Het Nederlandse bedrijf E-magy zegt een nieuwe generatie accutechnologie productierijp te hebben op basis van silicium, die een 40 procent hogere energiedichtheid biedt dan de huidige lithium-ionaccu’s. Het bedrijf hint op een grootschalige siliciumproductie in Nederland.
Het recept van E-magy is een op silicium gebaseerde technologie om de prestaties van lithium-ionaccu's te verbeteren. Het gebruik van silicium in de anode zou leiden tot een 40 procent hogere energiedichtheid. Dit maakt het mogelijk om per accucel meer energie op te slaan of kleinere accucellen te gebruiken en bij een gelijkblijvende capaciteit leidt dat tot een verlaging van het gewicht met 40 procent.
Chemische samenstelling van anode
Het gebruik van silicium in plaats van grafiet is iets waar meerdere bedrijven mee bezig zijn. In theorie kan het gebruik van silicium de anodecapaciteit van een accu met circa een factor tien verhogen, maar in de praktijk is het gebruik beperkt doordat het silicium opzwelt tijdens het laden. Dit vermindert de levensduur van een accu en daardoor was het gebruik van een siliciumanode tot nu toe geen concrete optie.
Directeur en mede-oprichter Casper Peeters vertelt aan Tweakers dat E-magy dit voorkomt door ‘nanospons'-deeltjes te gebruiken die bestand zijn tegen de zwelling. "Het nano-poreus siliciummateriaal, in feite een poeder, neemt de lithium-ionen tijdens een laadcyclus op in zijn inwendige holtes, net zoals een spons water opneemt. Op deze manier wordt de uitzetting van de anode voorkomen en kan de capaciteit minstens met een factor vier worden verhoogd."
Naar eigen zeggen kan hiermee niet alleen een hogere energiedichtheid worden gerealiseerd, maar zouden accucellen in theorie ook sneller opgeladen kunnen worden. Een ander voordeel is dat silicium in overvloed aanwezig is en milieuvriendelijker is dan grafiet. Bovendien is silicium ook relatief goedkoop. Gemiddeld is 10 kilogram nodig in een batterijpakket voor elektrische auto's - voor grafiet is dat het zesvoudige.
:strip_exif()/i/2004044060.jpeg?f=imagearticlefull)
Goedkopere elektrische auto's
Het bedrijf zegt concreet in gesprek te zijn met diverse accu- en autofabrikanten om het nieuwe accumateriaal op korte termijn in gebruik te nemen. Peeters: "Wij voorzien een enorme toename in de vraag naar betaalbare elektrische auto’s. De verwachting is dat een elektrisch voertuig in 2025 even duur zal zijn als een benzineauto. Door de hogere energiedichtheid en het gebruik van silicium kunnen kosten bespaard worden en bovendien worden auto’s lichter omdat er minder accucellen nodig zijn." Auto’s met een groter bereik zijn ook een optie, maar men verwacht dat de grootste behoefte op korte termijn aan de onderkant van de markt zal zitten.
Het idee ontstond in 2013 toen zusterbedrijf RGS Development, gespecialiseerd in zonnepanelen, ontdekte dat het productieproces voor de siliciumwafers in zonnecellen ook geschikt bleek te zijn om nanogestructureerd silicium te maken. Het siliciummateriaal is vervolgens samen met de TU Delft en het Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung verder ontwikkeld en getest, onder andere op het vlak van prestaties, stabiliteit en veiligheid. Ook diverse grote producenten van elektrische voertuigen zouden de eerste batches ondertussen gevalideerd hebben, maar concrete namen wil E-magy nog niet bekendmaken. Het zou gaan om de grootste automerken in Europa en de VS en daarnaast accufabrikanten uit verschillende landen, waaronder China.
Opschalen
Volgens Peeters is het bedrijf klaar voor opschaling naar industriële schaal: "Iedereen kan in kleine hoeveelheden iets maken, maar opschaling is key. We hebben al vele jaren een pilotproductielijn draaien, maar onze huidige productielocatie is beperkt tot 25 ton nanoporeus silicium per jaar. Een volgende stap is het bouwen van een nieuwe productielocatie in Nederland met een capaciteit van 3.000 ton, goed voor de productie van een half miljoen nieuwe elektrische auto's per jaar."
Het nanoporeuze silicium is volgens E-magy schaalbaar en gereed voor massaproductie. Het concept zou kunnen worden ingepast in bestaande leveringsketens en productieprocessen van accufabrikanten. Het bedrijf wil zelf overigens geen accufabriek bouwen, maar wel de halffabrikaten aanleveren.
Andere bedrijven
E-magy is niet het enige bedrijf dat bezig is met de ontwikkeling van lithium-ionaccu’s met een anode van silicium. Onder andere Tesla noemde dit als optie om tot een hogere dichtheid te komen tijdens de Battery Day in september en claimde toen een winst directe winst van 20 procent door grafiet te vervangen door silicium. Aangevuld met andere verbeteringen, zoals de tabless 4680 accucel, zou dit een kostenreductie van 37 procent betekenen. Ook LeydenJar Technologies, een spin-off van onderzoeksinstituut TNO, is met accu's op basis van silicium bezig. Deze partijen claimen eveneens een oplossing te hebben voor de mechanische limitaties van silicium in accucellen.
Lichtpuntjes en kanttekeningen
Tweakers heeft prof. dr. Petra de Jongh van de Universiteit Utrecht om een reactie gevraagd. Zij is hoogleraar Anorganische Katalyse en Energieopslag en -conversie Nanomaterialen en onder andere gespecialiseerd in accutechnologie. Zij bevestigt tegenover Tweakers dat er met een anode van silicium in theorie nog flink wat te winnen is wat betreft energiedichtheid: “Theoretisch zou een anode van silicium twaalf keer meer lithium per kg kunnen bevatten. Dat komt omdat je zes koolstofatomen nodig hebt om een lithium-ion op te slaan, terwijl één siliciumatoom meerdere lithium-ionen kan binden. De grote uitdaging is dat bij laden daardoor de elektrode van silicium heel erg opzwelt en vervolgens krimpt. Je verliest dan het elektrische contact en de batterij houdt op met werken. Tot dusver was de levensduur, oftewel het aantal cycli dat je kunt laden en ontladen, met siliciumanodes een groot probleem. Het is al lange tijd bekend dat kleine deeltjes van silicium kunnen helpen om het uitzetten en inkrimpen beter te verwerken zonder te verpulveren en veel onderzoeksgroepen en bedrijven werken daaraan. Het zou zeker interessant en relevant zijn voor gebruik in autoaccu’s - in verband met het gewicht en de exponentiële groei van de vraag.”
Hoewel alles veelbelovend klinkt, heeft De Jongh wel wat kritische kanttekeningen. “De anode is natuurlijk maar een klein deel van het gewicht. En verder zijn de kosten van een accu slechts in mindere mate afhankelijk van grafiet of silicium, maar meer van andere ingrediënten zoals kobalt, separatorfolie en assemblage. Het is dus nog de vraag hoe goedkoop en licht een uiteindelijke accu op basis van dit concept daadwerkelijk wordt. Als grote commerciële bedrijven concreet geïnteresseerd zijn om op te schalen, kan dat een indicatie zijn dat de claim klopt. Als de uiteindelijke accucellen inderdaad lichter zijn en niet een veel slechtere levensduur hebben of veel duurder productieproces zou dat geweldig zijn. Ik denk dat een sterke partner, zoals een grote accu- of autofabrikant essentieel is voor het succes. Want een component maakt nog geen batterij.”
:strip_exif()/i/2004044062.jpeg?f=imagenormal)