Van Li-ion naar mythedoorbrekende batterijtechnologie

Webinar met Prof. Dr. Dr. Med. Hintennach, hoofd Batterijonderzoek Mercedes-Benz AG

In volle coronacrisis kregen we tijdens een digitale rondetafel ruimer inzicht in de ontwikkelings- en onderzoeksdoelstellingen die Daimler verricht op het gebied van elektrische energieopslag. De man die daarbij tekst en uitleg verschafte, heeft binnen het onderzoeksdepartement van Mercedes-Benz AG de leiding van de divisie batterijonderzoek en -technologie: Prof Dr. Dr. Med. Andreas Hintennach. Naast energiedichtheid en laadsnelheid blijven veiligheid, gewicht en duurzaamheid cruciaal in de batterij-evolutie, zo benadrukt Hintennach, die ons deskundig begeleidt in deze virtuele excursie van hedendaagse Li-iontechnologie naar mythedoorbrekende batterijwetenschap.

Als doctor in de elektrochemie voert Andreas Hintennach, in het onderzoeksdepartement van Mercedes-Benz AG en als hoofd van de divisie batterijonderzoek en -technologie, fundamenteel onderzoek naar materialen en technieken met betrekking tot omvorming en opslag van elektrische energie

Prof. Dr. Dr. Med. Andreas Hintennach is senior manager bij het onderzoeksdepartement van Mercedes-Benz AG waar hij de leiding heeft van de divisie batterijonderzoek en -technologie. Met een doctoraatstitel in de chemie en geneeskunde promoveerde hij nadien in de elektrochemie en verwierf hij een MBA-diploma en doctoraatstitel in de Economie. In 2013 werd hij eerst assistent-professor om al een jaar later benoemd te worden als hoogleraar geneeskunde.

Als doctor in de elektrochemie voert hij fundamenteel onderzoek naar materialen en technieken met betrekking tot omvorming en opslag van elektrische energie. Met ruime aandacht dus voor toekomstige generaties van batterijen en brandstofcellen. Duurzaamheid en toxicologie staan centraal in die onderzoeken. Ook de toenemende belangrijkheid van elektronica en informatica valt niet te omzeilen van zodra elektrische omvormingen en energie-opslag aan de beurt komen. Waardoor ook datagestuurde thema’s zoals blockchaintechnologie (blokketens) en quantumcomputers (processoren die functioneren volgens de principes van de quantummechanica) tot het onderzoeksdomein van Andreas Hintennach dienen gerekend te worden.

Onderzoek en ontwikkeling

Diverse benaderingen

Onderzoek en ontwikkeling van nieuwe batterijen draait om veel meer dan capaciteitsverhoging. Ook al is energiedensiteit belangrijk dan zijn duurzaamheid en veiligheid eveneens doorslaggevend. Gebruik van andere materialen zou hogere batterijcapaciteit voor gevolg kunnen hebben maar dan dienen op het vlak van veiligheid (ontoelaatbare) compromissen genomen te worden

Batterij en brandstofcel vormen de sleutelelementen van de e-mobiliteit en als integraal onderdeel van de voertuigarchitectuur kan men deze componenten (nog) moeilijk standaardbouwstenen noemen. Beide vormen een integraal onderdeel in een typische voertuigarchitectuur. Accu’s voor mild hybrids, hybrids, plug-in hybrids of full elektrische aandrijflijnen vormen in hun specifiek toepassingsgebied een integraal onderdeel en vragen derhalve een diverse ontwikkelingsbenadering. “Daarom”, zo stelt Hintennach, “zijn we het ons verplicht alle stadia te beschouwen: van fundamenteel onderzoek tot productierijpheid. Ons huidig onderzoek omvat in de eerste plaats het streven naar verdere optimalisatie van de huidige generatie lithium-ionbatterijsystemen. Vervolgens moeten we de verdere ontwikkeling bekijken van de huidige op de wereldmarkt beschikbare batterijcellen en tenslotte moeten we ons richten op verdere research van toekomstige accutechnologie.”

