Een GlobalData-gids voor concurrerende EV-aandrijftechnologieën
Batterijen zijn de olievaten van de 21e eeuw
In het afgelopen decennium is de batterij-industrie voldoende gevorderd om draagbare consumentenelektronica, mobiel internet, de eerste elektrische auto's en de eerste adoptie van intermitterende opslag en opwekking van hernieuwbare energie mogelijk te maken. Gezien de versnellende en groeiende rol van opgeslagen energie in de aanpak van klimaatverandering, zal het de komende tien jaar een van de belangrijkste industrieën ter wereld worden.
Zijn er voldoende batterijen?
Nu overheden wereldwijd serieus werk maken van het koolstofvrij maken van hun economie, zal de vraag naar goedkope, veilige, hoogwaardige, duurzame en koolstofarme batterijen toenemen. Dit geldt met name voor de auto-industrie.
Bijgevolg zullen knelpunten in de toeleveringsketen zich in het komende decennium materialiseren. Het gebrek aan goedkope, eenvoudig te zuiveren grondstoffen om de bestaande en geplande batterij-gigafabrieken van de wereld te voeden, is de grootste bedreiging voor de leveringszekerheid. Bovendien zal de daling van de investeringen in cruciale minerale mijnen – in combinatie met het toenemende belang van milieu-, sociale en bestuursfactoren (ESG) – de ontwikkeling van nieuwe capaciteit beperken.
Er zal waarschijnlijk een ernstig maar tijdelijk wereldwijd batterijtekort zijn tegen 2025 vanwege een sterke toename van de vraag naar elektrische voertuigen (EV's) en een tekort aan gedolven en geraffineerde batterijmetalen. De industrie investeert echter fors om te voorkomen dat dit een aanhoudende bedreiging wordt door het gebruik van schaarse materialen te verminderen, nieuwe materialen en batterijtechnologieën te ontwikkelen en, het allerbelangrijkst, een wereldwijde batterijrecyclingindustrie te creëren.
Ondertussen is China's controle over de gehele wereldwijde toeleveringsketen, van mijnen en raffinaderijen tot componentmarkers en celproducenten, een groeiend geopolitiek probleem. De VS en Europa nemen belangrijke stappen om de afhankelijkheid van China binnen hun batterijtoeleveringsketens tegen 2030 te verminderen. Batterijrecycling gaat net zo goed over geopolitiek als over ecologische duurzaamheid. De circulaire batterij-economie zal cruciaal zijn voor de energietransitie en landen (en bedrijven) moeten binnenlandse recycling ontwikkelen naarmate de volumes van elektrische voertuigen en afgedankte volumes sterk toenemen.
De chemie – enkele basisprincipes
Batterijtechnologieën omvatten vele chemische samenstellingen, verschillende celtypen en alternatieve technologieën.
Een batterij is een container die bestaat uit een of meer elektrochemische cellen waarin chemische energie wordt omgezet in elektriciteit. Ze worden gebruikt als een bron van energie. Batterijen zijn cruciale facilitators van veel andere technologieën. Ze zijn integraal onderdeel van moderne mobiele levensstijlen en de massaproductie van elektrische voertuigen (EV's). Batterij- en energieopslagtechnologieën zullen fundamenteel zijn in de transitie naar hernieuwbare energie.
Er zijn twee soorten batterijcellen: primaire cellen en secundaire cellen.
- Primaire cellen produceren een elektrische stroom door een onomkeerbare chemische reactie en worden wegwerpbatterijen genoemd.
- Secundaire cellen creëren deze elektrische stroom door een omkeerbare chemische reactie. Deze worden vaak oplaadbare batterijen of opslagcellen genoemd.
Een brandstofcel is een andere energiebron, maar het is geen batterij. Batterijen creëren energie met behulp van de chemicaliën die er al in zitten. Een brandstofcel daarentegen gebruikt een continue, externe brandstoftoevoer die erdoorheen stroomt als bron van chemicaliën voor elektriciteitsopwekking. Brandstofcellen zijn gebruikt in onbemande ruimtesondes, auto's en voor noodstroom. De gebruikte brandstoffen, meestal waterstof, worden echter als te gevaarlijk beschouwd voor dagelijks gebruik.
Batterijen zetten chemische energie om in elektrische energie
Batterijen slaan chemische energie op en zetten deze om in elektrische energie door een elektrochemische reactie. Ze bestaan uit drie hoofdcomponenten: een positieve elektrode (kathode), een negatieve elektrode (anode) en een elektrolyt. De twee elektroden zijn gemaakt van verschillende materialen. De elektroden worden van elkaar gescheiden door een separator, die semi-permeabel is voor bepaalde chemische soorten, en de batterij is ondergebracht in een behuizing.
Wanneer een batterij wordt aangesloten op een elektrisch circuit, vindt er een elektrochemische reactie plaats. Elektronen stromen van de anode, door de draad om een aangesloten apparaat van stroom te voorzien, en naar de kathode.
