Lithium in accu's

Inleiding

Dit artikel zoomt kort in op de geschiedenis van lithium en gaat met name over de ontwikkelingen rondom dit metaal in accu's, welke alternatieven er voor lithium in ontwikkeling zijn en hoelang dit metaal nog dominant zal zijn.

'Plankgas oliedom' was niet alleen de kop boven een kort berichtje in de Leidse Courant van 8 december 1973; het was ook de slogan van een campagne van het Nederlandse ministerie van Verkeer en Waterstaat waarbij 150.000 affiches werden verspreid om het vrachtvervoer op de weg aan te moedigen hun snelheid te matigen. "80 kilometer is op de autosnelwegen de absolute top. Eronder is vaak beter", zo luidde de oproep. Dit was een poging om het dieselverbruik te beperken. Dat had alles te maken met de olieboycot van 1973, als gevolg waarvan nogal wat Westerse landen te maken kregen met flinke olietekorten. Er werden allerlei maatregelen ingesteld: van benzinerantsoenen tot een decreet van de Nederlandse regering waardoor elektriciteit niet voor commerciële verlichting mocht worden gebruikt. De atmosfeer tijdens de kerstperiode in 1973 deed in de grote steden dan ook denken aan de situatie uit de jaren '50, schreven Hellema et al.

Die donkere dagen leidden tot een situatie waarin nogal wat lampjes gingen branden. Door de tekorten aan olie en de torenhoge prijzen begon men na te denken over zuinig aan doen met grondstoffen en investeringen in hernieuwbare energie. Deze periode kan ook gezien worden als een belangrijke katalysator voor de opkomst van elektrische auto's en doorbraken op het gebied van accuonderzoek. Een redacteur van Chemical & Engineering News zei dat tot 1973 batterijonderzoek niet echt een ding was, omdat niemand zat te springen om nieuwe en betere. Dat veranderde vanaf 1973. De Amerikaanse chemicus John B. Goodenough en de Brits-Amerikaanse chemicus M. Stanley Whittingham legden in de jaren '70 de basis voor de moderne lithiumionaccu en in 1985 gebruikte de Japanse chemicus Akira Yoshino die basis voor de eerste commercieel levensvatbare lithiumionaccu.

Lithium is het lichtste vaste element in het periodiek systeem. Het is een metaal, maar dermate zacht dat je er met een hard voorwerp in kunt snijden. De naam is afgeleid van het Griekse woord lithos, dat 'steen' betekent. Die naam hangt samen met het feit dat de helft van het industrieel gebruikte lithium wordt gewonnen uit hard gesteente. De andere helft is afkomstig uit de zogeheten lithiumdriehoek tussen Chili, Argentinië en Bolivia. In deze Zuid-Amerikaanse landen wordt het metaal uit pekel(water) gewonnen dat onder de grond van zoutvlaktes zit. Daar kleven de nodige negatieve aspecten aan; dit artikel richt zich daar niet op.

De lithiumionaccu's zijn al decennia niet meer weg te denken. Bij dit soort accu's zijn meerdere materialen cruciaal voor de samenstelling van de kathode en de anode en daarin verandert het nodige, maar lithium blijft onveranderd het belangrijkste werkpaard om de benodigde energie te leveren. Waarom is dit zilverwitte en lichte metaal nog altijd zo onmisbaar voor de accu's in onze smartphones en elektrische auto's? Aan welke alternatieven voor lithium wordt gewerkt en hoe staat het daarmee?

Geschiedenis

Beschrijvingen van de geschiedenis van lithium beginnen vaak in de achttiende of negentiende eeuw, maar eigenlijk moet eerst de oerknal worden genoemd. Lithium is zeldzaam in het universum, hoewel het tijdens de big bang samen met helium en waterstof als enige drie elementen werd gecreëerd. Zo'n 13,7 miljard jaar later was het een Braziliaanse aardbewoner die in de jaren negentig van de achttiende eeuw het eerste lithiumhoudende mineraal ontdekte. Dat was LiAlSi₄O₁₀, ofwel petaliet. De ontdekking gebeurde op het Zweedse eiland Utö. Er werd gedocumenteerd dat er een intense roodkleurige vlam ontstond, zodra het materiaal in vuur werd gegooid.

