Silicium geeft accu's een boost

Silicium lijkt dus hét ingredient te zijn dat accu's een hogere dichtheid kan geven en het vereist ook nog eens minder grondstoffen en is dus goedkoper. Maar hoe ver zijn de ontwikkelingen nu en voor wat voor producten zijn de eerste productiecellen interessant?

Kleine en grote producten

Een accu die in dezelfde behuizing meer energie bevat, klinkt interessant voor praktisch alle doeleinden, maar natuurlijk is er een onderscheid tussen gemak en noodzaak. Voor kleine apparaten, zoals een smartwatch, is er weinig ruimte voor een accu en daardoor is de werkduur beperkt tot één à twee dagen. Inmiddels is het gebruikelijk om zo'n horloge, net als een smartphone, iedere dag op de lader te leggen. Een smartwatch met een Si-accu zal ofwel langer mee kunnen gaan of kleiner kunnen worden doordat de accu, de grootste component, fysiek kleiner kan worden. Hetzelfde geldt voor min of meer vergelijkbare producten, zoals andere wearables, bluetoothoortjes en drones (een lichtere accu betekent een langere vliegduur).

Dat laatste geldt eveneens voor elektrische vliegtuigen: er is een maximaal gewicht aan accu's dat je kunt meenemen en dat beperkt de vliegduur. Een hogere energiedichtheid zou een groter bereik betekenen, dat nu nog beperkt is tot iets meer dan één uur vliegtijd. En in alle gevallen hebben de makers van Si-accu's hun vizier duidelijk gericht op elektrische auto's. De voordelen spreken voor zich: de cellen bieden een combinatie van een groter bereik, hoger laadvermogen, lager gewicht, minder volume en last but not least lagere kosten. Toch zijn er ook doeleinden waarvoor ze minder voor de hand liggen, zoals bufferopslag. Accu's op basis van lithiumijzerfosfaat, ofwel LFP, zijn goedkoper en de lagere dichtheid is geen groot bezwaar.

Een knelpunt van Si-accu's is op dit moment nog de levensduur. Dat komt vooral door het opzwellen van het silicium tijdens het laden. Dat proces is onder controle, maar het aantal cycli is op dit moment nog lager dan van de huidige accu's: ongeveer 500 tot 1300 cycli van 0 procent leeg naar 100 procent vol en vice versa. Na dat aantal cycli is de accu nog steeds bruikbaar, maar de resterende capaciteit is dan tot 80 procent afgenomen, wat een belangrijk ijkpunt is. De verwachting is dat het aantal cycli de komende jaren zal toenemen. Dat betekent vermoedelijk dat we in eerste instantie kleine producten met een beperkte levensduur gaan zien, zoals smartwatches en drones, en pas op een later moment elektrische auto's. Toch zijn voor die laatste groep wel concrete plannen aangekondigd.

De Mercedes EQG krijgt een siliciumanode van Sila — De Mercedes EQG krijgt een accu met siliciumanode van Sila.

Sila en Mercedes-Benz

Zo sloot Mercedes-Benz een overeenkomst met het Amerikaanse Sila, een bedrijf dat sinds 2011 bezig is met siliciumanodematerialen. Het bedrijf noemt een energiedichtheid van 800Wh/l op celniveau, het aantal Wh/kg wordt helaas niet genoemd. In 2021 bracht het bedrijf een eerste product op de markt in de vorm van de Whoop-fitnesstracker die, naast hartslag en huidtemperatuur, het zuurstofgehalte in het bloed controleert; het apparaat zou een 17 procent hogere energiedichtheid hebben en 33 procent kleiner zijn dan normaal en 5 dagen meegaan op een lading.

Mercedes-Benz kondigde eind 2022 aan dat het in 2025 een EV op de markt gaat brengen die gebruik zal maken van Si-accu's van Sila. Het gaat om de EQG die hierdoor een grotere actieradius zou hebben dan anders mogelijk zou zijn voor een zware terreinwagen. Vergeleken met de courante cellen met een vergelijkbaar formaat, zou de technologie van Sila een 20 tot 40 procent toename van de energiedichtheid mogelijk maken. Mercedes-Benz investeerde in 2019 in Sila en heeft hoge verwachtingen voor een volgende generatie EV's met deze accutechnologie. Het bedrijf is onduidelijk over wanneer deze uitvoering exact verwacht wordt. Het stelt namelijk dat 'next-level celchemie vanaf het midden van het decennium de eerste voertuigen van Mercedes-Benz zal aandrijven', maar de lancering van de EQG staat al voor 2024 gepland. Het lijkt er dus op dat er pas op een later, op een niet specifiek geformuleerd moment, een speciale uitvoering met een optioneel groter bereik zal uitkomen.

