst af met de mededeling dat de huidige techniek in lithium-ionbatterijen bepaald nog niet is uitontwikkeld. “Ik zie zeker nog 20 procent rek. Silicium bijvoorbeeld gaat op termijn grotendeels het huidige grafietpoeder vervangen. Hierdoor kan de energiedichtheid 20 tot 25 procent hoger komen te liggen.” 

Andreas Hintennach herinnert zijn toehoorders eraan hoe eind jaren negentig lithium-ionbatterijen voor elektrische voertuigen bijna even duur waren als goud. En het rijbereik van de auto’s in kwestie niet veel meer bedroeg dan 65 kilometer voor één lading. “Zet dat eens af tegen de situatie van nu en die over vijf jaar. Dan passeren we bij de productie van accupakketten de magische grens van 100 euro per kWh. Geloof me, elektrische mobiliteit wordt in hoog tempo technisch hoogstaand en zeer betaalbaar.” 

Indirecte koeling

Levensduur en prestaties van een batterijpakket zijn het best af bij een temperatuur tussen 25 en 35 graden Celsius. Daimler past voor zijn thermomanagement indirecte koeling toe, met een op water-glycol gebaseerd systeem. Het wordt sinds jaar en dag met succes toegepast in andere sectoren en is volgens Andreas Hintennach bewezen betrouwbaar. “We hebben er in de afgelopen decennia expertise mee opgedaan bij onze R&D op het gebied van waterstofsystemen. Die knowhow hebben we in een later stadium vertaald naar de batterijsystemen.”

Luchtkoeling zoals ooit bijvoorbeeld in de VW Kever is volgens hem ontoereikend. “De warmteafgifte per vierkante centimeter is een stuk lager dan bij vloeistofkoeling. Om die reden zie ik voor koelen met lucht alleen toepassing in budget-EV’s die niet zijn toegerust voor snelladen. Het is een goedkope oplossing, die echter de levensduur van de batterij beperkt en daarom voor ons als autoconstructeur geen optie is. Je bespaart in het ontwikkelingsproces, maar betaalt een veelvoud aan het eind. De batterij moet vroegtijdig vervangen worden, mogelijk zelfs het hele voertuig.”

Alternatieve materialen 

Achter de schermen is het R&D-team van Daimler druk bezig met batterijcellen die zijn gemaakt van alternatieve ingrediënten. Zo zullen nikkel en kobalt bijvoorbeeld om meerdere redenen moeten plaatsmaken voor de combinatie lithium-zwavel: stukken goedkoper, overal op aarde beschikbaar en niet giftig. Bovendien is zwavel een afvalproduct van de chemische industrie en 45 procent lichter dan de huidige materialen in een batterij. “Een lager gewicht resulteert in een lager stroomverbruik: zo simpel is het. Bovendien is een batterij van lithium-zwavel aan het eind van zijn levensduur zeer goed te recycleren.” Een uitdaging schuilt in de energiedichtheid. “Het kan daarom nog wel enkele jaren duren eer deze technologie beschikbaar is voor personenwagens.” 

Maar er leiden meer wegen naar Rome, zo houdt Andreas Hintennach de verzamelde pers voor. Ergens tussen 2025 en 2030 zal de oplaadbare alkalinebatterij rijp zijn voor marktintroductie. Tot op heden is dit type stroombron er slechts in wegwerpversie voor thuisgebruik. Het basismateriaal is mangaan, dat bekendstaat als milieuvriendelijk en makkelijk in gebruik. Als veelbelovend taxeert de chemicus ook de toepassing van siliciumanodes in lithium-ionbatterijen. Ten opzichte van de huidige grafietanodes vergroten ze de energiedichtheid met 20 tot 25 procent. Het materiaal wordt al toegepast, zoals in de draadloze AirPods van Apple. “Dit soort devices op consumentniveau is technisch eenvoudig en hoeft geen vijftien jaar mee te gaan. In de voertuigindustrie zijn de eisen qua levensduur veel strenger. Daarom hebben we meer ontwikkeltijd nodig.” 

Zuurstof en organisch 

Een stuk verderop langs deze ontwikkelingsroute, tien tot vijftien jaar, bevindt zich lithium-zuurstof als bron voor elektrische aandrijving. Gedaan met nikkel en kobalt. Via een opening in de batterij wordt zuurstof uit de buitenlucht gehaald. Die reageert vervolgens met het lithium. In de basis is de werking vergelijkbaar met de waterstofbrandstofcel, maar belangrijk voordeel is dat het lithium-zuurstofsysteem oplaadbaar is. Op dit moment is de techniek niet breed toepasbaar, omdat de levensduur te beperkt en snelladen nog niet mogelijk is. “We hebben diepere kennis nodig van de onderliggende chemische processen om zicht te krijgen op een commerciële toepassing.” 

“Ik zie zeker nog 20 procent rek voor de ontwikkeling van lithium-ionbatterijen.” 

