Het inside-verhaal van EV-batterijen: demystificatie van NCM, NCA, LFP en solid-state chemie

De belangrijkste reden dat elektrische voertuigen de transportlast niet volledig hebben overgenomen, is het technologieniveau van hun hoogspanningsbatterijen. Ook al zijn er de afgelopen tien jaar enorme vorderingen gemaakt op dit gebied, de energie-inhoud van batterijen komt bij lange na niet in de buurt van de energie-inhoud van vloeibare brandstoffen. De heilige graal van auto-onderzoek is een batterij met een aanzienlijk hogere energiedichtheid dan wat momenteel beschikbaar is. Daarom hebben we besloten een overzicht te geven van de huidige en de veelbelovende toekomstige batterijtechnologieën, zodat we u op de hoogte kunnen houden.

Technologieën die momenteel in gebruik zijn

Lithiumion - NCM en NCA-kathode

Lithium-ionbatterijen gaan ongeveer 30 jaar terug, toen Sony deze introduceerde in een commercieel apparaat: de Sony CCD-TR1-camcorder. Hoe werkt een lithium-ionbatterij? Kort gezegd reizen lithiumionen heen en weer van anode naar kathode. Tijdens de ontlading stuurt de anode lithiumionen naar de kathode. De lithiumionen reizen door vloeibare elektrolyten, terwijl elektronen door het externe circuit reizen en recombineren in de kathode van de cel. Tijdens het opladen gebeurt het tegenovergestelde.

Tegenwoordig worden de lithium-ion-hoogspanningsbatterijen NCM en NCA vrijwel uitsluitend in elektrische voertuigen gebruikt. N staat voor Nikkel, C voor Kobalt, M voor Mangaan en A voor aluminium. Afhankelijk van het percentage van deze materialen in de kathode van de batterij worden verschillende kenmerken bereikt. Een NCM 712-batterij betekent bijvoorbeeld dat deze uit 70% nikkel, 10% kobalt en 20% mangaan bestaat. Over het algemeen geldt dat hoe hoger het nikkelpercentage in de batterij, hoe hoger de energiedichtheid die de batterij kan bieden, met een diepgaand positief effect op het gewicht en de afmetingen van het batterijpakket.

Vanwege de schaarste aan kobalt in de aardkorst en de twijfelachtige mijnbouwethiek (kinderarbeid) proberen batterijfabrikanten chemicaliën te gebruiken met een lager percentage van het materiaal of volledige uitsluiting ervan. De combinatie van een kathode met een hoog nikkelgehalte, een cel-tot-pakket-opstelling en silicium in de anode kan de energiedichtheid tot 325 Wh/kg brengen. We zouden kunnen zeggen dat dit type batterij zijn technologische grenzen nadert.

Lithiumion - LFP-kathode

Een ander alternatief voor de kathode van de Li-ion batterijen is het gebruik van Lithium-ijzerfosfaat. Hoewel de prestaties van dit type batterij over het algemeen lager zijn dan die van het NMC-type, wordt er door sommige fabrikanten de voorkeur aan gegeven vanwege de langere levensduur en de goedkopere en meer gebruikelijke materialen die worden gebruikt. De specifieke energiedichtheid is hier lager vanwege twee belangrijke factoren.

Ten eerste omdat de maximale spanning lager is, betekent dit dat we voor dezelfde capaciteit minder kWh krijgen en ten tweede omdat de lithiumionen in één ruimtelijke dimensie bewegen (in plaats van twee in NMC-batterijen). Het feit dat lithiumionen zich slechts in één ruimtelijke dimensie verplaatsen, betekent dat het maximale ontladingsvermogen van de batterij ook lager is. Daarom wordt dit soort batterij niet geschikt geacht voor toepassingen met hoge prestaties.

Dit is de reden waarom Tesla dit soort batterijchemie alleen gebruikt voor de basisversie van Model 3. Dit soort batterij heeft echter twee grote voordelen. De levensduur wordt als hoger beschouwd dan die van andere Li-ion-types en niet alleen is het geen probleem om hem tot 100% op te laden, het is zelfs een sterke aanbeveling voor deze batterijen.

Mogelijke toekomstige technologieën

Lithium-lucht

Lithium-luchtbatterijen zijn momenteel vooral een technologisch project en worden momenteel onderzocht, maar dit type batterij lijkt het meest veelbelovend van allemaal en biedt een specifiek energievermogen dat vergelijkbaar is met de vloeibare brandstoffen met 11,4 kWh/kg. Het lithium bevindt zich in de anode, terwijl er lucht in de kathode zit en deze twee worden gescheiden door elektrolyt. Tijdens het ontladen reizen lithiumionen van de anode naar de kathode waar lucht aanwezig is en reageren met de zuurstof.

Helaas verhinderen hoge temperaturen tijdens het opladen een snel opladen van de batterij, terwijl de vorming van dendrieten tijdens het proces de levensduur van de batterij aanzienlijk verkort, waardoor het gebruik ervan momenteel beperkt wordt tot de laboratoriumomgeving. Als de technologische uitdagingen worden overwonnen en de kosten redelijk zijn, zullen de ICE-voertuigen van de ene op de andere dag verouderd zijn.

Solid State

Het wordt beschouwd als de heilige graal van de autobatterijen en er wordt momenteel uitgebreid onderzoek gedaan door alle reuzen van de auto-industrie. De huidige conventionele lithium-ionbatterijen gebruiken vloeibare elektrolyten en een separator om de anode van de kathode te scheiden. In de solid state batterij worden de vloeibare elektrolyt en de separator vervangen door een vaste elektrolyt.

Onderzoekers evalueren momenteel een reeks opties voor de vaste elektrolyt, waaronder zowel metallische als keramische stoffen. Hoewel er momenteel geen elektrische voertuigen zijn die deze batterijtechnologie gebruiken, zullen de eerste productiemodellen naar verwachting binnen de komende twee tot drie jaar op de markt komen. Er wordt voorspeld dat deze batterij een specifieke energiedichtheid zal bieden die twee keer zo groot is als die van traditionele Li-ion-batterijen met vloeibare elektrolyten, terwijl ze een levensduur van 1000 cycli zullen behouden, hoewel deze schattingen mogelijk kunnen verbeteren naarmate de ontwikkeling vordert.