Het jaartal dat het meest in verband wordt gebracht met het prille begin van de ontdekking van lithium is 1817. De Zweed Johan August Arfvedson ontdekte het metaal door LiAlSi₄O₁₀ te analyseren. Hij besefte dat het een nieuw soort alkalimetaal was, een lichtere versie van natrium, en noemde het lithium. Natrium kan gescheiden worden door elektrolyse, maar bij het nieuw ontdekte metaal lukte Arfvedson dat niet. De Britse chemicus William Brande lukte het enkele jaren later wel, hoewel het een nog onvoldoende hoeveelheid opleverde om ook metingen en onderzoek te doen. Pas in 1855 slaagden de Duitse chemicus Robert Bunsen en de Britse chemicus Augustus Matthiessen erin om een behoorlijke hoeveelheid te verkrijgen door elektrolyse toe te passen op gesmolten lithiumchloride.

Ten tijde van de Tweede Wereldoorlog ontdekte men, toen bepaalde patiënten lithiumchloride kregen als een alternatief voor natriumchloride, dat lithium een zekere toxiciteit heeft. Desondanks werd en wordt het nog steeds in medische zin gebruikt. De Australische arts John Cade merkte dat een oplossing van 0,5 procent lithiumcarbonaat maakt dat de anders zo energieke cavia's enorm kalm werden. De oplossing bleek ook positief te werken bij bepaalde patiënten met geestelijke aandoeningen, zoals een bipolaire stoornis.

Al in 1913 werd geëxperimenteerd met de elektrochemische eigenschappen van lithium. Men besefte al snel dat het metaal mede door de hoge specifieke energie en de lage dichtheid geschikt was als anode in een batterij. In de jaren '70 werd er fundamenteel onderzoek gedaan naar lithiumionaccu's en vanaf de jaren '80 kwam dat in een stroomversnelling. De Franse hoogleraar Michel Armand heeft in de afgelopen decennia belangrijke bijdragen geleverd aan de ontwikkeling van elektroden en elektrolyten voor lithiumionaccu's, wat hem in een wetenschappelijke paper de geuzentitel 'een van de voorvaders van moderne accu's' opleverde. Volgens de auteurs zat er relatief weinig tijd tussen de laboratoriumfase van de ontwikkeling van lithiumionaccu's in de jaren '80 en de industriële productiefase vanaf de jaren '90; de eerste commerciële lithiumionaccu verscheen al in 1991.

Nobelprijs scheikunde 2019 — Vlnr: John B. Goodenough, M. Stanley Whittingham en Akira Yoshino

De drie eerdergenoemde chemici Goodenough, Whittingham en Yoshino mogen hier ook niet onbenoemd blijven. Zij kregen in 2019 de Nobelprijs voor Scheikunde voor hun bijdragen aan de ontwikkeling van de moderne lithiumionaccu. Stanley Whittingham ontdekte in de jaren '70 een zeer energierijk materiaal waarvan een kathode werd gemaakt. Dat was titaniumdisulfide, wat op moleculair niveau ruimtes heeft om lithiumionen te 'huisvesten'. De anode werd deels van metallisch lithium gemaakt, waardoor de accu een groot energiepotentieel had van meer dan 2V, maar door het zeer reactieve metallisch lithium was de accu nog erg onveilig.

Nobelprijs accu Yoshino — Schematische weergave van de accu van Yoshino

De Amerikaan Goodenough theoretiseerde dat de kathode een nog groter potentieel zou hebben als deze uit een metaaloxide zou bestaan en dus niet uit metaalsulfide. Na veel onderzoek demonstreerde hij in 1980 dat kobaltoxide met ingebedde lithiumionen tot 4V kon produceren. Dit werd als een belangrijke doorbraak gezien, omdat het tot veel krachtigere accu's leidde. Deze basis werd door Yoshino gebruikt om in 1985 een commercieel levensvatbare lithiumionaccu te maken. Hij gebruikte het koolstofmateriaal petroleumcoke in plaats van lithium in de anode. Ook dit materiaal was geschikt om de lithiumionen in te bedden. De bijdragen van de drie Nobelprijswinnaars en Armand hebben uiteindelijk geleid tot de moderne lithiumionaccu die licht van gewicht is, een hoge energiedichtheid kent, relatief veilig is en moeiteloos honderden keren kan worden geladen en ontladen voordat de prestaties achteruitgaan.