Een vliegend prototype van de Lilium Jet in Duitsland

Ionblox en Lilium

Zoals eerder benoemd, lijken Si-gebaseerde accu's zeer interessant voor kleine vliegtuigen, vooral omdat gewicht daar een beperkende factor is. Al sinds 2015 wordt er getest met de Lilium Jet. Dit is een vijfpersoonsluchttaxi die zowel horizontaal als verticaal kan vliegen en ook stil kan hangen in de lucht. De huidige protoypes zijn voorzien van 36 elektromotoren en moeten uiteindelijk een bereik halen van ongeveer 300km met een vliegtijd van één uur. Tijdens het cruisen is minder dan 150kW vermogen nodig; de meeste energie is nodig voor het opstijgen. Het Duitse Lilium heeft een samenwerking met accuontwikkelaar Ionblox en zou zijn accutechnologie op basis van silicium gaan gebruiken. Die cellen zijn volgens eigen zeggen gevalideerd door verschillende labs en EV- en eVTOL-oem's, wat zou hebben aangetoond dat zij 1300 cycli gehaald hebben gedurende 800 dagen volgens testprotocollen van het United States Advanced Battery Consortium, ofwel Usabc. De cellen zouden geproduceerd worden door Customcells. Volgens bronnen die Tweakers sprak, zouden de siliciumanodebatterijen van Ionblox 'veel dichterbij zijn dan investeerders denken'. Lilium hoopt dat eVTOL in 2025 door de Europese certificatie komt. Momenteel worden tests uitgevoerd met verschillende Phoenix-prototypen, waar het uiteindelijke productiemodel op gebaseerd zal worden. Tests worden onder andere uitgevoerd in Andalusië in Spanje.

E-magy: ontwikkelaar van siliciumpoeder

Het Nederlandse E-magy is een toeleverancier voor accufabrikanten en produceert een nanoporeus siliciummateriaal, een poeder, specifiek bedoeld voor de komende generaties Si-accu's. Het is dus geen accuproducent en is ook niet van plan dat te worden, maar het werkt wel samen met accufabrikanten. Die krijgen grondstoffen als grafiet, nikkel, kobalt en ijzerfosfaat ook in poedervorm aangeleverd. Het materiaal van E-magy is specifiek ontwikkeld om het opzwellen van het silicium in goede banen te leiden. Het nanoporeus silicium neemt de lithiumionen tijdens een laadcyclus op in zijn inwendige holtes, zoals een spons water opneemt. De anode wordt daardoor een beetje elastisch en kan beter tegen het uitzetten, zonder dat het elektrisch contact verbroken wordt. Het opzwellen blijft daardoor binnen de marges. Volgens E-magy kan de capaciteit met minstens een factor vier worden verhoogd, maar omdat deze flinke capaciteitsverbetering alleen de anode betreft, wat slechts een onderdeel van het geheel is, leidt dit effectief tot een 40 procent hogere energiedichtheid per cel. De cellen zouden ook sneller opgeladen kunnen worden.

De cellen zijn in 2022 gevalideerd door het Duitse Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung, ofwel ZSW, met een anode van 80 procent silicium. Na 100 cycli was er in de pouchcellen een variatie in dikte van minder dan vijf procent van de anodelaag waarneembaar, terwijl 10 procent in de industrie als acceptabel gezien wordt. Ook LG Chem heeft het product gevalideerd. Op hoeveel cycli er gerekend wordt met de huidige cellen, wilde directeur Casper Peeters ons niet exact vertellen, maar wel dat dit opgeschaald is van 100 naar 200 en dat het nu boven de 500 cycli zit. Peeters: "Vanaf dat niveau word je serieus genomen omdat het dan toepassingswaardig is. Het is dan geschikt voor bepaalde producten." Het bedrijf is bezig om dat verder op te voeren door verbeteringen aan het eigen product, maar ook door kennis te delen met accufabrikanten, zoals hoe het poreuze silicium het beste verwerkt kan worden en hoe de anodecapaciteit gematcht wordt aan dat van de kathode en het aantal lithiumionen. Maar die procesverbetering vindt vooral plaats bij accufabrikanten. E-magy is bezig met de opschaling, omdat dit noodzakelijk is om aan de toekomstige vraag te voldoen. De huidige productielocatie is beperkt tot 25 ton nanoporeus silicium per jaar, maar een nog te bouwen nieuwe productielocatie in Nederland moet een capaciteit van 3000 ton krijgen, wat goed zou zijn voor de productie van een half miljoen nieuwe elektrische auto's per jaar. Deze maand haalde het bedrijf tijdens een investeringsronde 20,5 miljoen euro op voor deze opschaling, wat ook de kostprijs moet verlagen. Invest NL is een van de investeerders.