Flexibiliteit blijft doorslaggevend

In e-auto’s omvat de batterij- of FC-technologie bovendien de alsmaar complexer wordende, door computers gecontroleerde beheersystematica. Onderzoek en ontwikkeling richt zich ook daar op. Het gaat dus om (veel) meer dan alleen maar het verhogen van de batterijcapaciteit, ook al blijft energiedensiteit belangrijk. Ook duurzaamheid en veiligheid zijn doorslaggevend. Gebruik van andere materialen zou hogere batterijcapaciteit voor gevolg kunnen hebben maar dan moeten op het vlak van veiligheid (ontoelaatbare) compromissen worden genomen. Flexibiliteit blijft volgens Hintennach een doorslaggevend ontwikkelingsprincipe. Want binnen het domein van de e-mobiliteit bestaan er voor batterijen sterk uiteenlopende gebruiksscenario's: van personenwagens over bestelwagens tot bussen en zware vrachtwagens en van 48 volt mildhybrides over plug-inhybrides tot full elektrische mobielen.

Duurzaamheid als overkoepelend ontwikkelingsprincipe

Zeldzame materialen

Ook voor batterijen en brandstofcellen wordt duurzaamheid een overkoepelende ontwikkelingsactiviteit bij Daimler. Zeker voor batterijen van e-voertuigen zijn nu eenmaal grote hoeveelheden grondstoffen vereist en de ontwikkelingsfocus ligt daarom bij het minimaliseren van de behoefte aan natuurlijke – vaak – zeldzame grondstoffen. Voor elk voertuigtype wordt daarom een conceptstudie ontwikkeld waarbij alle componenten en materialen worden geanalyseerd op hun economische en maatschappelijk-verantwoorde beschikbaarheid. Ook voor batterijen wordt nagegaan welke kostbare en zeldzame grondstoffen vervangen, geminimaliseerd of efficiënter benut kunnen worden en wat hun recyclagemogelijkheid betreft.

Mensenrechten en milieuschade

Een elektrische wagen is zo milieuvriendelijk als de stroom waarmee de batterijen gechargeerd worden. Of ... de energiebalans van een EV valt of staat met de manier waarmee de ‘laadstroom’ gegenereerd werd

Elektromobiliteit is pas ‘echt’ duurzaam als alle grondstoffen onder duurzame omstandigheden worden gewonnen. Het door de energiewende en e-mobiliteit gigantisch toegenomen gebruik van kobalt wordt daarom alsmaar nadrukkelijker geassocieerd met schendingen van de mensenrechten en milieuschade als gevolg van de winning ervan. Een oplossing kan bestaan in het vervangen van kobalt door andere, minder ‘kritische’ grondstoffen maar dat lijkt makkelijker gezegd dan gedaan, zoals we meteen zullen zien.

Hintennach benadrukt wel dat bij Mercedes-Benz AG procedures gelden die ervoor moeten zorgen dat betreffende leveranciers voldoen aan de eisen op het gebied van duurzaamheid. Ook bij Mercedes is daarom de transparantie van de toevoerketen heilig. Een externe audit wordt ingeschakeld om elke fase van de toevoerketen voor kobalt te controleren en waar nodig bij te sturen, overeenstemmend met de OESO-normen.

Milieu-impact

Productietechnisch bekeken hebben e-voertuigen een aantoonbaar slechtere impact op het milieu dan vergelijkbare voertuigen met klassieke verbrandingsmotor. Ook Andreas Hintennach wil dat niet ontkennen, maar merkt meteen op dat het produceren van verbrandingsmotoren gedurende meer dan 130 jaar gestaag werd verbeterd. Batterij en brandstofcel vertoeven wat massaproductie betreft nog in hun beginstadium. Hun productie veroorzaakt meer emissies omwille van de verhoogde energiebehoefte. Anderzijds zijn beide milieuvriendelijker in gebruik. Ook als batterijen – zoals vandaag – nog lang niet oplaadbaar zijn met CO2-neutrale elektriciteit, veroorzaken e-auto’s gedurende hun levenscyclus tot 40% minder uitstoot dan vergelijkbare benzine-auto’s en tot 30% minder dan dieselvoertuigen. Volgens Hintennach wordt bij deze cijfers nog geen rekening gehouden met de tegen 2039 nagestreefde CO2-reducties in de batterijproductie of met de recyclage van toekomstige grondstoffen.