Wat maakt lithium zo onmisbaar?

Om duidelijk te maken wat lithium zo onmisbaar maakt, is het nodig om eerst even kort stil te staan bij de basis. In een lithiumionaccu zijn het de heen en weer bewegende lithiumionen die maken dat we onze smartphones en elektrische auto's kunnen gebruiken. Bij de veelgebruikte lithiumkobaltoxideaccu's (LiCoO2) wordt er energie geleverd, doordat tijdens het ontladen de ionen van de negatieve grafietelektrode naar de positieve lithiumkobaltoxide-elektrode bewegen, oftewel van de anode naar de kathode. De elektronen die daarbij via het elektrolyt in tegengestelde richting bewegen, leveren de stroom. Als de accu wordt opgeladen, wordt dit proces omgekeerd en bewegen de lithiumionen weer terug naar de negatieve elektrode door de toevloed van elektronen.

Accu anode en kathode — Schema van een lithiumionaccu met links de negatieve elektrode en rechts de positieve. Bron: Laura de Kort, Universiteit Utrecht

Het is belangrijk om te beseffen dat het lithium in de kathode en anode gaat. Dat heet intercalatie, het proces waarbij moleculen of ionen zich in feite inbedden in een gelaagde structuur. Het lithium beweegt dan door de atoomstructuur heen, een proces dat diffusie heet. Het zijn de ruimtes tussen de atomen in die structuren en het formaat van de lithiumatomen die hier zo cruciaal zijn, legt hoogleraar en chemicus Mark Huijben van de Universiteit van Twente uit. "Als je een kristalstructuur hebt waar atomen in zitten, dan zitten daar ruimtes tussen, maar die zijn niet zo groot. Dus je moet een atoom hebben dat heel klein is. Als je het periodiek systeem pakt, is lithium zo ongeveer de kleinste. Dat is de reden dat we lithium gebruiken. Het kan vrij makkelijk overal tussendoor gaan en er weer uitgehaald worden, zonder dat dat grote problemen oplevert."

Kanaaltjes voor ladingstransport

Met de ruimtes tussen de atomen wordt niet zozeer porositeit bedoeld. Daarbij is sprake van een grotere schaal in de vorm van open ruimtes of gaten binnen een structuur. In die ruimtes gaat het elektrolyt overal tussen zitten. Diffusie vindt plaats op kleinere schaal waarbij het lithium het materiaal in moet bewegen en er ook weer uit moet kunnen. Dat is niet altijd eenvoudig. "Als je meer ruimtes tussen atomen wil hebben, wordt de dichtheid van het materiaal lager", zegt Huijben. "Je ziet dan dat de atomen niet meer op dezelfde plaats zitten; je krijgt een andere ordening. Die is minder stabiel. Een materiaal wil dicht bij elkaar gebracht zijn. De atomen gaan verbindingen aan en proberen dicht bij elkaar te zitten, dus je kunt die niet zomaar uit elkaar halen om open ruimten te creëren. Er zijn keuzes waarbij je op de grens zit. Je maakt dan iets waarbij er wat meer ruimte tussen zit. We proberen dat ook experimenteel te realiseren, maar in de basis is het gewoon lastiger om een groter atoom dan lithium door zo'n structuur heen te krijgen."

