Hoe ziet de toekomst van de thuisbatterij eruit?

Er is de laatste tijd steeds meer aandacht voor de recyclebaarheid van batterijen. Begrijpelijk, want als je oppervlakkig kijkt naar de grondstoffen die in batterijen gebruikt worden en het productieproces van een batterij, kun je gemakkelijk tot de conclusie komen dat batterijen niet bepaald duurzaam of milieuvriendelijk zijn. Dat komt doordat een batterij kritieke en schaarse grondstoffen bevat, zoals kobalt, lithium of mangaan. De winning en productie van deze materialen heeft soms grote sociale en milieugevolgen in de productielanden. 

Hierbij moet je echter niet vergeten dat batterijen ons helpen minder afhankelijk te worden van fossiele brandstoffen. Bovendien worden batterijen steeds duurzamer. Er wordt steeds vaker gekozen voor direct beschikbare en niet-kritieke grondstoffen zoals natrium. De winning van kritieke materialen wordt ook steeds milieuvriendelijker, naarmate er lering wordt getrokken uit fouten. 

Om een concreet voorbeeld te noemen: vroeger werd de pekel (die het lithium bevatte) naar de oppervlakte gepompt en opgeslagen in enorme bassins totdat het water verdampte. Hierdoor zakte het waterpeil. Nu wordt het lithium rechtstreeks uit de pekel gehaald en wordt de pekel terug in de grond gepompt. 

Verder kan meer dan 96% van de in een batterijmodule gebruikte materialen worden gerecycled aan het einde van de levensduur van de batterij.  

Tot nu toe werden lithiumbatterijen na hun levensduur meestal verbrand en vervolgens vermalen om sommige grondstoffen, zoals kobalt, nikkel en koper, terug te winnen.  

Nu is een nieuwer proces, het mechanische hydrometallurgische proces, populairder. Dit proces ziet er als volgt uit: 

1. De batterijmodule wordt vermalen 
2. Gemengde grondstoffen worden via verschillende complexe sorteerprocessen van elkaar gescheiden 

Dit proces is klaar voor de markt en geschikt om op industriële schaal toe te passen. Dit gebeurt binnen verschillende bedrijven al. Zo is er een Duitse autofabrikant die een fabriek wil bouwen waarin 2.500 ton batterijmodules volgens dit proces kunnen worden gerecycled. En dat zou nog maar het begin zijn! 

Volgens de EU-batterijverordening moet tegen 2030 minstens 70% van de volledige batterijmodule gerecycled kunnen worden. Met meer dan 96% zijn we dus goed op weg. 

Dan de batterijcel, een ander onderwerp waar we veel vragen over krijgen. Batterijcellen spelen een centrale rol bij zowel de opslag als de afgifte van energie en worden hoofdzakelijk gebouwd volgens een van deze ontwerpen: 

• Cilindrische cellen (klassieke ronde cellen) 
• Prismatische cellen 
• ‘Pouch’ cellen (vaak lithium-polymeer, veel gebruikt in telefoons, laptops en tablets) 

Elk type heeft zijn voor- en nadelen.  

Zo is in cilindrische cellen een zeer hoge volumetrische energiedichtheid op cel- en moduleniveau mogelijk, maar de ruimte wordt door de ronde vorm wel zeer inefficiënt gevuld. 

Prismatische batterijcellen maken wel goed gebruik van de ruimte en zijn zeer robuust, maar hebben weer een lage energiedichtheid. 

‘Pouch’ cellen, tot slot, evenaren de energiedichtheid van cilindrische cellen, het ruimtegebruik is efficiënt, maar door de zeer flexibele structuur kunnen ze onder druk opblazen. 

Momenteel is de opslag van elektriciteit in stationaire systemen voornamelijk beschikbaar met lithium-ion (Li-ion). Deze systemen hebben de volgende voordelen: 

• Gemakkelijk schaalbaar 
• Lange levensduur 
• Weinig onderhoud 
• Hoge energiedichtheid 
• Bestand tegen hoge/lage temperaturen 
• Minder gevoelig voor vocht dan andere batterijsystemen 

Om de veiligheid van Li-ion-batterijcellen te verhogen en grote schade/risico's te voorkomen, worden de volgende elementen geïnstalleerd: 

• PTC-element (positieve temperatuurcoëfficiënt): dit verbreekt het elektrische contact met de cel wanneer deze opwarmt en kan voorkomen dat de cel verder oververhit raakt. 
• CID-element (Current Interrupt Device): bij overdruk onderbreekt dit element het elektrische contact in de cel. 

Hieronder lichten we enkele typen lithium-ionbatterijen uit. 

Het type lithium-nikkel-kobalt-aluminium-oxide-batterij (NCA) is bekend sinds het einde van de jaren negentig. Dit type biedt meer specifieke energie en hoge prestaties. NCA-batterijcellen in e-auto's vereisen speciale controlemechanismen die voor meer veiligheid zorgen. De productie van NCA-batterijcellen is duur, ondanks dat er weinig kobalt wordt gebruikt. Het wordt dan ook niet op grote schaal gebruikt in de auto-industrie. 