Elke batterijcel bevat een beperkte hoeveelheid reactief materiaal. Uiteindelijk zullen de elektrochemische processen in de batterij stoppen met het leveren van elektronen aan de negatieve elektrode, en zal er geen elektriciteit meer stromen. Om deze reden is het beschikbare vermogen in een batterij beperkt.
Opladen
Secundaire batterijen kunnen worden opgeladen met behulp van een externe bron, zoals zonnepanelen, windturbines, autoremmen of netstroom. Tijdens het opladen vinden de elektrochemische reacties omgekeerd plaats, waardoor de cel en de componenten ervan bijna in hun oorspronkelijke staat worden hersteld. Echter, verschijnselen zoals batterijverharding en dendrietvorming voorkomen dat batterijen oneindig vaak worden opgeladen. Dendrieten kunnen leiden tot gevaarlijke kortsluiting, hoewel keramische scheiders worden ontwikkeld om dit probleem te helpen verlichten.
Lithium-ion (Li-ion) is de dominante batterijtechnologie voor verbonden apparaten (bijv. laptops en smartphones), elektrische voertuigen (EV's) en opslag van hernieuwbare energie in huis. In al deze use cases is veiligheid van het grootste belang. Li-ion wint op deze gebieden vanwege de veiligheid. Naarmate de vraag naar kleinere, krachtigere batterijen met langere levenscycli groeit, proberen onderzoekers actief de problemen van kortsluiting en oververhitting op te lossen, wat kan leiden tot gevaarlijke branden en explosies.
Li-ioncellen slaan meer energie op voor een bepaald gewicht (energiedichtheid)
Li-ioncellen kunnen meer energie opslaan voor een bepaald gewicht en volume dan loodzuur- of NiMH-batterijen en zorgen voor sneller opladen en ontladen. Deze eigenschappen maken ze ideaal voor energieopslag voor elektrische voertuigen, waar een grote energiedichtheid in een lichtgewicht pakket essentieel is.
Lithium-ijzerfosfaat (LFP) batterijen zijn een ander type batterij dat wordt gebruikt in de draagbare elektronica van vandaag. LFP's hebben een lagere energiedichtheid dan Li-ion batterijen, dus de laatste is de typische go-to voor energieverslindende elektronica die batterijen snel leegtrekken. LFP's kunnen echter hoge temperaturen weerstaan met minimale degradatie en zijn geschikt voor objecten die langere tijd moeten werken voordat ze worden opgeladen. Bovendien hebben LFP batterijen doorgaans meer levenscycli dan Li-ion batterijen. Dat wil zeggen dat ze vaker kunnen worden opgeladen en ontladen. Een van de grootste voordelen van LFP's ten opzichte van Li-ion batterijen is waarschijnlijk veiligheid. Verbeterde thermische en chemische stabiliteit betekent dat LFP's koel blijven bij hoge temperaturen en onbrandbaar zijn (vliegen niet in brand) bij verkeerde behandeling tijdens snel opladen of ontladen, of tijdens kortsluiting.
Er worden ook geavanceerde batterijchemieën ontwikkeld die voordelen kunnen bieden ten opzichte van commercieel verkrijgbare batterijen.
Prestatievoordelen zijn onder andere een lichter gewicht, hogere energiedichtheid, bredere temperatuurtolerantie, langere levenscyclus en verbeterde veiligheid. De vloeibare elektrolyt in Li-ion-batterijen kan bijvoorbeeld ongelooflijk vluchtig worden als deze wordt blootgesteld aan buitenlucht, zoals tijdens een crash of een storing in de celstructuur. Branden in lithiumbatterijen zijn bijzonder heftig en moeilijk te blussen, en moeten vaak meerdere dagen volledig in water worden ondergedompeld om volledig inert te worden. Er is geen bewijs dat suggereert dat EV-branden vaker voorkomen dan branden in verbrandingsvoertuigen - ze zijn statistisch gezien zelfs minder waarschijnlijk.
EV-makers moeten het publiek er echter nog steeds van overtuigen dat hun voertuigen veilig zijn. De rampzalige lancering van de Galaxy Note 7 door Samsung, een smartphone die geplaagd werd door Li-ion-batterijbranden, bracht de potentiële gevaren van deze batterijchemie onder de aandacht van het publiek – een fout die EV-makers niet willen herhalen.
Vaste-stofbatterijen zijn de op één na meest levensvatbare optie
Vaste-stofcellen gebruiken over het algemeen dezelfde op lithium-ionen gebaseerde chemische reactie om energie op te slaan en af te voeren als conventionele cellen. Het verschil zit in de elektrolyt die wordt gebruikt om de anode en kathode te scheiden. Conventionele cellen gebruiken een op vloeistof gebaseerde elektrolyt – meestal een lithiumzout gesuspendeerd in een organisch oplosmiddel – terwijl vaste-stofcellen dat vervangen door een flinterdunne vaste elektrolyt, meestal gemaakt van keramiek, polymeer of glas.