Intercalatie — Het principe van intercalatie in lithiumionaccu's. Bron: Hans-Martin Heyn

Om dit probleem iets inzichtelijker te maken, moet je denken aan een gelaagde structuur. Lithiumkobaltoxide, maar ook materialen waar het kobalt door nikkel en mangaan is vervangen, hebben zo'n gelaagde structuur. Huijben: "Lithium wil makkelijk in het vlak bewegen, maar niet er loodrecht op. In de kristalstructuur moet je dat zien als een tweedimensionaal vlak. Andere materialen en typen batterijen die we gebruiken, zoals lithiumijzerfosfaat (LiFePO4), hebben niet van die tweedimensionale vlakken, maar hebben een soort eendimensionale nanokanalen erin zitten. Dan heb je een structuur waarin het lithium in één richting goed kan bewegen, omdat er ruimte is op nanometerschaal, maar in andere richtingen niet. Zo'n structuur kan bijzonder complex zijn, met twee of drie verschillende typen kanalen. Bij het ene type gaat het materiaal er net wat makkelijker door dan bij het andere en het voltage van de batterij speelt ook een rol. De nanokanalen van de structuur zorgen dat er bepaalde voorkeursrichtingen zijn en dat het lithiumion goed in die richting kan bewegen."

De ideale situatie is een materiaal waarin lithiumionen in alle richtingen goed kunnen bewegen. Die zijn er, maar het blijft een lastige balanceeract. Het gaat om het bereiken van een optimum van hoe makkelijk het lithiumion in alle richtingen kan bewegen en hoeveel ruimte in de structuur kan zitten, zodat er een behoorlijke hoeveelheid lithium kan worden ingestopt; dat laatste komt de energiedichtheid ten goede. Dit veld, dus het ontwerpen van nieuwe materialen met al dan niet nanokanalen waarin diffusie goed kan plaatsvinden, is volgens Huijben een onderzoeksrichting op zich. Uiteindelijk kunnen structuren worden gerealiseerd waarin de kanalen net iets groter zijn, zodat het lithium nog sneller erdoorheen kan bewegen en het laden sneller gaat.

Sneller laden

Op het vlak van sneller laden zijn de nodige ontwikkelingen. Zo is er een veelbelovende vinding waarin lithium nog altijd de basis vormt en waar het draait om het materiaal van de anode. Onderzoekers van nano-instituut MESA+ van de Universiteit van Twente, waar ook Huijben deel van uitmaakte, concludeerden eind vorig jaar dat een volledig nieuw materiaal voor de anode, te weten nikkelniobaat (NiNb₂O₆), kan leiden tot een laadsnelheid die tien keer hoger ligt dan nu. En dat zonder negatieve bijeffecten als schade bij het anodemateriaal, een minder lange levensduur voor de accu of een complex fabricageproces. Volgens de onderzoekers hebben accu's op basis van dit materiaal ook het grote voordeel dat veel snelladen geen kwaliteitsverslechtering met zich meebrengt. Bij de huidige accu's in elektrische auto's betekent veel snelladen ook dat ze sneller kapot gaan, maar bij de toepassing van nikkelniobaat komt de accu ook bij regelmatig snelladen weer terug op het oude niveau.

Snellader — Een ccs-snellader. Bron: BMW

Die voordelige eigenschap komt voort uit wat de onderzoekers een 'aantrekkelijke open en regelmatige kristalstructuur' noemen. Specifieker: de kanaaltjes zijn identiek. Het nu nog veelgebruikte grafiet voor de anode is ook een open en eenvoudig te maken materiaal, maar na meerdere keren te snel opladen, komt het niet meer terug op het oude niveau of gaat het kapot. Nanogestructureerde materialen kunnen soelaas bieden, maar daarbij is het lastig om kanalen van gelijke grootte te creëren. Als daar verschil in zit, ligt afzetting van lithium op de loer en dat leidt tot een terugval in de prestaties. Bovendien zijn nanogestructureerde materialen vaak niet eenvoudig te produceren, een nadeel dat niet speelt bij nikkelniobaat.

Wanneer kunnen we al deze voordelen verwachten in een reguliere elektrische auto? Dat zal helaas nog even duren. Huijben gaf eerder aan dat het nog jaren gaat duren voordat we er iets van gaan merken. Het fundamentele onderzoek is gedaan, maar accufabrikanten moeten het nu toepasbaar maken en er tijd en geld in investeren. Bovendien is nikkelniobaat in de huidige vorm volgens Huijben nog vooral gericht op de toepassing als onderdeel in het energienetwerk of voor andere grote accu's, zoals die voor boten, vrachtwagens, bussen, maar ook thuis- en wijkaccu's. Kortom, toepassingen waarin niet alleen laadsnelheden belangrijk zijn, maar vooral ook ontlaadsnelheden. Voor reguliere elektrische auto's is er het nadeel dat het snellere laden gepaard gaat met een hoger gewicht.

