“Accu-ontwikkeling is momenteel bijzonder interessant” > Duurzaamheid > Audi Nederland
“Accu-ontwikkeling is momenteel bijzonder interessant”
De Duitse chemicus Maximilian Fichtner doet onderzoek naar toekomstige accutechnologie. Hij meent dat efficiënte accu’s cruciaal zijn voor de slagingskans van elektrisch rijden.
De accu is het belangrijkste onderdeel van een elektrische auto. Aan welke eigenschappen moet deze voldoen?
De accu moet de beste combinatie bieden van opslagcapaciteit, snellaadcapaciteit, accuprijs, veiligheid en duurzaamheid. Wat daarvan het belangrijkste is, hangt af van het type auto en gebruiksdoel. In de hogere segmenten is een ruime actieradius cruciaal, in de lagere middenklasse wil je een goedkopere accu en is een kleinere inhoud geen probleem.
De ruimte in een auto is beperkt. Wat is het ideale accu-ontwerp voor een zo groot mogelijke accucapaciteit?
Sommige fabrikanten werken aan het zogeheten cell-to-pack-design, ook wel cell-to-body-design genoemd. Die accupakketten zijn niet langer samengesteld uit cellen ter grootte van een chocoladereep, maar uit breedtes die lijken op planken voor een parketvloer. Met zulke grote eenheden is minder verpakkingsmateriaal nodig en dus blijft er meer ruimte over voor de feitelijke accu. Daarmee is een integratiedichtheid van boven de 70 procent mogelijk, terwijl normale accu’s niet verder komen dan ongeveer 50 procent.
Fabrikanten van elektrische auto’s die hun eigen accu’s willen ontwikkelen, kunnen deze technische voorsprong meteen meenemen in hun eigen ontwerpen. Het gaat immers niet om de losse accucellen, maar om het maken van ruimtebesparende en toch zo groot mogelijke cellen.
Welke vooruitgang verwacht u de komende jaren?
We denken dat de ontwikkelingen heel snel zullen gaan. Twee Chinese fabrikanten hebben voor 2023 accupakketten aangekondigd waarmee een actieradius van meer dan 1.000 kilometer mogelijk is. Tegelijkertijd zou je daarmee binnen tien minuten een range van 700 kilometer kunnen bijladen.
Als onderzoeker kijk ik verbaasd naar de dynamiek van al deze ontwikkelingen. Dit zou een enorme sprong in accutechnologie betekenen, en dan ook nog eens een vooruitgang zonder nieuwe chemische samenstelling, maar puur dankzij technische ingrepen.
“Fabrikanten die hun eigen accu’s ontwikkelen, kunnen de technische vooruitgang meteen in hun ontwerpen verwerken”
Maximilian Fichtner doet in Duitsland onderzoek naar nieuwe accutechnieken.
Prof. dr. Maximilian Fichtner
Maximilian Fichtner doet in Duitsland onderzoek naar nieuwe accutechnieken. Hij is managing director van het Helmholtz-Institut Ulm (HIU) für Elektrochemische Energiespeicherung, gericht op research en ontwikkeling van volgende generaties elektrochemische accuconcepten. Het HIU is in 2011 opgericht door het Karlsruher Institut für Technologie (KIT). Rond de honderdvijftig wetenschappers werken er aan de ontwikkeling van de kaders voor toekomstbestendige energieopslagsystemen voor stationair en mobiel gebruik. Behalve HIU-directeur is Fichtner ook aanspreekpunt van de Solid State Chemistry-onderzoeksgroep. Verder is de chemicus nog directeur van CELEST, het Center for Electrochemical Energy Storage Ulm & Karlsruhe, een onderzoeksplatform dat applicatiegericht basisonderzoek combineert met praktijkgerichte ontwikkeling en innovatieve productiemethodes. Tot slot is Fichtner woordvoerder van het POLis excellence cluster, dat accu’s voor de toekomst bedenkt die krachtiger, betrouwbaarder, duurzamer en milieuvriendelijker zijn dan de nu toegepaste lithium-ionaccu’s."
De laadsnelheid krijgt vaak minder aandacht, terwijl die toch belangrijk is. Wat is de link daarvan met de accusamenstelling?
De meesten zullen niet 600 kilometer aaneen rijden. Daarom is het belangrijk dat grote accu’s snel weer zijn op te laden. Uiteindelijk is dat het enige dat telt. Als je de accu in slechts tien minuten van 10 tot 80 procent kunt opladen, is het over en uit voor de verbrandingsmotor.
