Batterijtechnologieën hebben grote sprongen voorwaarts gemaakt in prijs en prestaties, maar blijven een evenwichtsoefening tussen voordelen en nadelen. En de echte knelpunten duiken vaak op waar je ze het minst verwacht.

De perfecte batterij bestaat niet. Capaciteit, energiedichtheid, gewicht, veiligheid, kostprijs, laadcycli en laadsnelheid: het blijft telkens een kwestie van afweging. Tot dusver heeft de lithium-ionbatterij de standaard gezet. Daarbij bewegen lithiumionen tijdens het ontladen van de anode (negatieve elektrode) naar de kathode (positieve elektrode), en omgekeerd bij het laden. De anode levert de elektronen, de kathode slaat ze op.

Dominante technologieën

Binnen het transportsegment domineren momenteel drie belangrijke kathodeformules (+): nikkel-mangaan-kobalt (NMC), nikkel-kobalt-aluminium (NCA) en lithium-ijzerfosfaat (LFP). Aan anodezijde (-) wint lithiumtitanaat (LTO) wel aan belangstelling, maar de meest verspreide technologie blijft gebaseerd op grafiet. Dat is toevallig ook het specialisatiedomein van Nathalie Job, elektrochemisch onderzoekster aan de Universiteit van Luik.

Volgens haar draait het in het wegtransport vooral om twee zaken: het vermogen en de autonomie van de batterij: “Twee eigenschappen die niet noodzakelijk hand in hand gaan. Autonomie hangt af van het aantal lithiumionen dat je in en uit de batterij kan laten stromen. Vermogen daarentegen is verbonden aan de stroomsterkte die je kan leveren, dus aan de snelheid van de ionenuitwisseling én aan de spanning van de batterij.”

Die spanning hangt af van de keuze van het elektrodenkoppel. Wie vermogen wil, kiest best voor het koppel NMC-grafiet, waarbij het potentiaalverschil tussen de elektrodes ongeveer 4 volt bedraagt. “Maar als je het grafiet aan de negatieve pool vervangt door lithiumtitanaat (LTO), hou je nog maar 2 volt over. NMC-grafiettechnologie vereist bovendien elektrolyten die bestand zijn tegen hoge spanningen – en die zijn brandbaar. Omgekeerd is de combinatie LFP-LTO veel stabieler en dus minder gevaarlijk.”

Het dilemma: snelheid versus kostprijs

Wat betreft laadsnelheid en levensduur van een batterij – met andere woorden: het aantal laad-ontlaadcycli dat ze aankan – speelt de chemie een cruciale rol. Zo laden LFP-kathodes, hoewel ze zeer stabiel en veilig zijn, trager dan kathodes op basis van nikkel of kobalt. En zelfs binnen eenzelfde chemie kan te snel laden de materiaalstructuur aantasten, zoals bij grafiet, wat de levensduur van de batterij verkort.

Wanneer de Chinese fabrikant BYD een ultrasnelle laadtijd aankondigt – niet langer dan een traditionele tankbeurt – heeft hij hoogstwaarschijnlijk niet alleen aan de lader zelf gewerkt. Hij zal ook de configuratie van de batterij hebben aangepast, vermoedelijk door het koelsysteem te optimaliseren. Zo kan sneller worden geladen zonder de batterij te beschadigen, en zonder grote temperatuurverschillen binnenin. Want net die temperatuurgradiënten veroorzaken vroegtijdige slijtage van de batterij.

Hoewel de kostprijs van batterijen in tien jaar tijd sterk is gedaald, blijven NMC- en NCA-batterijen beduidend duurder door hun metaalrijke samenstelling. LFP-technologie is niet alleen veiliger, maar ook veel goedkoper omdat er geen kobalt in zit. Toch wijst Nathalie Job op een paradox: gezien de lage marktwaarde van materialen zoals ijzer en fosfaat, “is de recyclageketen van LFP economisch nauwelijks rendabel, en kost het terugwinnen van lithium zelfs meer dan het ontginnen ervan in Bolivia. Hoe dan ook blijven lithium en kobalt de meest kritieke materialen voor de huidige generatie batterijen”, benadrukt Nathalie Job.

Er wordt minder over gesproken, maar ook koper is een probleem, vooral door de stijgende vraag vanuit de wapenindustrie. Nikkel begint eveneens een knelpunt te worden, net als grafiet, waarop grote druk staat vanwege het natuurlijke tekort. De grafietvoorraden worden onder meer ontgonnen in Canada, en mogelijk ook in Oekraïne…

Vooruitzichten

Nu de technologieën NMC, NCA en LFP stilaan hun limieten bereiken, ligt een mogelijke verbetering bij de anode. Door een deel van het grafiet te vervangen door silicium, stijgt de opslagcapaciteit aanzienlijk — en dus ook de energiedichtheid per volume-eenheid. Dat zou naar verluidt het geval zijn bij de batterijen van BYD.

Om de kosten te drukken en de afhankelijkheid van schaarse materialen te verminderen, richt het onderzoek zich momenteel op alternatieve elektrolyten: lithium-lucht, natrium, kalium en andere. Maar telkens botst men op een tragere ionenmobiliteit, wat leidt tot een gebrek aan vermogen. Dat geldt ook voor vaste elektrolyten – meestal op basis van lithiumzouten, oxiden of sulfiden. Die bieden weliswaar reëel potentieel op het vlak van veiligheid, energiedichtheid en levensduur, maar bevinden zich nog volop in de ontwikkelingsfase. Op korte termijn zal je ze dus niet in een vrachtwagen tegenkomen.