Alternatieven voor lithium

De toepassing van lithium in accu's heeft voordelen waar we tot op de dag van vandaag de vruchten van plukken. Toch wordt er al geruime tijd gewerkt aan alternatieven voor lithium. Lithium is weliswaar niet zeldzaam, maar er zijn geen oneindige voorraden van en de vraag gaat in de komende jaren alleen maar stijgen. Bovendien gaat de winning van het metaal gepaard met negatieve gevolgen voor mens en milieu.

Natrium is een goed alternatief waar veel onderzoek naar wordt gedaan. Zowel lithium als natrium koppelen een enkel elektron aan zich. Dat betekent dat het dezelfde hoeveelheid energie geeft als je net zoveel natriumatomen als lithiumatomen in een accu stopt. Het probleem is dat een natriumatoom veel groter is en dus lastiger is om door een structuur heen te krijgen. Ook daar wordt onderzoek naar gedaan. Er zijn materialen met structuren die redelijk geschikt voor natrium zijn en dus potentie hebben, maar er zijn volgens Huijben momenteel nog te weinig materialen die goed als een accu werken.

Natrium-ion CATL — De eerste generatie natrium-ionaccu van de Chinese accufabrikant CATL wordt vanaf 2023 geproduceerd.

"Het grote voordeel is dat je natrium overal vandaan kan halen", zegt Huijben. "Het komt bijvoorbeeld uit zout en zeewater. Dus wat duurzaamheid en circulariteit betreft is natrium veel interessanter. Als het eenmaal goed werkt, moet je wel onderzoeken wat de levensduur van zo'n batterij is en of er degradatie optreedt. Dat wordt steeds beter, maar was gedurende langere tijd een probleem. Lithium is namelijk heel reactief, maar natrium ook. Natrium met water, daar moet je mee oppassen. Er worden wel stappen gezet om natrium beter werkbaar te krijgen als alternatief voor lithium." Natrium is volgens Huijben naar verwachting ook goed te combineren met nikkelniobaat.

Een ander alternatief voor lithium is calcium. Ook dit atoom is groter dan lithium en heeft ongeveer hetzelfde probleem als natrium, maar calcium heeft een 'geheim' wapen: het element kan twee keer zoveel elektronen leveren als lithium of natrium. Er kan dus sprake zijn van een verdubbeling van de energie. Dit geldt ook voor magnesium. Het lastige bij deze elementen is dat ze gemakkelijker verbindingen aangaan met andere atomen. "Als je calcium in een structuur krijgt, is het lastiger het er ook weer gemakkelijk uit te krijgen, want je moet dan verbindingen verbreken en dat kost energie", licht Huijben toe.

Volgens Huijben wordt er genoeg onderzoek naar calcium gedaan, want het heeft veel potentie. Een verdubbeling van de energie en een minder problematische winning betekent een win-win-situatie. Huijben zegt dat we dit al tientallen jaren weten, maar dat we desondanks nog steeds van lithium afhankelijk zijn, omdat de alternatieven nog niet op niveau presteren. Dat leidt tot een vrij ontnuchterende conclusie bij Huijben: "Er wordt vaak genoeg gezegd dat we van het lithium af moeten, maar we hebben op dit moment niet zomaar een vervanger. De stap dat we van lithium afscheid nemen, krijgen we in de komende jaren niet voor elkaar."

Silicium en lithiummetaal bij de anode

Het is eigenlijk minstens zo interessant om te kijken naar de andere kant van de accu, de anode. Grafiet, of eigenlijk laagjes van koolstof, wordt daarvoor nu veelal als materiaal gebruikt. Lithium kan zich daaraan gemakkelijk hechten. Grafiet heeft stabiele elektrochemische prestaties en maakt een lange levensduur mogelijk, maar de capaciteit kan beter. In grafiet kan één lithiumatoom per zes koolstofatomen worden opgenomen.