Batterijrecyclage en hergebruik van secundaire grondstoffen

<25>Hintennach verwacht dat tussen dit en tien jaar een aanzienlijk aantal accu’s uit gedeeltelijk of compleet elektrische voertuigen voor recyclage in aanmerking kan komen. Wat wil zeggen dat grondstoffen als kobalt, nikkel, koper en in een later stadium ook silicium, recycleerbaar worden. Hintennach: “Wij doen al enige tijd onderzoek naar die recyclagemogelijkheden. De processing daartoe is in orde en we hebben vandaag al mogelijkheden om secundaire grondstoffen in nieuwe productieprocessen te gebruiken.”

Batterijtechnologie en materiaalkennis

Li-ion heeft nog (lang) niet afgedaan

Elektromobiliteit is pas echt duurzaam als de stroom waarmee we rijden duurzaam is en ... als alle – vaak zeldzame – grondstoffen die de energiewende en e-mobiliteit vandaag massaal vereisen, onder duurzame en menswaardige omstandigheden worden gewonnen

Lithium-ionaccu’s blijven by far de meest gebruikte batterijen in zowel elektronische toepassingen als voor de energie-opslag van gedeeltelijke of compleet elektrische voertuigen. “Het wordt nu al duidelijk”, stelt Hintennach, “dat de Li-iontechnologie ook in de komende jaren nog de hoofdrol zal opeisen.”

Wat niet wil zeggen dat wat research en ontwikkeling van toekomstige batterijen betreft ook in de labo’s van Andreas Hintennach een aantal specifieke, ‘nieuwsoortige’ principes worden uitgeprobeerd. “We werken aan innovatie en lithium-ionalternatieven”, stelt Hintennach. “Tezelfdertijd blijven we ons in het Li-ionhoofdstuk verder concentreren op energiedichtheid en oplaadtijd en breiden daarbij onze competenties voor de technologische evaluatie van materialen en accucellen, uit.”

Kathode, anode, separator …

Ongeacht of het nu een batterij voor een mobiele telefoon of een energie-opslag voor een elektrisch voertuig betreft, in het geval van lithium-iontechnologie blijft de celstructuur steeds vergelijkbaar. Het betreft twee metalen plaatjes zoals koper en aluminium. Daartussen zitten de twee polen – de kathode en anode – waartussen zich een elektrische reactie voltrekt. Voor het aanwakkeren van die elektrische reactie is een reactief metaal zoals lithium vereist. De kathode – zijnde de positieve pool van de batterij – bestaat uit een mengsel van nikkel, mangaan en kobalt. De anode bestaat uit grafietpoeder, lithium, elektrolyten en een separator.

… en silicium

“Silicium zal in de toekomst het grafietpoeder op de anode grotendeels komen te vervangen”, verduidelijkt Hintennach. “Een voordeel daarvan is dat we op die manier de energiedichtheid van een batterij met 20 tot 25% kunnen verhogen. Bovendien schept het siliciumgebruik bij de anode de mogelijkheid om aan de kathode materialen te gebruiken die niet compatibel zijn met het grafietpoeder dat vandaag bij de anode zit. Het gebruik van silicium staat ook toe om in de toekomst de laadsnelheden te optimaliseren.”

Minder kobalt

Silicium ter vervanging van grafietpoeder rond de anode kan leiden tot het vervangen van het – om hoger aangehaalde redenen – kritische kobalt. Die vervanging lijkt complexer, al geeft Hintennach toe dat ook daar onderzoek naar gedaan wordt. “Met de huidige generatie batterijcellen is men er al in geslaagd het aandeel kobalt in de kathodes (nikkel, mangaan, kobalt, lithium) te reduceren van ongeveer 30% tot minder dan 20%. In laboratoriumtesten wordt vandaag al geëxperimenteerd met batterijen waarvan de kathodes zelfs minder dan 10% kobalt bedragen.” Hintennach klinkt overtuigend als hij stelt dat dat aandeel in de toekomst nog verder kan dalen. “Ook vanuit chemisch standpunt is het bijster interessant om het kobaltaandeel maximaal te reduceren. Wegens … hoe minder kobalt, hoe eenvoudiger en efficiënter het recycleren.”