Het verwijderen van de vloeibare elektrolyt brengt veel potentiële voordelen met zich mee. Solid-state cellen zijn lichter en compacter dan hun op vloeistof gebaseerde tegenhangers, wat betekent dat het gewicht van de verpakking kan worden verminderd of de energiecapaciteit kan worden vergroot. Ze zouden beter bestand moeten zijn tegen de vorming van lithiumdendriet, wat de ontladingsprestaties zal verbeteren en de potentiële laadsnelheden zal verhogen, samen met het verlengen van de levensduur van het batterijpakket. Bovendien zouden ze, zodra massaproductie is bereikt, gemakkelijker en sneller te maken moeten zijn dan conventionele Li-ion cellen dankzij het verwijderen van industriële oplosmiddelen.
Er zijn nog meer uitgesproken voordelen die solid-state cellen bieden op het gebied van batterijveiligheid. Branden die worden veroorzaakt door defecte of beschadigde lithium-ioncellen zijn breed uitgemeten (bijvoorbeeld Chevrolet Bolt en zijn LG-batterijen). In veel gevallen ontstaan deze branden doordat interne storingen of externe schade ervoor hebben gezorgd dat de vluchtige lithium-elektrolyt is blootgesteld aan de buitenlucht, waardoor deze ontbrandt en een kettingreactie in gang wordt gezet die de hele batterij kan vernietigen. Vaste elektrolyten omzeilen deze problemen volledig en zijn zeer bestand tegen brand en explosie, zelfs als ze worden doorboord of geraakt.
Hoewel ze veel theoretische voordelen bieden, heeft nog geen enkel bedrijf aangetoond dat het in staat is om solid-state cellen voor lichte voertuigen massaal te produceren, waarbij de meeste nog in de bench-testfase zitten. Er zijn nog steeds een aantal problemen die opgelost moeten worden, waaronder het ontwerpen van de vaste elektrolyt en elektroden op zo'n manier dat ze gelijkmatig over hun hele oppervlak aansluiten, omdat kromtrekken gaten kan creëren die de efficiëntie van de cel beperken. Bovendien is aangetoond dat de stabiliteit van het materiaal een probleem is, waarbij de broosheid van de elektrolyt leidt tot microscopische breuken die de celprestaties beperken.
Blue Solutions, een dochteronderneming van het Franse Bolloré, heeft een contract gewonnen om zijn solid-state cellen te leveren voor Daimler's eCitaro G gelede stadsbus – de eerste geregistreerde commerciële leveringsovereenkomst voor de technologie. Het optionele solid-state pakket moet echter opzettelijk worden verwarmd tot een relatief hoge bedrijfstemperatuur van tussen de 50C en 80C – wat een deel van het bereik wegneemt en het ongeschikt maakt voor gebruik in lichte voertuigen met hun onvoorspelbare gebruikspatronen.
Brandstofcellen (waterstof) – een langetermijninvestering
Elektrische voertuigen met brandstofcellen (FCEV's) genereren stroom aan boord door brandstof te oxideren - meestal waterstof - via een brandstofcelmembraan, waarbij de enige uitstoot water is. Deze stroom kan rechtstreeks naar de elektromotor worden gestuurd of worden opgeslagen in een aparte batterij voor later gebruik. FCEV's kunnen snel worden 'bijgetankt' op dezelfde manier als verbrandingsvoertuigen door de tank te vullen met waterstof, waardoor de lange oplaadperiode die nodig is voor BEV's wordt geëlimineerd. De drang naar waterstof wordt ook gedeeltelijk gedreven door de potentiële rol ervan als onderdeel van een circulaire energie-economie. Hier wordt hernieuwbare wind- of waterkrachtenergie gebruikt om waterstof uit zeewater te kraken. De waterstof fungeert vervolgens als opslag voor de dalurenenergie die door die bronnen wordt gegenereerd.
Hoewel FCEV's veel potentiële voordelen hebben, moet de technologie worden verfijnd voordat deze kan concurreren met BEV's. De kosten voor het genereren van waterstof zijn momenteel hoger dan de kosten voor het produceren van benzine, waardoor het bijvullen duur is. Bovendien moet de infrastructuur ter ondersteuning van FCEV's nog worden gebouwd, terwijl de oplaadnetwerken voor elektrische voertuigen al snel groeien.
FCEV's zijn mogelijk het meest waardevol voor zware en commerciële voertuigen. Accu's zijn zwaar en daarom niet geschikt voor langeafstandstrucks, omdat het gewicht van de benodigde accu's te veel potentiële draagkracht zou opslokken. De voorspelbare routes die langeafstandstrucks nemen, vereisen ook minder waterstoftankstations om effectief te kunnen functioneren.
In essentie worden FCEV's in de industrie gezien als een waarschijnlijke reisrichting voor transport op de lange termijn - met hun toepassingen waarschijnlijk aanvankelijk in zware bedrijfsvoertuigen naast gesloten-lus laadstationnetwerken.
Bron van Gewoon auto
Disclaimer: De hierboven vermelde informatie wordt door just-auto.com onafhankelijk van Chovm.com verstrekt. Chovm.com geeft geen verklaringen en garanties met betrekking tot de kwaliteit en betrouwbaarheid van de verkoper en producten.
