De accu van de toekomst

Van betere chemie tot solid-state en Li-air

Chemische stappen: silicium en lithium-metaal

Na diverse verbeteringen en optimalisaties aan de kathode lijkt de anode nu aan de beurt te zijn. Diverse bedrijven hebben proof-of-concepts met een anode van silicium of lithium-metaal. Beide kennen grote voordelen, maar ook uitdagingen.

Silicium (Si)

Siliciumanode

Een van de verbeteringen die we vermoedelijk eerst gaan zien, is een anode van silicium in plaats van grafiet. Dit is iets waar verschillende bedrijven, waaronder Tesla, E-magy en LeydenJar, mee bezig zijn. In theorie kan het gebruik van silicium de anodecapaciteit van een accu met een factor tien verhogen. Het probleem is dat het gebruik ervan in de praktijk beperkt is doordat het silicium opzwelt tijdens het laden. Bolletjes silicium kunnen lithium opnemen door een kristal van lithium en silicium te vormen (Li15Si4), maar het probleem hierbij is dat de bolletjes bij het opladen uitzetten tot wel 360 procent van hun oorspronkelijke grootte en kunnen scheuren. Dat is schadelijk voor de accucel. Daardoor was de levensduur, oftewel het aantal cycli dat je kunt laden en ontladen, met siliciumanodes een groot probleem en de toepassing van een siliciumanode dus geen concrete optie. Verschillende bedrijven claimen nu echter oplossingen te hebben gevonden voor dit probleem.

Zo gebruikt E-Magy een nano-poreus siliciummateriaal, oftewel een poeder. Dit neemt de lithiumionen tijdens een laadcyclus op in zijn inwendige holtes, zoals een spons water opneemt. Door de toevoeging van het poeder wordt de anode een beetje elastisch en kan het beter tegen het uitzetten zonder dat het elektrisch contact verbroken wordt. Het gaat dus niet om een volledige vervanging van de grafietanode, maar om de toevoeging van siliciumbolletjes. Het opzwellen blijft daardoor binnen de marges. Volgens E-Magy kan de capaciteit met minstens een factor vier worden verhoogd. Doordat deze enorme capaciteitsverbetering echter alleen de anode betreft, leidt dit netto tot een 40 procent hogere energiedichtheid. Los van een hogere energiedichtheid zou een siliciumanode ook sneller opladen mogelijk maken.

Casper Peeters van E-magy verklaarde eerder tegenover Tweakers dat zijn bedrijf klaar is voor opschaling. 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.

Een microscoopopname van het poreuze silicium. Het poeder bestaat uit deeltjes van minder dan 10 micrometer groot met kleine poriën op
nanoschaal. Beeld: E-magy

LeydenJar, een spin-off van TNO, claimt een anode van 100 procent silicium te hebben ontwikkeld die de energiedichtheid van Li-ionaccucellen tot wel 70 procent kan opvoeren, wat volgens eigen zeggen neerkomt op 410Wh/kg (1350Wh/l). Het bedrijf wil dit jaar opschalen naar 450Wh/kg. LeydenJar stelt een poreuze siliciumstructuur te hebben gecreëerd die als het ware kan ademen. Daardoor is het materiaal bestand tegen uitzetten. 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.

Ewout Lubberman van LeydenJar vertelt Tweakers dat het bedrijf bezig is de levensduur te verhogen, oftewel hoe vaak je een accu kunt opladen en ontladen voordat hij 20 procent van zijn capaciteit verliest. LeydenJar zit momenteel in de fase om dit op te rekken van tweehonderd naar achthonderd cycli. De planning is om in 2024 de eerste productielijn van meer dan 1GWh op te leveren. Twee jaar later moet het een tienvoud daarvan zijn.

De roadmap van LeydenJar

Lithium-metaal

Een ander alternatief voor de anode is een lithium-metaalanode: het anodemateriaal helemaal weglaten, zodat alleen lithium overblijft dat neerslaat op een oppervlak van bijvoorbeeld koper. Deze anode levert in theorie de hoogste gravimetrische capaciteit op en wordt dan ook gezien als de heilige graal van anoden. Tot nu toe is het gebruik ervan in de praktijk nog niet echt van de grond gekomen.

In 1984 verscheen de Molicel op de markt, een van de eerste oplaadbare lithiumaccucellen, vooral bedoeld voor mobiele draagbare telefoons. Deze hadden een lithium-metaalanode, maar die kon door interne kortsluiting exploderen. Onderzoek toonde destijds aan dat lithium-metaal een inherent onstabiel materiaal is om in een accu te plaatsen en niet geschikt voor consumentenelektronica met de bijbehorende ontladings- en oplaadcycli. Lithium vormt bij een grote stroomsterkte namelijk dendrieten: uitsteeksels met een vertakte structuur, naar het Griekse woord voor boom. Deze kunnen door de separator de kathode raken en kortsluiting maken. Door de warmte die daarbij ontstaat, vormt de elektrolyt gassen. Dit gebeurt in mindere mate ook met grafietanoden en is de reden dat batterijen na verloop van tijd bol gaan staan. In niet-oplaadbare knoopcellen worden lithium-metaalanoden al wel succesvol gebruikt. Denk bijvoorbeeld aan de CR2025 en CR2032. De Molicel werd uiteindelijk teruggeroepen en het bedrijf ging failliet.