Hoe kobalt en lithium vervangen

Het laden van niet herlaadbare alkalibatterijen

Andreas Hintennach verwacht dat tussen dit en tien jaar een aanzienlijk aantal accu’s uit gedeeltelijk of compleet elektrische voertuigen voor recyclage in aanmerking kan komen

De hoeveelheden kobalt en lithium minimaliseren kan door toevoeging van grondstoffen die hoofdzakelijk gebaseerd zijn op mangaan. Een materiaal dat ecologisch minder schadelijk is en zich makkelijker laat verwerken. Hintennach merkt op dat er vandaag al recyclingfaciliteiten voor mangaan in dienst zijn. “Een van de redenen daarvan is dat we al vele jaren niet herlaadbare alkalibatterijen gebruiken.” Voor de onderzoekers van de Mercedes-Benz AG divisie Batterijonderzoek en -technologie biedt de zoektocht naar eventuele herlaadmogelijkheid van alkalibatterijen alvast perspectief. Hintennach verwacht dat deze technologie in de tweede helft van de jaren 2020 rijp kan zijn voor de markt.

Lithium-zwavelaccu: ecologisch perfect maar een desastreuze energiedichtheid

Een ander Li-ionalternatief zou volgens Hintennach kunnen bestaan uit lithium-zwavelaccu’s. Zwavel is een (bijna) kosteloos industrieel afvalproduct dat zich makkelijk laat recycleren. Het is een alternatief met een zeer gunstige ecobalans maar het stelt aanzienlijke uitdagingen op het vlak van energiedichtheid, al heeft het ook een onverslaanbare ecobalans. Volgens Hintennach zal het daarom nog jaren duren voor de lithium-zwavelbatterij in een auto steekt.

Magnesium-zwavelaccu’s: prille labofase

Als zeldzame grondstof werd de – omwille van de energiewende en elektromobiliteit – massaal toegenomen ‘industriële consumptie’ van lithium, eveneens het voorwerp van kritiek. Net als kobalt laat ook lithium zich moeilijk vervangen. “Maar, het kan”, stelt Hintennach. “Want in de magnesium-zwavelaccu zit geen lithium. Magnesium kennen we als krijt en dat is vrij en in grote hoeveelheden verkrijgbaar. Maar de laboproeven met magnesium-zwavelaccu’s vertoeven in een nog pril stadium.”

Superieur aan Li-ion: solid state

Of het ontbreekt aan daadwerkelijk Li-ionalternatief? Hintennach ontkent meteen. Er zijn alternatieven en er bestaan volgens hem zelfs technologieën die – voor specifieke toepassingen – superieur zijn aan de lithium-ionbatterij. Zoals de solid-statebatterij, die over pakweg 5 jaar gemonteerd zal worden in de Mercedes-Benz eCitaro stadsbus. Deze technologie garandeert een zeer lange levenscyclus. Hier is geen sprake van kobalt, nikkel of mangaan maar de energiedichtheid is eerder laag. De batterij is dus relatief groot en laat zich langzaam herladen. Eerder geschikt voor grote bedrijfsvoertuigen, bijgevolg. Niet voor e-personenwagens die nog jarenlang gebruik kunnen maken van de nog steeds voor optimalisatie in aanmerking komende lithium-ionbatterij.

Dé post-Li-ionoplossing is (nog) niet beschikbaar

Verlaagd risico op doodlopend onderzoek

Zelfs al worden – zoals vandaag – de batterijen (nog lang) niet herladen met CO2-neutrale elektriciteit, dan veroorzaken e-auto’s gedurende hun levenscyclus tot 40% minder uitstoot dan vergelijkbare benzine-auto’s en tot 30% minder dan dieselvoertuigen. Volgens Hintennach is bij deze cijfers nog geen rekening gehouden met de tegen 2039 nagestreefde CO2-reducties tijdens de batterijproductie of met de recyclage van toekomstige in accu’s gebruikte grondstoffen

Batterijcellen met vloeibare of vaste elektrolyten, anodes uit lithium-metaalsamenstellingen of lithium-zwavelsystemen (waarover meteen meer). Het gaat telkens om grondig verschillende technologie. Om technieken met zeer specifieke materiaalbehoeftes. Om batterij-uitkomsten ook voor uiteenlopende applicaties en – niet in het minst – om accu’s die op het vlak van maturiteit of productierijpheid groot verschil vertonen. Elk van de opgesomde voorbeelden van accusystemen kent zijn inherente voor- en nadelen. Het positieve daaraan is wel dat de mogelijkheden en slaagkansen van die technologieën tijdens uiteenlopende research en testactiviteiten werden onderzocht. Daaruit kunnen alvast lessen getrokken worden die bij volgend onderzoek het risico op potentieel doodlopende testwerkzaamheden helpen minimaliseren.

