Waar blijft de solidstateaccu?

Als het om de accu van de toekomst gaat, is het solidstatetype niet het enige paard waarop gewed wordt. Een accu is sowieso een cocktail van verschillende chemische samenstellingen, waardoor er een behoorlijke mate van variatie mogelijk is. Momenteel is lithium de norm voor de huidige generatie accu's; het zorgt simpel gezegd voor het transport van de energie via ionen, maar dat zou prima vervangen kunnen worden door bijvoorbeeld natrium. En dat geldt ook voor andere onderdelen van accu's, zoals de samenstelling van de elektrolyt en de kathode en anode, oftewel de plus- en minpool. Het is belangrijk om te beseffen dat ook voor solidstateaccu's verschillende samenstellingen mogelijk zijn. Momenteel wordt onderzocht welke variant het beste is en dat staat dus nog allesbehalve vast. Bovendien kunnen varianten op de huidige accu's ook leiden tot een hogere energiedichtheid en sneller (ont)laden; dit is dus geen unicum dat alleen solidstate toebehoort.

Hoe werkt een accu?

Voordat we een aantal samenstellingen bespreken is het goed om even terug naar de basis te gaan met een korte scheikundeles. Om de beperkingen van een accu te begrijpen, moet je immers weten hoe deze werkt en welke materialen een lithiumionaccu gebruikt. Een accu bestaat uit een min- en een pluspool. De minpool heet ook wel negatieve elektrode of anode en de pluspool heet positieve elektrode of kathode. Tussen de anode en de kathode zit de elektrolyt, een materiaal dat ionen goed geleidt, zodat die van de ene naar de andere kant kunnen gaan. Een membraan, de ‘separator’, voorkomt dat de plus- en minpool elkaar raken, wat kortsluiting zou veroorzaken.

Accu anode en kathode — Schema van een lithiumionaccu met links de negatieve elektrode (-) en rechts de positieve (+). Bron: Laura de Kort, UU

Een lithiumionaccu levert elektriciteit doordat lithiumionen tijdens het ontladen van de anode naar de kathode bewegen. Veel moderne accu's zijn van het NMC- of NCA-type; die hebben een anode van grafiet en een kathode van lithiumnikkelmangaankobaltoxide, ofwel NMC, of lithiumnikkelkobaltaluminiumoxide, ofwel NCA. Voor LFP-accu’s is de kathode van lithiumijzerfosfaat. Hoe meer lithium er opgeslagen kan worden in de elektrodes, dus de anode en kathode, hoe hoger de capaciteit, en dus ook de energiedichtheid, is.

In de grafietelektrode is lithium bijna metallisch, een chemisch zeer instabiele toestand. Bij het ontladen van de batterij vindt spontaan oxidatie van het lithium plaats, waardoor elektronen vrijkomen die worden afgegeven aan de anode. De positief geladen lithiumionen bewegen door de batterij naar de kathode, terwijl de negatief geladen elektronen door een stroomkring buiten de accu van de anode naar de kathode bewegen. Deze externe elektronenstroom levert de stroom voor bijvoorbeeld een smartphone, camera of elektrische auto.

Bij het opladen van de accu wordt het proces omgekeerd. Elektronen gaan gedwongen door een externe spanning naar de grafietelektrode, zullen daar positieve lithiumionen in de elektrolyt dwingen gereduceerd te worden en daardoor reizen de positieve lithiumionen terug van de lithiumkobaltoxide-elektrode naar het grafiet.

Uitdagingen

Voor accu's gelden allerlei uitdagingen, die natuurlijk mede afhankelijk zijn van het exacte gebruik. Voor een smartphone wil je dat een accu plat en licht is, zuinig is en voldoende energie bevat om er meer dan een dag mee te kunnen doen. Ook de kostprijs speelt natuurlijk een grote rol. De levensduur is ook van belang, al doen de meeste mensen niet veel langer dan vijf jaar met een telefoon. Rond die tijd is de kans groot dat de accu verminderde prestaties geeft vanwege degradatie en te weinig vermogen voor piekprestaties; dat is te merken aan een kortere werktijd en dat een telefoon rond de twintig procent ineens uitvalt of bijna leeg is. Veel mensen laten op zo'n moment de accu vervangen of doen dat zelf.

Voor een elektrische auto is een accu vervangen niet praktisch en je kunt dat ook niet op iedere hoek van de straat laten doen. Bovendien zou een levensduur van vijf jaar natuurlijk onacceptabel zijn, want auto's gaan gemiddeld zeker twaalf jaar of langer mee. Vandaar dat er voor EV's andere accuchemie gebruikt wordt, waarbij de nadruk veel meer ligt op een langere levensduur en bijvoorbeeld snel kunnen laden. Individuele cellen, cilindrisch of in pouchvorm, worden in packs onderverdeeld, die op hun beurt weer serieel en parallel geschakeld worden. Een battery management system, of bms, monitort alle packs individueel en houdt ze gezond. Zo wordt er bijvoorbeeld voor gezorgd dat de spanning, 400 of 800V, niet te hoog oploopt, evenals de temperatuur. Omdat warmte een van de belangrijkste oorzaken van degradatie is, worden de cellen actief gekoeld om ze gezond te houden. Bij de oudste elektrische auto's wordt luchtkoeling gebruikt, maar bij moderne elektrische auto's is dat meestal vloeistofkoeling die ook werkt wanneer de auto stilstaat, bijvoorbeeld tijdens het snelladen. Tesla gebruikt al vloeistofkoeling sinds de Model S in 2012, toen andere EV's nog lucht- of helemaal geen koeling gebruikten. Daardoor is er een redelijk goed beeld van de levensduur van moderne EV-accu's, die langer meegaan dan veel mensen denken, met een telefoon of laptop als referentiekader. Ook na veel jaren en 250.000 kilometers is er vaak maar sprake van ongeveer tien procent capaciteitsverlies. Mocht er sprake zijn van één of meer defecte cellen, dan kan het bms een pack volledig uitschakelen. Er gaat daardoor uiteraard wat capaciteit verloren, maar de rest van de accu kan daardoor zonder problemen blijven functioneren.

Solid-state accu uitleg — Een solidstateaccu (rechts) vergeleken met een reguliere accu (links)

Meer bereik of een kleinere en lichtere accu

Wanneer de energiedichtheid van een accu significant toeneemt zijn er voor een EV twee keuzes: minder accucellen gebruiken voor hetzelfde bereik of hetzelfde aantal cellen voor een groter bereik. Of natuurlijk een combinatie van beide. Met de huidige accutechnologie weegt een accu, inclusief de cellen, packs, sensoren en het veiligheidsmateriaal, al snel minimaal 500kg om 500km te kunnen rijden. Stel de energiedichtheid verdubbelt, dan kun je dus grofweg 1000km rijden als het aantal cellen gelijk blijft, of het gewicht kan halveren voor hetzelfde bereik. Dat laatste heeft als extra voordeel dat de energie-efficiëntie flink toeneemt en dat er meer ruimte is voor het interieur. Dat betekent dat het bereik in relatieve zin dus toenoemt, want hoe lichter en gestroomlijnder een auto is, hoe makkelijker het is om tegen de luchtweerstand op te boksen. Net als nu zijn er natuurlijk verschillende usecases denkbaar.