De geschikte batterijtechnologie voor uw

De geschikte batterijtechnologie voor uw toepassing

Met het oog op de huidige klimaat- en milieuproblematiek, zal een doordachte combinatie van hernieuwbare energiebronnen en de elektrificatie van de transportsector cruciaal zijn voor onze toekomst. Als zodanig, zullen energieopslagsystemen ongetwijfeld een sleutelrol spelen in het energielandschap van de nabije toekomst. Decennia van onderzoek en innovatie op het gebied van energieopslag, waarin de onderzoeksgroep MOBI van de VUB een Europese sleutelrol speelt, heeft dan ook geleid tot een zeer brede waaier aan energieopslagtechnieken, die voornamelijk gedomineerd wordt door batterijtechnologie.

De grote verscheidenheid en schaalbaarheid van batterijtechnologieën worden weerspiegeld in hun brede inzetbaarheid: gaande van draagbare elektronica, elektrische voertuigen, tot industriële nutsvoorzieningen. Maar deze verscheidenheid draagt ook bij tot onduidelijkheid en verwarring als het aankomt op het selecteren van het juiste type voor uw toepassing. In dit artikel illustreren we de verschillende types batterijen en hun vitale kenmerken, zodanig dat u in de toekomst zelf kan evalueren welke batterijtechnologie geschikt is voor uw volgend project.

De perfecte batterij bestaat (nog) niet

Een batterijtechnologie die ideaal is voor alle toepassingen bestaat niet. Zodoende draait het bij het selecteren van de juiste batterij voor uw toepassing om de identificatie van de belangrijkste prestatieparameters en de afwegingen die daar tegenover staan. Een sprekend voorbeeld is de afweging tussen energiedichtheid en vermogensdichtheid. Hoge vermogensdichtheid wordt veelal verwezenlijkt door in alle onderdelen van de batterij de minimalisatie van de interne weerstand voorop te stellen. Figuur 1: Afweging van de belangrijkste prestaties parameters voor batterijtechnologie. Aangepast van https://www. dfrsolutions.com/blog/how-to-select-the-right-battery-for-yourapplication-part-1-battery-metric-considerations Hiervoor wordt in Li-ion batterijen bijvoorbeeld het contactoppervlak van het actief materiaal en het aandeel geleidende additieven in de electrode verhoogd, wat een negatieve impact heeft op de energiedichtheid. Figuur 1 geeft de voornaamste prestatie parameters weer waarmee rekening dient gehouden te worden tijdens de keuze van de batterij, waarvan we hieronder de voornaamste verder uitlichten.

De belangrijkste prestatie parameters

Zoals al aangehaald, is een van de voornaamste afwegingen die gemaakt moet worden die van energiedichtheid versus vermogensdichtheid. Dit wordt geïllustreerd in figuur 2 voor de meest voorkomende batterijtechnologieën door middel van een Ragone grafiek, waar de vermogensdichtheid (W/kg) wordt uitgezet in functie van de energiedichtheid (Wh/kg). Zo ziet men dat lithium-ion als de meest veelbelovende batterijtechnologie naar voor komt, met zijn uitermate brede bereik. Dit is te wijten aan de uiteenlopende mogelijke chemische samenstelling van Li-ion batterijen die elk type zijn unieke eigenschappen geeft.

De Ragone grafiek geeft een elementaire vergelijking weer, maar toont echter niets over de prestaties bij verschillende gebruiksomstandigheden. Een gedetailleerde weergave van de informa-

tie gebaseerd op het verloop van zowel de openklemspanning, Figuur 2: Ragone grafiek van de meest voorkomende batterijtechnologie, aangepast van https://commons.wikimedia. org/wiki/File:Ragone-Diagramm.svg

laadtoestand, interne weerstand, gedrag bij verschillende stromen en temperaturen, energie-efficiëntie als de levensduur zijn noodzakelijk om de geschiktheid van een bepaalde batterij te beoordelen voor een specifieke toepassing. Vooral de omgevingstemperatuur en de ontlaadstroom zullen een grote invloed hebben op de beschikbare capaciteit (uitgedrukt in Ah) van de batterij en dus op zijn energiedichtheid.

Terwijl de maximale en minimale omgevingstemperatuur waarin een batterij kan gebruikt worden volledig bepaald wordt door zijn samenstelling, kan men over het algemeen concluderen dat de beschikbare capaciteit drastisch zal verminderen bij lage temperaturen. Dit komt onder meer door een vertraging in de elektrochemische reacties van de batterij. Een andere parameter die eveneens een impact heeft op de batterijprestaties, is de stroom waarmee een batterij ontladen wordt. Deze stroom wordt in de vakliteratuur dikwijls weergegeven als de ‘C-rate’, welke de stroomsterkte weergeeft waarbij geladen/ontladen wordt in verhouding tot de batterijcapaciteit. Een batterij met een capaciteit van 20Ah die ontladen wordt met een stroom van 40A, ontlaadt dus aan 2C. Ontladen met een hogere C-rate zal altijd leiden tot een vermindering van de beschikbare capaciteit.

