Toekomstige accusystemen: een reis van lithium-ion naar nieuwe technologieën

Het accusysteem is misschien wel het belangrijkste onderdeel van accu-elektrische voertuigen. Naast het verkrijgen van de hoogst mogelijke energiedichtheid spelen aspecten als veiligheid, gewicht en duurzaamheid een cruciale rol. Prof. dr. dr. Andreas Hintennach leidt het onderzoek naar accucellen bij Daimler. Hij legt de basisprincipes van de huidige lithium-ion-cellen uit en schetst welke technologieën mogelijk een rol kunnen gaan spelen in de toekomst.

Het accusysteem is een belangrijk onderdeel van elektromobiliteit. Bij Daimler houden experts uit verschillende disciplines zich dagelijks bezig met alle aspecten van deze opslagtechnologie, van vooronderzoek tot productierijpheid. De eisen zijn complex en variëren afhankelijk van de toepassing. Dit komt omdat 48-volt mild hybrids, plug-in hybrids en puur elektrische aandrijvingen een verschillende ontwikkelingsfocus vereisen. Om met betrekking tot dit veelbesproken thema het overzicht te behouden, sprak Andreas Hintennach in een digitaal rondetafelgesprek met journalisten over de technische principes en de ontwikkelings- en onderzoeksdoelstellingen van Daimler.

Professor Hintennach, u houdt zich bezig met R&D-werkzaamheden met betrekking tot accutechnologie – ‘hot topic’ op het gebied van elektromobiliteit. Hoe pakt Mercedes-Benz dit thema aan?

Accutechnologie is een belangrijk onderdeel van elektromobiliteit en het is geen kant-en-klaar product, maar een integraal onderdeel van de voertuigarchitectuur. Daarom houden we ons bezig met alle fasen, van vooronderzoek tot productierijpheid. Onze activiteiten omvatten de continue optimalisatie van de huidige generatie lithium-ion-accusystemen, de doorontwikkeling van de op de wereldmarkt beschikbare cellen en het onderzoek naar de volgende generatie accusystemen. Maar natuurlijk komen er meer aspecten kijken bij accu’s voor elektrovoertuigen. We werken ook aan het accumanagementsysteem, een complexe computer die je altijd kunt verbeteren. Ook het thermisch beheer is een belangrijk thema. Dat is bepalend voor de levensduur en ook voor de prestaties van het accupakket. Er is veel kennis van deze technologieën nodig om de juiste beslissingen te kunnen nemen.

Waar ligt uw focus op dit moment?

Terwijl ons nieuwe EQC-model nog wordt geïntroduceerd, effenen we alweer de weg voor de volgende generaties krachtige elektrovoertuigen. Lithium-ion-accu’s zijn het meest voorkomende accutype dat op het moment wordt gebruikt in elektronica en elektrovoertuigen. De komende jaren zal deze technologie een belangrijke rol blijven spelen – maar er komt nog meer. Op het gebied van R&D hanteren we een aantal specifieke uitgangspunten. We zetten consequent stappen richting innovatie en werken aan alternatieven die betere prestaties leveren dan lithium-ion wat betreft energiedichtheid en laadtijd maar ook duurzaamheid. Zo zijn we bijvoorbeeld een duurzaamheidspartnership aangegaan met Farasis Energy (Ganzhou) Co., Ltd. voor een totaalaanpak in de gehele waardeketen: een deel van de accucellen voor de volgende voertuiggeneratie van ons product- en technologiemerk EQ wordt al geproduceerd met 100 procent elektriciteit uit hernieuwbare energie. Zowel onze competentie voor de technologische beoordeling van materialen en cellen als onze R&D-activiteiten worden constant uitgebreid.

Het gaat dus niet alleen om het verhogen van het aantal kWh van een accupakket?