De horizon van Andreas Hintennach reikt echter nóg verder: over vijftien tot twintig jaar debuteert mogelijk de organische of composteerbare batterij. Opgebouwd uit agrarisch afvalmateriaal, met name fruitvezel. Aan het eind van hun leven zijn ze volledig te composteren, waarmee idealiter sprake zou zijn van een circulair model. “Er is al een prototype op laboratoriumniveau, maar dat is nog niet geschikt voor gebruik in een voertuig. Ik zie echter veel potentieel.” Vergelijkbare woorden klinken bij de term grafeen, een uitstekende thermische en elektrische geleider in opkomst. Met dank aan carbonatomen zou een smartphonebatterij binnen een kwartier op te laden zijn. De verleiding is groot om die lijn lineair door te trekken naar snelladen van een autobatterij, maar dat lijkt vooralsnog kort door de bocht.

Solid-state 

Ook aan de vastestofbatterij die Mercedes-Benz op proef wil toepassen in zijn stadsbus eCitaro, hangt een jaartal voorbij 2025. Deze techniek is goed voor een lange levensduur en bevat geen kobalt, nikkel of mangaan. Maar de lage energiedichtheid maakt het systeem op dit moment relatief omvangrijk, langzaam op te laden en beperkt qua actieradius. Solid-state is daarom een kansrijke oplossing voor lichte bedrijfsvoertuigen, maar vooralsnog niet voor personenwagens. Fundamenteel onderzoek is volgens Andreas Hintennach dan ook nog vereist: “Denk maar aan de extreem dunne, onberispelijke glaskeramische lagen die nodig zijn. Qua procestechniek is dat te doen, weliswaar handmatig. Maar voor snelle, goedkope en kwalitatieve productie schieten alle solid-state geleiders nog tekort.”

Een lithium-ionbatterij. Op weg naar volledig klimaatneutrale mobiliteit in 2039 betrekt Mercedes-Benz voortaan zijn batterijcellen van CO2-neutrale toeleveranciers.

In de verschillende Daimler-laboratoria wordt gewerkt aan alternatieven voor het prijzige metaal nikkel. Hier speelt eveneens het aspect duurzaamheid een rol, want hoe geringer de materialenmix, des te makkelijker en efficiënter de recyclage. Hintennach heeft namelijk ook oog voor de andere zijde van R&D: het moment waarop de batterij zijn levenseinde heeft bereikt. Hergebruik van grondstoffen dient zowel het milieu als de productie, aangezien Europa slechts beperkt beschikt over primaire bronnen. Over acht tot tien jaar komt een aanzienlijk aantal EV-batterijen beschikbaar voor recyclage. Daarbij zullen met name kobalt, nikkel, koper en later ook silicium worden gerecycleerd. “We zijn al zeer goed voorbereid om secundaire grondstoffen terug te brengen in de productiecyclus. Maar we doen er natuurlijk eerst alles aan om te zorgen dat onze batterijen zo lang mogelijk meegaan.” 

Voor- en nadelen 

Na de reeks doorkijkjes naar innovatieve opslagtechnologie dringt zich de vraag op hoe lang de lithium-ionbatterij nog onder ons zal zijn. Het antwoord luidt: lang. “Er is voorlopig niet één vervangende technologie. Eerder in onze bijeenkomst gaf ik al aan welk enorm ontwikkelpotentieel deze techniek nog heeft. Daarnaast verschillen alternatieve oplossingen als vaste elektrolyten, lithium-metaalanoden of lithium-zwavel sterk qua materiaalvereisten, toepassingen en doorontwikkeling. Elke technologie heeft haar voor- en nadelen, net als onze voertuigen zelf. In een Smart EQ draait het veeleer om snel bijladen in een stedelijke omgeving dan om een groot rijbereik. Het zal dus nog even duren voordat we met betrekking tot ons hele personenwagengamma kunnen zeggen: ‘Dit is dé technologie waarvoor we nu moeten kiezen’.” 

Tijdens het afsluitende Q&A-rondje klinkt de vraag hoe ver het toekomstige batterijpakket in een personenwagen kan reiken. Ligt de magische grens van duizend kilometer rijbereik in het verschiet? Ook hier zijn volgens de Daimler-expert eenduidige antwoorden niet te geven. Technisch is zo’n 1K-range mogelijk, bijvoorbeeld met cellen van lithium-zwavel. Toch is dat voor het grootste deel van de voertuigmarkt niet de oplossing, vanwege niet inpasbaar, te traag om op te laden en niet betaalbaar. “Welke kant het ook opgaat in batterijland, samenwerking is van groot belang”, benadrukt Andreas Hintennach. “Elke oplossing is het resultaat van wereldwijd teamwerk, met sterke industriepartners en onderzoeksinstituten. Niemand legt deze zoektocht naar de heilige graal af in zijn eentje.”

Digitale hersens

De batterij van een elektrische auto bevat meerdere honderden cellen, die technisch vergelijkbaar zijn met die in onze smartphone. Alleen doet die het vaak met slechts één cel. Het batterijmanagementsysteem in het voertuig waakt als een goed huisvader over al die honderden cellen. Het kalibreert elke afzonderlijke cel op het gewenste voltage. Zijn digitale hersenen bevatten dubbel zoveel programmeercodes als in de besturingssystemen Windows of iOS en drie tot vijf keer de rekencapaciteit van de beste pc.

Brussel remt de datahongerHödlmayr Logistics Belgium…
REACTIES

Schrijf een reactie of commentaar

Meest recente nieuws top 5

Meest gelezen afgelopen maand

Laatste reacties