Samen met de ontlaaddiepte, bepalen de omgevingstemperatuur en C-rate van het (ont)laad profiel ook de nuttige levensduur van de batterij. Het einde van de levensduur wordt meestal gedefinieerd als het moment waarop de batterij slechts 80% van zijn initiële capaciteit kan leveren. Een iets minder gebruikte definitie is het moment waarop de interne weerstand verdubbeld is. Het is belangrijk om te weten dat de meeste batterijtechnologieën verouderen zowel tijdens gebruik als in rust, respectievelijk cycle-life en calendar-life genoemd. Wederom geldt dat temperatuur extremen en hoge C-rates nadelig zijn voor de levensduur van de batterij, omdat onder deze omstandigheden ongewenste chemische nevenreacties plaatsgrijpen ter hoogte van de elektroden.

Ten slotte is kostprijs een drijvende factor in elke beslissing. Dit is natuurlijk niet anders als u op zoek bent naar de ideale batterij voor uw project. Een absolute prijsvergelijking per kWh is moeilijk, gezien ze afhankelijk is van de use-case en details in de hypothese. Je zal bijvoorbeeld geen loodzuur batterij overwegen om een smartphone aan te drijven. Over het algemeen zullen loodzuur batterijen de goedkoopste oplossing zijn, gevolgd door Ni-Cd, NiMH en Li-ion. Hoewel Li-ion batterijen traditioneel de duurste technologie waren, is hun prijs de voorbije jaren sterk gedaald. Volgens de battery price survey die jaarlijks gepubliceerd wordt door Bloomberg, zakte de prijs van Li-ion batterij packs de voorbije 10 jaar met maar liefst 87% van $1100/kWh tot $156/kWh.

De verschillende soorten batterijen

Loodzuur batterijen worden vaak beschouwd als de eerste secundaire batterij technologie. Meer dan 140 jaar na hun ontdekking worden ze nog steeds gebruikt in bijna elke automobiele toepassing als startaccu. Ondanks hun lage energiedichtheid en levensduur zijn ze toch aantrekkelijk in toepassingen waar vooral kortstondig hoge piekstromen moeten geleverd worden en waar behoud van prestatie bij lage temperaturen cruciaal is. Met een investeringskost ($60/kWh - $120/kWh) dat tot drie keer lager ligt dan Li-ion batterijen zijn ze ook een rendabel alternatief voor UPS-systemen die zelden ontladen worden en dus niet veel cycli ondergaan.

Nikkel-Cadmium (NiCd) batterijen werden onder andere toegepast in draagbare elektronica en elektronisch gereedschap dankzij hun lange levensduur, behoud van lading en breed temperatuurbereik. Het gebruik van dergelijke batterijen is de voorbije decennia echter snel afgebouwd door hun lage energiedichtheid, relatief hoge kostprijs (≈$1000/kWh), sterk geheugeneffect en de toxiciteit van het element Cadmium. Bij gevolg verloren NiCd batterijen zeer snel hun marktaandeel aan Nikkelmetaalhydride (NiMH) batterijen begin jaren ‘90. Deze bieden een lange levensduur, gaan goed om met hoge C-rates, hebben een breed temperatuurbereik en een hogere energie- en vermogensdichtheid. Ondanks hun grote zelfontlading werden ze voornamelijk toegepast in hybride voertuigen (bijvoorbeeld Toyota Prius), draagbare elektronica en elektronisch gereedschap.

Figuur 3: Schematische voorstelling van de werking van een Li-ion batterij. Bron: https://www.adlittle.com/en/insights/viewpoints/ future-batteries

De voorbije 10 jaar heeft Li-ion technologie de batterij markt echter bijna volledig overgenomen dankzij zijn aantrekkelijke eigenschappen, waaronder lange levensduur (> 1000 cycli), hoge efficiëntie en breed temperatuurbereik. Tijdens het (ont-)laden van de batterij zullen Li+ ionen zich heen en weer verplaatsen tussen de positieve en negatieve elektrode, respectievelijk anode en kathode genaamd. Hierbij verplaatsen de ionen zich door een medium, het elektrolyt. De beweging van vrijgekomen elektronen in een extern circuit tijdens de reactie tussen het Li+ ion en de elektrode voorziet ons van elektrische energie. Belangrijk om te beseffen is dat de eigenschappen van een Li-ion batterij grotendeels bepaald worden door de gebruikte elektrodematerialen, hun onderlinge combinatie en de samenstelling van het elektrolyt.