Bij een anode van lithium-metaal is de samenstelling van de elektrolyt extra belangrijk, omdat dit een rol speelt voor de stabiliteit. Een elektrolyt moet ionen geleiden, maar mag niet uit elkaar vallen door bijvoorbeeld hitte of een te grote stroomsterkte.

Veel elektrolyten zijn vloeibaar; ze bestaan uit een organisch oplosmiddel met daarin een lithiumzout. Lithium uit de anode reageert met de elektrolyt en vormt daarmee een ‘beschermlaag’ op de anode: solid electrolyte interphase (SEI). De samenstelling hiervan is vooral bij metaalanoden heel bepalend voor de prestaties. Als de SEI te dik wordt, houdt die ionen tegen, maar bij scheuring kunnen zich dendrieten vormen. Fluorhoudende toevoegingen aan de elektrolyt lijken veelbelovend en er is ook onderzoek naar ‘coatings’ op metaalanoden. Omdat de gebruikte oplosmiddelen tussen 100 en 150°C ontbranden, is het voor de veiligheid beter om een heel andere elektrolyt te gebruiken. In telefoonaccu's met grafietanode is de elektrolyt sinds een aantal jaar een soort gel van polymeren.

Voor lithium-metaalaccu's wordt gekeken naar twee opties: een ionische vloeistof en een vaste elektrolyt (solid-state). Een vaste elektrolyt kan voorkomen dat lithium onregelmatige structuren vormt. Het nadeel van een vaste elektrolyt is dat deze ionen slechter geleidt en dus een kleinere stroomsterkte aankan, en dat de elektrolyt kan scheuren door de mechanische spanning die in de anode ontstaat. Een ionische vloeistof is een zout dat bij kamertemperatuur vloeibaar is. Ionische vloeistoffen geleiden ionen wel goed en zijn niet brandbaar. Welke ionische vloeistof de vorming van dendrieten het best onderdrukt, wordt nog onderzocht.

Tweaker Albert Pool noemde eerder al dat lithium-metaalanoden beter lijken te presteren als de accu onder druk staat. "Er zit vaak al een veer in experimentele cellen, omdat de metaalanode krimpt bij het ontladen en weer uitzet bij het opladen. Misschien komen er ontwerpen voor cellen die meer druk zetten op de anode. Denk aan drie bar of meer, maar dan zullen accu's er dus heel anders uitzien dan we nu gewend zijn." Verder ziet hij voor kathoden ook nog nieuwe mogelijkheden, zoals zwavel: “Zwavel vormt ringen van 8 atomen die in reactie met lithium uit elkaar vallen en Li2S vormen. Het probleem hierbij is dat sommige korte ketens van zwavelatomen in de elektrolyt kunnen oplossen en dan verloren gaan.”

Een normale accu met 'tabs' (beeld: Tesla)

Tesla's 'tabless' 4680

Eind september 2020 kondigde Tesla tal van verbeteringen aan tijdens Battery Day. Een van die verbeteringen is, net als eerder op deze pagina besproken, een anode van silicium om de energiedichtheid te verhogen. Tesla zelf sprak over een 20 procent hogere energiedichtheid.

De 'tabless' 4680-accucel

Los van een andere chemische samenstelling koos Tesla ook voor een ander type accucel. De naam '4680' slaat op het formaat: een lengte van 80mm en een diameter van 46mm. Deze cellen zijn een stuk groter dan de 2170-cellen van Panasonic die Tesla nu gebruikt in de Model 3 en Model Y. De nieuwe 4680-cellen bieden vijf keer zoveel energie, maar dat komt vooral doordat ze ongeveer 5,5 keer het volume van de 2170-cellen hebben. Ze leiden tot een vermogen dat zes keer zo hoog is, maar het belangrijkste is dat ze volgens Tesla een bereik mogelijk maken dat 16 procent groter is dan dat van de bestaande 2170-cellen.

De nieuwe formfactor heeft minder omhulsel nodig in relatie tot de energie-inhoud en is ook goedkoper te produceren. Dat komt ook door een 'tabless' ontwerp zonder soldeerlippen. Accu's voor elektrische auto's hebben doorgaans een dunne laag koperfolie als geleider of stroomafnemer voor de anode en een laag aluminiumfolie voor de kathode. Een soldeerlip wordt vervolgens met elk van deze twee geleiders verbonden en verzorgt daarmee de verbinding met de externe toepassing waaraan de cel stroom moet leveren. Deze soldeerlippen maken de productie echter lastiger en duurder. Daarnaast verlagen ze de efficiëntie van de accucel, omdat de elektronen de volledige lengte van de elektrode moeten afleggen om de lippen te bereiken. Het weglaten van de soldeerlippen zou ook beter zijn om warmteproductie te beperken.

• Volgende pagina 5. Solid-state: veiliger en hogere energiedichtheid