De energiecapaciteit is natuurlijk belangrijk. Maar er is meer: veiligheid is voor ons een zeer doorslaggevende factor. Materiaalgerelateerde veranderingen zouden het mogelijk kunnen maken om een hogere capaciteit te verkrijgen, maar dan wel met compromissen op veiligheidsgebied. Voor ons is dit zeker niet aan de orde. Een Mercedes-Benz moet de maatstaf zijn op veiligheidsgebied en dat geldt ook voor het accupakket. Een van onze uitgangspunten bij de ontwikkeling is ook flexibiliteit: bij Daimler zijn er veel toepassingen voor accupakketten, van smart en Mercedes-Benz personen- en bestelwagens tot bussen en zware trucks – en tot slot van 48-volt mild hybrids tot plug-in hybrids en volledig elektrische voertuigen. En natuurlijk moeten de oplossingen die we bedenken duurzaam zijn.

Hoe belangrijk is duurzaamheid bij de ontwikkeling?

Duurzaamheid is het overkoepelende principe geworden voor elke ontwikkelingsactiviteit bij Daimler. Aangezien de productie van voertuigen uiteraard een grote hoeveelheid grondstoffen vereist, is een van onze ontwikkelingsspeerpunten het minimaliseren van de behoefte aan natuurlijke hulpbronnen, maar ook het verhogen van de transparantie. Tijdens de ontwikkeling maken we voor elk voertuigmodel een concept waarin alle componenten en materialen worden geanalyseerd op hun geschiktheid in de context van een circulaire economie. Wat accu’s betreft, wordt dit concept al gebruikt voor fundamenteel onderzoek waarbij kostbare materialen kunnen worden vervangen, geminimaliseerd of efficiënter worden gebruikt. Bovendien wordt al vanaf het begin rekening gehouden met de geschiktheid voor recycling. De accuproductie wordt dus onderdeel van een totaalaanpak – een gesloten kringloop, oftewel een circulaire economie.

Wat is de impact van elektrovoertuigen op het milieu? De productie van elektroauto’s is aantoonbaar vervuilender dan de productie van auto’s met verbrandingsmotor.

De productie van de verbrandingsmotor is de afgelopen 133 jaar gestaag verbeterd. De accu en overigens ook de brandstofcel beginnen momenteel daarentegen met hogere emissies vanwege de hogere energiebehoefte. Beide zijn echter aanzienlijk efficiënter tijdens het rijden. En dat betaalt zich uit op de lange termijn. Zelfs als ze niet worden geladen met behulp van CO₂-neutrale elektriciteit, genereren elektroauto’s tijdens hun levensduur ongeveer 40 procent minder uitstoot dan benzinevoertuigen, en 30 procent minder dan dieselvoertuigen. En in deze berekening wordt dan nog geen rekening gehouden met de doelstellingen die we voor 2039 hebben gesteld met betrekking tot de CO₂-reductie in de productie en de recycling van grondstoffen die in de toekomst in de productiecyclus zullen worden toegepast. Beide zullen de ecologische duurzaamheid van onze voertuigen verder vergroten en daarmee bijdragen aan onze ‘Ambition2039’. daarmee bijdragen aan onze “Ambition2039”. Vandaag de dag zijn onze voertuigen al voor 95 procent recyclebaar.

Hoelang duurt het nog voordat er een markt voor secundaire grondstoffen komt?

Over acht tot tien jaar zal er een aanzienlijk aantal voertuigaccu’s beschikbaar zijn voor recycling. Daarbij zullen met name kobalt, nikkel, koper en later ook silicium worden gerecycled. We zijn al zeer goed voorbereid en de processen zijn in gang gezet, evenals de mogelijkheden om secundaire grondstoffen terug te brengen in de productiecyclus. Dat doen we momenteel onder andere met onze testaccu’s. De totstandkoming van een goed functionerende Europese markt voor secundaire grondstoffen is van groot politiek belang, omdat Europa nauwelijks over primaire bronnen beschikt. Maar we doen natuurlijk alles wat we kunnen om ervoor te zorgen dat accu’s zo lang mogelijk meegaan.

Welke materialen worden in de accu gebruikt?