Snel laden en groter rijbereik

”Het is nog niet voor morgen maar evenmin ver weg”, stelt Hintennach. Hij heeft het dan over batterijen waarin de grafietcoating op de anode te vervangen is door lithium-metaalfolie of siliciumpoeder. Een rechtstreeks gevolg daarvan is dat de energiedichtheid gevoelig verhoogt. Lees: groter rijbereik en sneller herladen.

Solid-statebatterijen bieden surplus op het vlak van veiligheid, maar, aldus Hintennach, “we streven nog naar verkorte laadtijden en zeker op het vlak van levensduur is er nog veel research aan de winkel.” Het is dus een technologie die nog wat tijd vraagt om te rijpen. Zeker wat toepassing in personenwagens betreft.

En lithium-zwavel of lithium-zuurstof dan?

”Lithium-zwavel is een mogelijk alternatief”, stelt Hintennach. “Indien we in de bestaande batterijen het nikkel en kobalt vervangen door zwavel, kunnen we de duurzaamheid vergroten. Ook de energiedichtheid zou daar wel bij varen. Maar …. de factor levensduur blijft voor aanmerkelijke verbetering vatbaar.” Hintennach verwacht overigens dat een doorbraak op dit vlak nog een tijd op zich laat wachten.

“Een lithium-luchtbatterijcel bestaat voor het merendeel uit lithium. Het overige materiaal – zijnde de zuurstof - komt uit de toegevoerde lucht. Chemisch beschouwd kan het lithium- zuurstofconcept enigszins vergeleken worden met een brandstofcel waarbij dan waterstof toegevoerd wordt. Tijdens prille labotesten werd bewezen dat de energiedichtheid van het lithium-zuurstofprocedé uitstekend is. Maar dezelfde labobevindingen maakten duidelijk dat deze technologie ver van zijn mogelijke rijpheid verwijderd ligt.”

Besluit

Met de Vision AVTR presenteert Mercedes-Benz een duurzame visie op emissievrije mobiliteit. Emissieneutraal ook op het vlak van aandrijving en – niet in het minst – wat energie-opslag betreft. Wegens: revolutionaire batterijtechnologie. De AVTR-batterijen vormen immers een samenstelling van cellen die ontstonden uit een organische celchemie. Dit op basis van grafeen. Deze technologie vereist dus geen zeldzame, giftige of alsmaar duurder wordende metalen. Groot voordeel is de 100% recycleermogelijkheid. Dat recycleren kan immers op basis van compostering wat dan weer perspectief schept met het ook op een circulaire grondstoffeneconomie.

Nog voordelen van deze organische celchemie? Een exponentieel hoge energiedichtheid, uitzonderlijk snelle laadcapaciteit en …. een auto met grafeenbatterij zal een stuk lichter wegen waardoor hij energiezuiniger wordt. (N.v.d.r.: ook al wordt grafeen voor de batterijtoekomst gezien als een soort wondermateriaal dan moeten we waakzaam blijven voor de potentiële gevaren die nanografeendeeltjes kunnen veroorzaken in het menselijk lichaam. Of mag men zich die vraag niet stellen in een wereld die energetisch overhoop werd gehaald nadat veel grotere dieselpartikels de mensheid zogezegd bedreigden?)

“Organische batterijen maken momenteel deel uit van ons fundamentele onderzoek”, besluit Hintennach. “Het potentieel is er maar het zal nog enkele jaren duren vooraleer deze technologie gecommercialiseerd wordt.” Of, hoe eens te meer wordt aangetoond dat een daadwerkelijke technologie ter vervanging van de aan kritiek winnende li-ionautobatterijen nog niet voorradig blijkt te zijn.