De perfecte batterij
Moderne batterijtechnologie maakt een grote actieradius en acceptabele laadtijden mogelijk. Bij Porsche Engineering wordt echter hard gewerkt aan nog veel betere oplossingen.
Een Porsche Taycan met een vrijwel lege accu is in 22 minuten weer tot 80 procent opgeladen. In dit segment is zo’n hoge laadsnelheid een absolute vereiste. “Met een sportieve rijstijl is de batterij snel leeg,” zegt Dr. Stefanie Edelberg van Porsche Engineering. “De eigenaar van de auto wil echter niet te veel tijd verliezen aan het opladen van de batterij.”
Met de hedendaagse technologie is dat ook helemaal niet nodig, alhoewel er altijd gezocht wordt naar ruimte voor verbetering. Dirk Uwe Sauer, professor aan de RWTH Aachen University, staat echter sceptisch tegenover berichten in de media over wonderbatterijen. “Het is simpelweg niet mogelijk om bepaalde extreme eigenschappen met elkaar te verenigen.” Het ultrasnelladen van een batterij met een zeer hoge energiedichtheid gaat ten koste van de levensduur. “Een verbetering van de ene eigenschap heeft altijd nadelige gevolgen voor de andere.”
Lithium-ion batterij: hoge energiedichtheid
In elektrische auto’s blijft een hoofdrol weggelegd voor de lithium-ion batterij. Deze heeft een hoge energiedichtheid, wat betekent dat een compacte cel veel energie opslaat. Na 2.000 keer laden hebben de cellen nog niets van hun capaciteit verloren. Porsche Engineering doet onderzoek naar de verdere verlenging van de levensduur. Bovendien kan de energiedichtheid van de lithium-ion batterij verder worden vergroot. Deze is de laatste tien jaar al bijna verdubbeld en verwacht wordt dat de komende tien jaar opnieuw een verdubbeling wordt behaald.
Capaciteit en prestaties batterij nemen af bij excessief snel laden
Het snelladen van de lithium-ion batterij vormt een uitdaging. Tijdens het laden migreren de lithiumatomen in de koolstofkristallen van de elektroden. Als de batterij ontlaadt, keren ze weer terug. “Hoe sneller de batterij wordt opgeladen, des te groter het risico dat de ladingdragers aan de kristallen blijven zitten en de cel beschadigd raakt”, zegt Sauer. Dit beïnvloedt de capaciteit en het laadvermogen van de batterij. In extreme situaties treedt zelfs kortsluiting op. “Het is moeilijk te bepalen wat ‘te snel’ is,” zegt Sauer. “Hier wordt momenteel volop onderzoek naar gedaan.”
De laadpolen, bekabeling en infrastructuur van de auto moeten eveneens op de hoge stroomsterkte worden voorbereid. Ampères wegen zwaar: een hoge stroomsterkte vraagt om dikke kabels die meer gewicht met zich meebrengen. Ter compensatie kan een batterijsysteem met een hogere spanning worden toegepast: de Porsche Taycan heeft een batterij van 800 volt, terwijl 400 volt momenteel gebruikelijk is.
Een batterij heeft een zogenaamd C-rate. Dit is de verhouding van de laadspanning in ampère (A) ten opzichte van de capaciteit van de batterij in ampère-uur (Ah). Bij een C-rate van 1 duurt het opladen van de batterij een uur, bij 2 een half uur en bij 3 twintig minuten. De ontwikkelaars streven een C-rate na van 10, oftewel 6 minuten laadtijd – ongeveer evenveel tijd als het vullen van een brandstoftank. Zover is het echter nog lang niet. Een C-rate van 4 of 5 ligt inmiddels binnen bereik. “Daarvoor is de koeling van de batterij en het laadsysteem echter een bepalende factor,” legt Dr. Stefanie Edelberg uit.
Lichtgewicht alternatief: lithium-zwavel
Uiteraard worden ook alternatieven voor de lithium-ion batterij bestudeerd. Zoals de lithium-zwavel batterij. Daarin zijn de elementen kobalt, mangaan en nikkel vervangen door een kathode van zwavel. De lithium-zwavel batterij is aanzienlijk lichter, maar op dit momenteel nog veel duurder. Bovendien vormt de levensduur nog een belangrijk struikelblok.
Bij solid-state batterijen zijn grote winsten te boeken op het gebied van laadsnelheid en veiligheid. Door de toepassing van een polymeer of keramiek in plaats van vloeibare elektrolyt is met een compacte batterij een grotere energiedichtheid mogelijk. In theorie laadt de solid-state batterij sneller op, al is dat in de praktijk nog niet bewezen.
Andere toepassingen die de energiedichtheid vergroten, zijn elektrodes van silicium-koolstofcomposiet, kathoden van nikkel-rijk materiaal en hoogspanningsmateriaal dat een celspanning van 5 volt mogelijk maakt. Studies naar toepassingen als sodium-ionen in plaats van lithium-ionen of metaal-zuurstofcombinaties bevinden zich nog in een pril stadium.
Sauer ziet bij alle ontwikkelingen een belangrijk bezwaar: de kosten. “Uiteindelijk wordt de actieradius van een elektrische auto niet beperkt door het formaat van de batterij, maar door de prijs.” Volgens Horvárt & Partners is de prijs van een lithium-ion batterij per kWh gezakt van 400 euro in 2013 naar 107 euro in 2019. Ook al neemt de vraag naar batterijen verder toe, de prijs zal niet veel verder meer zakken. “Voor 75 procent wordt de kostprijs van een batterij bepaald door de prijs van de grondstoffen,” zegt Sauer.
Concluderend
Eén ding is duidelijk: de komende tien jaar blijft de lithium-ion batterij gemeengoed. Een grote actieradius en hoge laadsnelheden zijn inmiddels haalbaar, maar de ontwikkelingen staan niet stil. Met solid-state batterijen en nieuwe materialen voor de elektrodes kan de energiedichtheid nog verder worden vergroot, en kunnen de laadtijden worden ingekort.