Het concept van E-magy vervangt dus niet de volledige grafietanode, maar gaat uit van 80 of meer procent silicium en een klein deel aan hulpstoffen, zoals grafiet. Deze methode is volgens eigen zeggen minder complex om toe te passen in de bestaande productieprocessen en is goedkoper dan puur silicium.

Beeld: Leydenjar — Een rol anodefolie van koper met silicium. Bron: LeydenJar

LeydenJar: puur silicium

LeydenJar, een spin-off van TNO, richt zich wel op het volledig vervangen van de grafietanode. Het heeft een anode van 100 procent silicium ontwikkeld die de energiedichtheid van de huidige lithiumionaccucellen 70 procent kan opvoeren, wat volgens eigen zeggen neerkomt op 410Wh/kg, ofwel 1350Wh/l. Het bedrijf is dit aan het opschalen naar 450Wh/kg. Het materiaal is bestand tegen uitzetten door een poreuze siliciumstructuur te creëren die als het ware kan ademen. Er wordt gebruikgemaakt van een depositieproces waardoor de siliciumatomen zich organiseren in microkolommetjes die vol met nanoporiën zitten. In een vacuümkamer groeit met behulp van plasma een laagje silicium op koper in een nanosponsachtige structuur, waardoor er tussen de kolommen ruimte zit waarin de lithiumionen terechtkunnen.

Net als andere ontwikkelaars is LeydenJar bezig de levensduur te verhogen. De huidige cellen zitten rond de 600 cycli en momenteel wordt er gewerkt om dit op te rekken naar 800 cycli en hoger. Dat maakt het geschikt voor kleine consumentenproducten. Volgens Ewout Lubberman van LeydenJar is 'pure silicon' wel duidelijk de toekomst. "Dit biedt simpelweg de hoogste energiedichtheid. Alle andere methoden komen daar niet bij in de buurt, dus dat gaat op termijn doorslaggevend zijn. Volumetrisch, dus per liter, is de dichtheid hoger dan lithiummetaal, gravimetrisch, per kg, spant het er om."

In 2018 produceerde het bedrijf het eerste testproduct met een siliciumanode. In 2020 volgde een coincell en vervolgens een pouchcell en een gestackte variant daarvan. Dan wordt het een minimum viable product; dit soort cellen zijn geschikt om in bijvoorbeeld smartphones te gebruiken. Ook cylindrische cellen zijn een optie. Beide varianten worden in EV's gebruikt. LeydenJar produceert koperfolie met een flinterdun laagje silicium erop en levert die anodefolie aan accufabrikanten. Lubberman: “De anodefolie kan in een accufabriek direct gebruikt worden, waardoor de volledige ‘dry-room’ voor de anodeproductie overgeslagen wordt, wat een kostenvoordeel heeft. Heel technisch gezegd omvat dat process coating, drying, calendaring, slitting en vacuum drying.”

In 2019 opende het bedrijf een proeffabriek in Eindhoven, maar daar kunnen ze niet zo veel kilometers aan folie produceren. Dat moet wel kunnen in een nieuwe fabriek die voor 2025 op de planning staat en in 2026 operationeel moet zijn.

Amprius

Andere bedrijven

Het Amerikaanse Amprius is een prominente speler in de markt, alleen al omdat het vrij regelmatig berichten over nieuwe doorbraken publiceert. Op papier heeft het de meest veelbelovende Si-accu's van dit moment ontwikkeld, want het bedrijf spreekt over 500Wh/kg, een levensduur van '200 tot 1200 cycli' en supersnelle laadtijden. Net als LeydenJar gebruikt Amprius 100 procent silicium zonder grafiet; het opzwellen zou opgelost zijn met 'nanowires' die daarvoor voldoende ruimte bieden.

Het Chinese CATL beweerde deze maand eveneens cellen met een energiedichtheid van 500Wh/kg te hebben ontwikkeld, maar is ronduit vaag over de exacte ingrediënten van de anode en kathode; zeer waarschijnlijk gaat het ook over silicium. Massaproductie zou dit jaar van start gaan.

In februari dit jaar claimde Honor een smartphoneaccu met siliciumanode te hebben ontwikkeld met een 12,8 procent hogere dichtheid, al is het onduidelijk of die ook op korte termijn in een product zal worden gebruikt. In 2021 kondigde Porsche aan dat het vanaf 2024 raceauto's wil ontwikkelen met Si-accu, waarbij de focus op een 40 procent hogere energiedichtheid zou liggen evenals een zeer hoge laadsnelheid, en niet op levensduur, want het bedrijf zou de accu's geen jaren willen gebruiken. En in 2015 sprak Samsung al over accuverbeteringen dankzij silicium.