Silicium

De capaciteit van grafiet kan worden verhoogd door er bijvoorbeeld siliciumnanodeeltjes aan toe te voegen. Een siliciumatoom kan meer dan één lithiumion binden. Het kan dus veel meer lithium bij zich houden. In theorie kan een anode van silicium twaalf keer zoveel lithium per kilogram bevatten en dus een veel hogere energiedichtheid bieden. Het lastige is dat silicium daarbij uitzet; het verandert dan tot 300 procent van volume. Daar wordt volgens Huijben momenteel veel onderzoek naar gedaan: wanneer is het optimum bereikt van een bepaalde hoeveelheid siliciumnanodeeltjes, zodat de energieverbeteringen zichtbaar zijn, maar de problemen van het uitzetten binnen de perken blijven.

Huijben weet niet precies hoe groot het energievoordeel is als silicium op deze manier wordt toegepast, maar hij denkt dat het gaat om ongeveer 25 procent. "Hoe meer silicium je erin stopt, hoe hoger de energie. Maar het mag niet zo zijn dat je er zoveel in hebt zitten dat er voortdurend sprake is van een enorme volumeverandering tijdens het ontladen en opladen. Dan degradeert de batterij. De meeste ontwikkelingen laten zien dat je nauwelijks volumeverandering hebt als je het materiaal op een speciale manier produceert en verwerkt en je slechts een bepaalde hoeveelheid silicium toevoegt."

Het Amerikaanse bedrijf OneD Battery Sciences claimt dat zijn siliciumnanodraadjes beter werken dan siliciumnanodeeltjes.

Tegelijkertijd nuanceert Huijben de voordelige effecten van silicium in de anode. We hebben het hier namelijk puur over de anodekant. "Dat kleine gedeelte ben je drastisch aan het veranderen, maar de rest van de batterij heeft nog hetzelfde grote gewicht en volume. Dus ook al kun je de energiedichtheid aan de anodekant enorm verbeteren, dan nog blijft het effect op de totale batterij beperkt."

Toch is de kans groot dat we op korte termijn zien dat silicium in accu's wordt toegepast. Elke winst is ten slotte interessant voor producenten. Huijben denkt dat de toepassing van silicium in de komende jaren gaat gebeuren. Hij wijst erop dat er wereldwijd bedrijven zijn die hebben aangetoond dat dit werkt. Er worden al strategische samenwerkingsverbanden tussen batterijproducenten en bijvoorbeeld de auto-industrie opgezet. "Het is nu afwachten of we volgend jaar of het jaar erna gaan zien dat silicium wordt toegepast", zegt Huijben. "De impact van het invoegen ervan in de batterijproductie lijkt redelijk beperkt en ze moeten eerst nog aantonen dat ze miljoenen batterijen kunnen produceren van precies dezelfde kwaliteit en levensduur."

Lithiummetaal

Een volgende stap zou het vervangen van het vloeistofelektrolyt door vastestofelektrolyt zijn, ofwel solid-stateaccu's. In de ontwikkeling hiervan worden behoorlijke stappen gemaakt. Door het achterwege laten van de vloeistof gaat het brandbaarheidsrisico omlaag en is ook geen separator meer nodig. Dat betekent dat er meer ruimte beschikbaar komt, waarmee de energiedichtheid omhoog kan. Dat hangt samen met het feit dat bij solid-stateaccu's de cellen niet meer individueel hoeven te worden verpakt, wat bipolar stacking wordt genoemd. Het vooruitzicht dat smartphones of laptops langer meegaan of nog dunner kunnen worden, of elektrische auto's die verder komen of minder gewicht mee hoeven te sjouwen, is erg aanlokkelijk. Wat daar ook een bijdrage aan levert, is dat de anode bij solid-stateaccu's weer op een andere manier is samengesteld: lithiummetaal als vervanger voor grafiet. Puur lithiummetaal geeft de allerhoogste dichtheid om lithium in op te slaan. Je hebt dan maar een beetje lithium nodig om het heen en weer naar de kathode te sturen.