De grote verscheidenheid aan Li-ion batterijen

Veelal worden Li-ion batterijen ingedeeld volgens het gebruikte kathodemateriaal. Onder hun is LCO (Lithium Kobalt Oxide) de meest volwassen technologie, met de hoogste volumetrische

Energie Vermogen Veiligheid Levensduur Opladen Kost Toepassing

Loodzuur NiCd NiMH SLI, BES ED HEV

LCO ED

NCA BEV

NMC HEV, BEV, CEV

LFP SLI, HEV, CEV, BESa,b

LTO

a als kostprijs daalt. b als levensduur toeneemt. c als snelladen vereist is. HEVa, CEVc, BESa,b

Tabel 1. Overzicht van beschikbare batterijtechnologiën en hun toepassingen: Starter, lighting & ignition (SLI), Battery/Hybrid/ Commercial Electric Vehicles (xEV), Electronic Devices (ED), Stationary battery energy storage (BES).

energiedichtheid maar lage vermogensdichtheid en levensduur. Hoewel dit de technologie bij uitstek blijft voor consumentenelektronica, evolueert een groot deel van de markt weg van deze technologie door de afhankelijkheid van kobalt, een schaars element dat veelal ontgonnen wordt in ontwikkelingslanden. Anderzijds zijn LFP (Lithium IJzer Fosfaat) batterijen gemaakt uit batterijen nog zeer beperkt blijven, wordt het element al toege-

het alomtegenwoordige ijzer en fosfaat. Ze hebben een zeer lange levensduur en zijn in staat zeer hoge vermogens te leveren dankzij de starre olivijn structuur van het materiaal. Helaas is deze technologie minder geschikt voor toepassingen die veel energie vereisen door de inherente lage potentiaal vs Li+ en specifieke capaciteit. LFP blijft een sterke keuze in vermogen toepassingen (hybride voertuigen, elektrisch gereedschap) of waar vele cycli vereist zijn (commercieel elektrische voertuigen, energieopslag voor het net).

Zowel NCA (Lithium Nikkel Kobalt Aluminium Oxide) als NMC (Lithium Nikkel Mangaan Kobalt Oxide) zijn technologieën met een hoge energiedichtheid, waardoor ze courant toegepast worden in elektrische wagens. Een duidelijke trend in beide technologieën is het verminderen van de hoeveelheid kobalt, ten gunste van de hoeveelheid nikkel. Dit zorgt voor een hogere energiedichtheid en verminderd de afhankelijkheid van het kostelijke kobalt. NMC is gecommercialiseerd in verschillende soorten, afhankelijk van de stoichiometrische verhouding van de elementen. Zo bestaat NMC111, waarbij de drie elementen elk zoals BMW, Audi, Renault en Volvo. Voor meer informatie of een

in dezelfde hoeveelheid aanwezig zijn, NMC532 en NMC622. Gezien de lagere hoeveelheid nikkel ten gunste van meer mangaan is NMC111 geschikter voor toepassingen met hogere vermogens, terwijl NMC532 en NMC622 een van de hoogste energiedichtheden leveren op de markt.

De commercieel beschikbare materiaalkeuzes voor de negatieve elektrode zijn beperkter. Anodes op basis van koolstof (amorfe koolstof en grafiet) domineren al sinds de commercialisatie van de Li-ion batterij in 1991, dankzij hun lage potentiaal vs Li+ en goede specifieke capaciteit. Terwijl grafiet voorkwam in 91% van de commerciële batterijen in 2016, gebruikte slechts 7% amorfe toelaat om batterijen extreem snel op te laden voor een groot aantal cycli, zijn de grondstoffen zeer kostelijk en hebben ze een lage energiedichtheid.

De toekomst van Li-ion

Met dank aan het uitvoerige onderzoek & ontwikkeling van de voorbije jaren op vlak van Li-ion batterijen, bereiken we stilaan het maximale potentieel van de huidige elektrodematerialen. Om de energiedichtheid verder te verhogen is een overschakeling naar nieuwe materialen onvermijdelijk. In de nabije toekomst zal Silicium hierbij een cruciale rol spelen. Met een theoretische capaciteit die bijna 10 keer hoger ligt dan grafiet en een lage kostprijs is Silicium een uitstekende kandidaat voor next-generation anodematerialen. Hoewel de levensduur van pure Silicium voegd aan grafiet elektrode in kleine hoeveelheden (bvb 5% in de Panasonic cellen van de Tesla X). Naarmate de technologie vordert zal het percentage silicium in de anode verder toenemen de komende vijf jaar, terwijl de hoeveelheid Nikkel in de kathode verder verhoogd wordt. Dit zal leiden tot een graduele verhoging van de energiedichtheid. Een grote sprong in energiedichtheid wordt pas verwacht vanaf 2025, wanneer post Li-ion technologiën verwacht worden zoals Lithium-Zwavel, Lithium-Zuurstof, Lithiummetaal en Solid State batterijen.

In het Battery Innovation Center van de onderzoeksgroep MOBI van de VUB, werken dagelijks tientallen onderzoekers aan de verdere ontwikkeling van deze batterijtechnologie. We werken hiervoor samen in Europese onderzoeksprojecten met verschillende internationale partners, waaronder verschillende OEM’s koolstof en 2% LTO (Lithium Titanaat Oxide). Hoewel deze laatste

mogelijke samenwerking kan u contact opnemen met de Battery Innovation Center directeur, Dr Maitane Berecibar (maitane. berecibar@vub.be) of bezoek onze website https://mobi.research. vub.be/en/battery-innovation-centre-0.

 Dr. Lysander De Sutter

Senior researcher bij de MOBI onderzoeksgroep, Vrije Universiteit Brussel