Bij de lithium-ion-technologie is de celstructuur altijd hetzelfde, of het nu gaat om een mobiele telefoon of een EV-accu. Er zijn altijd twee metalen platen, bijvoorbeeld koper en aluminium. Tussen de metalen platen zitten de twee polen met de kathode en de anode, waartussen de elektrische reactie plaatsvindt. Voor de reactie is een reactief metaal zoals lithium nodig. De grootste kostenpost is de samenstelling van de kathode, dat wil zeggen de positieve pool van de accu. Deze bestaat uit een mengsel van nikkel, mangaan en kobalt. De anode is gemaakt van grafietpoeder, lithium, elektrolyten en een separator.

En wat is de rol van het eerdergenoemde silicium?

Silicium gaat in de toekomst het grafietpoeder grotendeels vervangen. Hierdoor zal het mogelijk worden om de energiedichtheid van accu’s te verhogen naar ongeveer 20 tot 25 procent. Met behulp van silicium kunnen we materialen aan de kathodezijde gebruiken die niet compatibel zijn met het grafiet dat tegenwoordig wordt gebruikt. Stelt u zich twee glazen voor. Als u water van het ene glas in het andere wilt gieten, moet het tweede glas minstens even groot zijn, zodat het niet overloopt. Op dezelfde manier zouden de anode en de kathode in harmonie moeten zijn, wat we ‘balanceren’ noemen. Silicium wordt echter ook gebruikt om de laadsnelheid te verhogen.

Kobalt wordt vaak in verband gebracht met mensenrechtenschendingen en milieuschade als gevolg van de winning ervan, met name wanneer het afkomstig is uit Congo. Wat doet Daimler hieraan?

We hebben een aanpak ontwikkeld die ervoor moet zorgen dat onze leveranciers voldoen aan onze duurzaamheidseisen en onder andere meer transparantie in de toeleveringsketen creëren. Daartoe hebben we een extern auditbedrijf ingeschakeld om elke fase van de kobalt-leveringsketen in overeenstemming met de OESO-normen in kaart te brengen en te controleren. Elektromobiliteit is immers pas echt duurzaam als ook de grondstoffen onder duurzame omstandigheden worden gewonnen.

Een andere strategie is het vervangen van kobalt door andere, minder omstreden materialen...

Precies dat onderzoeken we. Bij de huidige generatie accucellen hebben we het aandeel kobalt in de actieve materialen (nikkel, mangaan, kobalt, lithium) al kunnen terugbrengen van ongeveer een derde naar minder dan 20 procent. In het laboratorium werken we momenteel met minder dan 10 procent en het aandeel zal in de toekomst nog verder dalen. Ook vanuit chemisch oogpunt zijn er veel argumenten te bedenken om volledig af te zien van kobalt. Hoe geringer de materialenmix, hoe gemakkelijker en efficiënter ook de recycling. Bovendien wordt de energie die nodig is voor de chemische productie verminderd omdat het mengsel gemakkelijker te produceren is.

Welke materialen zullen kobalt en andere materialen zoals lithium gaan vervangen?

Daarbij moet u denken aan materialen die voornamelijk gebaseerd zijn op mangaan, een grondstof die vanuit ecologisch oogpunt minder belastend is en gemakkelijker te verwerken. Er zijn al uitstekende recyclingvoorzieningen voor mangaan omdat het al tientallen jaren wordt gebruikt in alkaline-accu’s (niet-oplaadbare accu’s). De onderzoekers hebben als taak om dit soort accu’s oplaadbaar te maken. We verwachten dat de technologie in de tweede helft van dit decennium productierijp zal zijn. Een ander alternatief is de lithium-zwavel-accu. Zwavel is een industrieel afvalproduct dat erg goedkoop en zeer zuiver is en dat gemakkelijk kan worden gerecycled. Het brengt aanzienlijke uitdagingen met zich mee met betrekking tot de energiedichtheid, maar het heeft ook een onovertroffen ecobalans. Het kan echter nog jaren duren voordat deze technologie beschikbaar is voor personenwagens.

Lithium is ook enigszins omstreden. Kan deze grondstof ook worden vervangen?

Dat is zeker mogelijk. De magnesium-zwavel-accu bevat bijvoorbeeld geen lithium. Wij kennen magnesium in ons dagelijks leven in de vorm van krijt. Het grote voordeel is dat het vrij verkrijgbaar is. Het Schwäbische Alb-gebergte bestaat bijvoorbeeld volledig uit krijt. Ons onderzoek bevindt zich momenteel echter nog in de laboratoriumfase.