Lithium-nikkel-mangaan-kobalt-oxide (NMC) batterijcellen kunnen worden geproduceerd met verschillende celeigenschappen omdat de verhouding nikkel, mangaan en kobalt kan worden gevarieerd. Minder kobalt betekent lagere kosten. Meer nikkel verhoogt de energiedichtheid. Een groter aandeel mangaan verhoogt het specifieke vermogen. Deze flexibiliteit is een groot voordeel van NMC-batterijcellen. 

Lithium-ijzer-fosfaatbatterijcellen (LFP) zorgen voor een hogere intrinsieke veiligheid en energiedichtheid. De voor de celproductie gebruikte elementgroepen zijn beter beschikbaar, wat het productieproces vereenvoudigt. 

Nadelen zijn een snellere zelfontlading en een lagere energiedichtheid in vergelijking met NCA- en NMC-batterijcellen. 

In de onderstaande tabel vind je een volledige vergelijking tussen NCA-, NMC- en LFP-batterijen.

Waarschijnlijk zal het aandeel NMC-batterijen de komende jaren afnemen, terwijl het aantal LFP-batterijen zal toenemen.

De toekomst van de batterijmarkt ziet er gunstig uit. Ondanks de afhankelijkheid van de ontwikkelingen over de afschaffing van de salderingsregeling, blijft het potentieel van thuisbatterijen toenemen. De thuisbatterij wordt financieel steeds aantrekkelijker, onafhankelijk van eventuele wetswijzigingen.  

Bovendien is de verwachting dat we vaker met negatieve stroomprijzen te maken krijgen. Dit betekent dat consumenten moeten gaan betalen voor de stroom die ze terugleveren en betaald krijgen voor de stroom die ze afnemen.  

Op die momenten kan de consument er ook voor kiezen om de batterij te laden met goedkope stroom uit het net en deze op een later moment zelf te verbruiken of te gaan verhandelen op de energiemarkt. Dit zal in de nabije toekomst volledig geautomatiseerd kunnen. 

Om aan de toenemende vraag te voldoen, wordt onderzoek gedaan naar goedkope en duurzame alternatieven voor Li-ion-batterijen.  

Hieronder vind je een kort overzicht van de projecten die momenteel lopen. 

Het Duitse Fraunhofer Instituut voor Keramische Technologieën en Systemen (IKTS) heeft een joint venture opgericht. De celtechnologie draagt de merknaam Cerenergy. Deze nieuwe technologie is lithiumvrij, kobaltvrij, grafietvrij en kopervrij. Op deze manier kunnen schaarse grondstoffen en problemen in de toeleveringsketen worden ingedamd. 

Volgens de onderzoekers liggen de productiekosten ongeveer 40% lager dan die van Li-ion-batterijen. De belangrijkste componenten van de Cerenergy-batterij zijn gewoon zout of Na/NiCl2- en Na/S-batterijen. De nieuw ontwikkelde Cerenergy ACB60-batterijen zouden een langere levensduur hebben en de opgeslagen energie langer kunnen leveren. 

De Chinese fabrikant ContemporaryAmperex Technology (CATL) zal in 2023 naar verwachting een nieuwe Na-ion-batterij introduceren. Eerst moeten Na-ion-accu's loodzuuraccu's in verbrandingsauto's vervangen, maar op (middel)lange termijn zullen ze ook in elektrische auto's worden gebruikt. Deze batterijtechnologie maakt indruk door haar zeer snelle laadvermogen en compatibiliteit, wat belangrijk is voor e-auto's. CATL ontwikkelde ook een combinatie van Li-ion- en Na-ion-cellen. Deze is geschikt voor de cell-to-pack-technologie van de fabrikant en kan gebruikt worden in e-auto's zonder batterijmodules. 

Een laatste technologie die we in deze blogpost willen uitlichten is de aluminium-zwavelbatterijtechnologie. Deze is ontwikkeld door een internationaal team van onderzoekers van het Massachusetts Institute of Technology (MIT) in de VS. In aluminiumzwavelbatterij wordt naast aluminium en zwavel chlooraluminaatzout gebruikt om energie op te slaan. Dit functioneert als isolatiemateriaal.  

Uit talrijke testproeven is gebleken dat deze batterijtechnologie een hoge laadsnelheid heeft. Bovendien zijn de kosten 1/6 van die van Li-ion-batterijen. Maar het allergrootste voordeel zou zijn: geen brandgevaar. 

Er is een lange weg afgelegd wat betreft de duurzaamheid van accusystemen. Wanneer de technieken voor grondstofwinning en recycling worden vergeleken met die van enkele decennia of zelfs enkele jaren geleden, heeft de industrie veel vooruitgang geboekt. 

Op het gebied van celconstructie en celchemie hebben we een zeer hoge veiligheids- en prestatienorm bereikt.  

In de toekomst hebben we een mix van verschillende batterijtechnologieën nodig, zodat we voor elke toepassing een passende oplossing kunnen bieden. 

Deze blogpost is een vertaling van een blogpost die eerder verscheen op memodo.de.