Er zijn accumaterialen die sneller laden mogelijk maken en materialen waarmee dat langzamer gaat. Technisch gesproken gaan de lithium-ionen tijdens het laden van de pluspool naar de minpool en daar moeten ze zich als het ware verzamelen en groeperen.
Op dit moment zit er een grafietlaag op de minpool. Er zijn al accufabrikanten die daarvoor een silicium-koolstofcomposiet gebruiken. Daarmee kun je veel sneller laden, ook als het koud is. Aan de materialenkant zit nog veel ontwikkelingspotentieel. Door alleen het materiaal van de minpool te veranderen, krijgt de volledige cel een 30 procent grotere opslagcapaciteit. Er liggen dus nog ongelofelijke doorbraken op ons te wachten.
Afgezien daarvan is het zo dat als je een 60 kWh-accu in tien minuten vol wilt laden, je een 360 kW-snellader nodig hebt. Momenteel is het dan ook niet zozeer de accu die voor beperkingen zorgt, maar vooral de laadinfrastructuur.
Bij smartphones merk je na intensief gebruik dat de batterij na twee of drie jaar minder wordt. Hoe lang gaat een accu van een elektrische auto mee?
Telefoonbatterijen zijn heel anders. Smartphones zijn er zelfs op ontworpen dat ze na drie jaar vervangen worden. De regelunits van een autoaccu zijn veel slimmer opgezet. Bovendien wordt de accu door een slimme laadregeling beschermd tegen oververhitting en andere schadelijke invloeden.
Onderzoek naar jongere auto’s leert dat na vijf jaar meestal nog steeds 95 procent van de accucapaciteit beschikbaar is. De aandrijfaccu in een elektrische auto is ontworpen om tweeduizend volledige laadcycli aan te kunnen. Reken maar uit: 2.000 keer een actieradius van 500 kilometer levert een gebruiksduur van 1 miljoen kilometer op.
Na die tweeduizend volledige cycli heeft de accu nog een bruikbare capaciteit van 80 procent. Dat wordt als het einde van de gebruiksduur beschouwd. De accu is dan nog verre van van kapot en houdt het met gemak nog tien jaar vol in een stationair opslagsysteem, bijvoorbeeld bij een zonne- of windmolenpark.
“De accu in een elektrische auto is ontworpen voor tweeduizend volledige laadcycli”
Maximilian Fichtner
Wereldwijd worden gigafabrieken gebouwd om accu’s te maken. Zijn er wel voldoende grondstoffen om de komende jaren en decennia zoveel accu’s te produceren?
Op dit moment zijn er genoeg ruwe materialen beschikbaar. De totale winning is echter nog niet afgestemd op de snel toenemende vraag, waardoor er wel degelijk knelpunten kunnen ontstaan. Wij onderzoekers proberen hier een antwoord op te vinden door bijvoorbeeld nieuwe accu’s zonder kobalt te ontwikkelen en door lithium in de toekomst gedeeltelijk te vervangen door natrium. Dan is er een significant kleinere kans op grondstoftekorten.
In Duitsland staan nu elf gigafactories op de planning. Dat doet niemand ons na. Er zijn opeens heel veel mogelijkheden om het juiste te doen. De cruciale vraag is: gaan deze gigafactories alleen cellen maken, of nemen ze het volledige systeem voor hun rekening?
Hoe belangrijk wordt recycling van oude accu’s?
Heel belangrijk. Er zijn schattingen dat in 2034 al de helft van de benodigde grondstoffen van recycling komt. Europa telt nu 38 accurecyclingfabrieken en die werken hard aan nieuwe processen en capaciteitsuitbreiding. Als straks, midden jaren dertig, grote aantallen accu’s gerecycled moeten worden, dienen zij er klaar voor te zijn.
Het accupakket maakt nu een groot deel van de kostprijs van een elektrische auto uit. Hoe kan die prijs omlaag?
Dan moeten er minder dure materialen in komen, dus grondstoffen die ruim voorhanden zijn en die wereldwijd gewonnen kunnen worden zonder negatieve gevolgen voor mens en milieu. Ook moet de accuproductie sneller en energiezuiniger worden.
Naast de overstap op duurzamere materialen, is kostenbesparing de megatrend in de wereld van accuproductie. Dit heeft betrekking op alle aspecten: ruimte, energie en tijd. Er gebeurt veel in de researchhoek en ontwikkelingen gaan sneller dan men vaak verwacht. Het domein van accu-ontwikkeling is momenteel bijzonder interessant.