Een video over het probleem van dendrieten

Het lastige van lithiummetaal is dat het momenteel nog niet stabiel genoeg is. Het lithium vanaf de kathode hecht zich niet alleen maar aan het metaal om vervolgens weer terug te gaan. Er gebeuren dan allerlei ongewenste dingen, zoals de vorming van dendrieten. Dit zijn vinger- of boomachtige structuren die worden gevormd door zich ophopende lithiumatomen. Zodra deze structuren de scheidingswand in een cel doorboren, wordt als het ware een brug gevormd tussen de anode en de kathode en kan kortsluiting ontstaan. Bij reguliere lithiumionaccu's wordt dat effect voorkomen door grafiet te gebruiken als anode. Dat leidt tot een lagere capaciteit. Bij solid-stateaccu's kan die capaciteit flink omhoog, maar is juist de stabiliteit het probleem.

Slot

Lithium zal in de komende jaren net zo dominant zijn als nu. Het metaal heeft gunstige eigenschappen die niet zomaar zijn te vervangen door alternatieven, zonder dat er weer andere nadelige zaken om de hoek komen kijken. Bovendien moeten accu's op basis van nieuwe samenstellingen zich ook buiten de tekentafels en de laboratoria bewijzen en ook commercieel en industrieel aantrekkelijk zijn. Op de korte termijn is waarschijnlijk de toevoeging van silicium in de anode de meest reële ontwikkeling. Dat heeft de potentie om kleine, doch wezenlijke stappen te zetten in het verbeteren van onze huidige accu's, in ieder geval op het vlak van de energiedichtheid.

Het duurt nog even voordat solid-stateaccu's doorbreken en lithiumalternatieven als natrium, calcium of magnesium een kleine revolutie teweegbrengen. Voorlopig zullen we genoegen moeten nemen met kleine stappen of zelfs geen of negatieve stappen op het vlak van de energiedichtheid. Lithiumijzerfosfaat rukt namelijk op bij elektrische auto's. Dit type lithiumionaccu heeft als voordelen een betere stabiliteit en veiligheid, maar als nadeel een lagere energiedichtheid.

Cobalt Waarom krijgt dit type accu steeds meer aandacht, terwijl het minder energie kan leveren? Omdat het kobaltvrij is. Veelgebruikte kathoden met kobalt zijn nikkelmangaankobalt en lithiumkobaltoxide. Het metaal kobalt is nog altijd een belangrijke factor voor de stabiliteit van een accu en is daardoor niet zomaar weg te denken. Toch wordt getracht de hoeveelheid van dit metaal zoveel mogelijk te minimaliseren, omdat grofweg 60 procent van de wereldproductie afkomstig is uit de Democratische Republiek Congo. Naar schatting is zo'n 10 procent van het kobalt uit dit Afrikaanse land afkomstig van artisanale mijnen waar kinderarbeid, verminkende ongelukken en milieuverontreiniging reële problemen zijn.

Uitgaande van lithiumijzerfosfaat kunnen we twee dingen doen: accepteren dat er wat minder energie wordt geleverd of proberen om los van de kathode verbeteringen te bereiken. Daarbij kan gedacht worden aan verbeteringen in het batterijpakket, zoals de overstap van de verouderde 1865(0)-cellen naar de grotere 2170-cellen en de nog grotere 4680-cellen. De eerste twee cijfers staan voor de diameter in mm en de laatste twee cijfers zijn de lengte in mm. Door de toepassing van deze grotere cellen is er minder verpakkingsmateriaal per accu nodig, wordt de vermogen-gewichtsverhouding beter en kan de hoeveelheid energie met enkele procenten omhoog. Je kunt ook aan de anodekant veranderingen doorvoeren die kleine energieverbeteringen opleveren. Met dit soort verbeteringen kom je wellicht weer terug op het oude niveau van de energiedichtheid, maar heb je wel een kobaltvrije accu. Zo lang onderzoekers en de industrie nog geen zevenmijlslaarzen tot hun beschikking hebben om snel te komen tot een kleine accurevolutie, is zo'n compromis ook al een hele stap voorwaarts.