Er zijn op dit moment dus geen alternatieven voor de lithium-ion-accu?

Die zijn er wel, in sommige toepassingen. Er zijn zelfs technologieën die veel beter zijn dan de lithium-ion-accu. Neem de solid-state-accu, die we vanaf tweede helft van dit decennium ook gaan gebruiken in onze stadsbus Mercedes-Benz eCitaro. De technologie heeft een zeer lange levensduur en bevat ook geen kobalt, nikkel of mangaan. De energiedichtheid is echter lager, waardoor de accu relatief groot is en laden veel tijd vergt. Daarom is het een goede technologie voor bedrijfswagens, maar niet voor personenwagens. De lithium-ion-accu zal zodoende nog een aantal jaren worden gebruikt.

Wat wordt de volgende ‘heilige graal’? Zijn solid-state-accu’s de toekomst?

Er is niet één technologie die lithium-ion gaat vervangen. Of het nu gaat om cellen met solid-state-elektrolyten, lithium-metaal-anoden of lithium-zwavel-systemen – alle technologieën verschillen qua specifieke materiaalvereisten, toepassingen en niet in de laatste plaats qua doorontwikkeling. Elke technologie heeft zijn specifieke voor- en nadelen. Het goede nieuws is dat er meerdere manieren zijn die kunnen voorkomen dat de ontwikkeling op een dood spoor belandt. Ze zijn niet vanaf morgen beschikbaar – het zal echter ook niet lang meer duren – maar er komen accu’s waarbij de grafietcoating van de anode kan worden vervangen door nieuwe materialen zoals lithium-metaalfolie of siliciumpoeder. Beide zorgen voor een veel hogere energiedichtheid. Dit zorgt voor een grotere actieradius en maakt zelfs sneller laden mogelijk. Alle solid-state-accu’s bieden grote voordelen op veiligheidsgebied, maar we werken nog steeds aan de snellaadtechnologie en aan een langere levensduur voordat we met betrekking tot onze personenwagens kunnen zeggen: “dit is de technologie waar we nu voor moeten kiezen”.

En wat gebeurt er op de langere termijn?

Lithium-zwavel is een mogelijk alternatief. Het vervangen van nikkel en kobalt in de huidige accu’s door zwavel zou de duurzaamheid aanzienlijk verhogen. Op het gebied van energiedichtheid is er ook veel potentie, maar de levensduur is nog niet toereikend en het zal nog even duren voordat er een doorbraak plaatsvindt op dit vlak. In lithium-lucht-accu’s zit eigenlijk alleen maar lithium. De rest – de zuurstof – komt gewoon uit de lucht. Chemisch gezien is het een concept dat lijkt op een brandstofcel waarin we waterstof gebruiken. De energiedichtheid zou subliem zijn – maar het zal nog wel even duren voordat deze technologie productierijp is.

Bij het onderzoeksvoertuig VISION AVTR bent u nog een stap verder gegaan, veel verder richting de toekomst. Is organische accutechnologie echt een optie?

Met de VISION AVTR presenteert Mercedes-Benz een duurzame visie op emissievrije mobiliteit, ook als het gaat om aandrijftechnologie. Voor het eerst bestaat de revolutionaire accutechnologie uit organische celchemie op basis van grafeen en maakt deze dus geen gebruik van zeldzame, giftige of dure materialen zoals metalen. Dit maakt elektromobiliteit onafhankelijk van fossiele grondstoffen. Een absolute revolutie is de 100 procent geschiktheid voor recycling door middel van compostering – een uitstekend voorbeeld van een toekomstige circulaire economie in de grondstoffensector. Naast een exponentieel hoge energiedichtheid overtuigt de technologie ook door een uitzonderlijk snelle laadcapaciteit. We doen momenteel onderzoek naar organische accu’s. Het zal nog enkele jaren duren voordat deze kunnen worden toegepast in de Mercedes-Benz modellen – maar de potentie is er!