De accu van de toekomst

Van betere chemie tot solid-state en Li-air

Hoe werkt een lithiumaccu?

Even terug naar de basis met een korte scheikundeles. Om de beperkingen van een accu te begrijpen, moet je immers weten hoe deze werkt en bijvoorbeeld 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.

Schema van een lithiumionaccu. Links de negatieve elektrode (-), rechts de positieve (+). Afbeelding: Laura de Kort, UU

Een lithiumionaccu levert elektriciteit doordat lithiumionen tijdens het ontladen van de grafiet-elektrode naar de lithium-kobaltoxide-elektrode bewegen, oftewel van de anode naar de kathode. In de grafiet-elektrode is lithium bijna metallisch, een chemisch zeer instabiele toestand voor het metaal. 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 lithium ionen 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 grafiet-elektrode, zullen daar positieve lithium ionen in de elektrolyt dwingen gereduceerd te worden, en daardoor reizen de positieve lithium ionen terug van de lithium-kobaltoxide elektrode naar het grafiet.

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 doen. Ook de kostprijs speelt natuurlijk een grote rol. Voor de accu van een elektrische auto gelden veel meer wensen en eisen. Een nieuw type accu met een hogere energiedichtheid staat bovenaan het wensenlijstje, want daarmee zijn minder accucellen nodig voor hetzelfde bereik en wordt zo'n auto dus lichter en efficiënter, of hij krijgt een groter bereik met dezelfde hoeveelheid cellen. Daar kan tegenover staan dat die nieuwe accu bijvoorbeeld minder vlot kan snelladen of eerder degradeert. Dat heeft allemaal te maken met de materialen die worden gebruikt voor de anode, de kathode en de elektrolyt.

Kobalt

Anoden en kathoden worden nu meestal gemaakt van materialen met een open structuur waarin lithiumionen kunnen worden opgenomen en gecombineerd met een elektron. Veelgebruikte kathoden zijn NMC (nikkel-mangaan-kobalt), LiCoO2 en LiFePO4. In smartphones en laptops wordt lithiumkobaltoxide het meest gebruikt. Voor accu's voor hybride en 100 procent elektrische auto's werd NMC de laatste jaren gezien als de standaardkathode, vanwege de goede levensduur, stabiliteit en andere gunstige eigenschappen. Vrijwel alle accumakers en autofabrikanten gebruiken dit in hun accucellen.

Hoewel wereldwijd 'slechts' 9 procent van de jaarlijkse kobaltwinning wordt gebruikt voor de accu's van elektrische auto's, staat het delven ervan onder druk. Dat komt vooral doordat de helft van de wereldvoorraad in het onstabiele Congo te vinden is. Ondanks maatregelen is daar nog steeds sprake van kinderarbeid en andere mensonterende toestanden bij het delven van metalen. Met name China koopt veel koper en kobalt op. Veel fabrikanten, waaronder Tesla, hebben de hoeveelheid kobalt daardoor drastisch teruggeschroefd en vervangen door nikkel. Die samenstelling wordt genummerd aangegeven - 8:1:1 staat bijvoorbeeld voor 80 procent nikkel, 10 procent mangaan en 10 procent kobalt. Naast 8:1:1 zijn 5:3:2 en 6:2:2 veel gebruikte varianten.

LiFePO4

Er bestaan ook EV-accu's zonder kobalt, zoals LiFePO4 oftewel lithium-ijzerfosfaat. Na NCA en NMC zien we deze kathoden steeds vaker gebruikt worden in accupacks voor hybride en elektrische auto's. Dit type kathode bevat helemaal geen kobalt. Onder andere de Chinese accufabrikant CATL produceert dergelijke accu's. De Tesla Model 3 en Y, die in China geproduceerd worden, gebruiken naar verluidt die CATL-accucellen met een LiFePO4-kathode. GM gebruikt ze ook al enige tijd in de Chevrolet Volt plug-inhybride, op de Europese markt bekend als Opel Ampera. Accu's zonder kobalt bestaan overigens al langer; de eerste generaties Nissan Leaf en Renault Zoe gebruikten LMO, oftewel LiMn2O4 of lithium-mangaanoxide, maar dit is een verouderde chemische samenstelling, onder andere omdat de cellen tijdens het snelladen niet warmer mogen worden dan 80°C.

LiFePO4 kan beter tegen hoge temperaturen en is dus geschikt voor snelladen op hoog vermogen. In vergelijking met NMC is de energiedichtheid wat lager. Dat laatste komt doordat het op een iets lagere spanning werkt, waardoor er meer accucellen nodig zijn om op 400 of 800V uit te komen. Accu's op basis van LiFePO4 zijn wat goedkoper om te produceren.

Grafiet

De anode is meestal van grafiet - een koolstof. Grafiet is op grote schaal beschikbaar en heeft stabiele elektrochemische prestaties, goed voor vele duizenden cycli en dus een lange levensduur. Het nadeel van grafietelektroden is de relatief lage capaciteit. Zo kan in grafiet slechts één lithiumatoom per zes koolstofatomen worden opgenomen. Voor grote verbeteringen aan de capaciteit zijn materialen nodig die heel anders werken. Hiervoor wordt momenteel vooral gekeken naar silicium; een siliciumatoom kan meer dan één lithiumion binden. Theoretisch kan een anode van silicium twaalf keer zoveel lithium per kilogram bevatten en dus een veel hogere energiedichtheid bieden: zie de volgende pagina.

• Volgende pagina 3. Waarom een nieuwe accu ontwikkelen zo lastig is