Zo gaat de accu voor de EV zich ontwikkelen

Zo zit het met de lithium-ion-accu

In actuele EV-modellen is sprake van slechts twee celchemieën: NMC en LFP. Deze twee soorten hebben niet dezelfde eigenschappen, en al helemaal niet dezelfde prijs. NMC staat voor nikkel, mangaan en kobalt. Een mengsel van deze metalen vormt (samen met lithium, van de aanduiding lithium-ion) de kathode in de accucel. NMC-cellen zijn krachtig en hebben een goede energiedichtheid, wat meer actieradius oplevert. Ze kunnen veel vermogen leveren aan de elektromotor, bijvoorbeeld bij accelereren, en veel energie opnemen, waardoor snel opladen mogelijk wordt. Maar ze werken alleen optimaal bij aangename temperaturen. Daarom hebben de cellen koeling en verwarming nodig. Daaraan hangt een prijskaartje, reden waarom NMC-cellen relatief duur zijn. Bij LFP-cellen ligt dat anders, en dat komt door de metalen: de afkorting staat voor lithium-ijzerfosfaat. In deze cellen zit geen duur nikkel en ook geen kobalt, dat arbei­ders soms onder vreselijke omstandigheden moeten delven. Bovendien zijn LFP-cellen robuust. Hun duurzaamheid is hoog, en het risico van de zoge­noemde thermische doorslag – dat wil zeggen ontsteking gevolgd door een zeer moeilijk te blussen brand – is zeer gering in vergelijking met NMC-cellen. Wel een probleem is opladen bij vorst. De laadstroom moet eerst de cellen verwarmen voordat ze echt op gang komen. Omdat bovendien de energiedichtheid slechter is dan bij NMC-technologie en de actieradius kleiner, vinden LFP-cellen praktisch alleen toepassing in basismodellen. Koop je een Tesla Model 3 of Model Y met achterwielaandrijving, dan krijg je LFP-technologie. Zo zit het ook bij de MG4 en vanaf 2025 bij de Volkswagen ID 2.

Ooit ging het om de jacht op pk’s en koppel, later om de jacht op een laag verbruik en lage emissies. In de toekomst meten we de kwaliteit van een auto vooral af aan die van het accupakket. Wat is de energiedichtheid? Wat is de actieradius, de levensduur? Dat zijn de nieuwe parameters. Bij het beoordelen van de prestaties van een auto meten we niet langer alleen in km/h, maar ook in kW, de waarde die verwijst naar de laadsnelheid.

Wat is het potentieel van natrium-ion-cellen?

Natrium kan lithium vervangen in accucellen. Dit heeft veel voordelen. De belangrijkste is de prijs. Elektrische auto’s zijn nu veelal te duur voor het grote publiek, en dat komt door de accu. Per kilowattuur energie-­inhoud kosten goede NMC-cellen momenteel 164 dollar, stelt professor Markus Hölzle van het Zentrum für Sonnenenergie und Wasserstoff-Forschung (ZSW) in Ulm. Voor LFP-cellen is dat 133 dollar, voor natrium-ion-cellen 90 dollar. Bovendien: natrium is gemakkelijk verkrijgbaar. De eerste elektrische auto’s met natrium-ion-accu’s komen nog dit jaar in China op de markt. Maar de nog lagere energiedichtheid van deze cellen beperkt wel de actieradius. Daar staat tegenover dat de verwachte levensduur lang is, wat kopers met een beperkt budget bijzonder gelukkig maakt. Hoe wijdverbreid deze celchemie wordt, hangt af van de wijze waarop deze in de praktijk presteert in EV’s. De vraag is: kunnen die accu’s waarmaken wat ze beloven?

De Jiangling EV3, van Jiangling Motors Electric Vehicles, waarin Renault een meerderheidsbelang heeft, haalt zijn energie uit natrium-ion cellen.

Hoe gaan lithium-ion-accu’s zich doorontwikkelen?

NMC- en LFP-cellen zullen de markt blijven domineren. In NMC-cellen verandert de mengverhouding: er zit steeds meer nikkel en steeds minder kobalt in. De eigenlijke stap voorwaarts met betrekking tot accucellen betreft niet de kathode, maar de andere pool, de anode. Daarvoor gebruiken bijna alle fabrikanten grafiet. Grafiet heeft zijn waarde bewezen, maar maakt de accu wel zwaar en vermindert de laadprestaties. Om dat te voorkomen kunnen fabrikanten aan het grafiet silicium toevoegen. De Porsche Taycan was de eerste EV waarbij een fabrikant voor een dergelijke aanpak koos. Het aandeel silicium is op het moment nog een eencijferig percentage, maar dat zal in de loop van het decennium geleidelijk toenemen. Het effect: veel sneller opladen en een toenemende energiedichtheid.

Prijs van lithium fors gestegen

De prijs van lithium is in 2022 fors gestegen, tot €80 per kilo. Maar sinds afgelopen herfst is de prijs net zo sterk gedaald en stevent hij af op drie tient­jes per kilo. Volgens Reuters zijn vooraanstaande lithium­producenten in China het eens geworden over een prijsbodem van het equi­valent van €33 per kg om het inzakken van de prijzen tege­n te gaan.

Actuele stand van zaken: solid state-accu

Jarenlang kregen ze lof, vanwege de  grote sprong voorwaarts in de accu-ontwikkeling: in solid state-accu’s is de elektrolyt vast in plaats van vloeibaar. Een vaste elektrolyt is niet brandgevaarlijk. Het bijzondere van deze accu’s is de anode van zuiver lithiummetaal. Hierdoor ontstaat een cel met een optimale energiedichtheid. We moeten afwachten of en wanneer solid state-accu’s op grote schaal tot inzet komen, want conventionele cellen met een hoog siliciumgehalte aan de grafietanode beloven eigenschappen als van solid state-cellen. Veel fabrikanten zeggen binnenkort solid state-accu’s te gaan monteren, maar vaak zijn dit slechts ‘halfvaste’ elektrolyten zonder zuiver lithium. Dergelijke cellen hebben niet de extreem hoge energiedichtheid van echte solid state-cellen.

VinFast streeft ernaar om zijn nieuwe generatie elektrische auto's vanaf 2024 te leveren met solid-state batterijen.

Hoe belangrijk is het accusysteem?

Ongeacht de chemie en het formaat combineren fabrikanten de afzonderlijke cellen tot een accusysteem. Dit is bepalend voor de feitelijke actieradius en prestaties van een elektrische auto. Softwaremanagement stuurt de cellen aan. Ook de verwarming en koeling zijn belangrijk voor de prestaties in de praktijk van alledag. Bovendien moet de bescherming in orde zijn in het geval van een aanrijding. De bekendste accusystemen komen momenteel van de wereldmarktleider CATL en BYD, beide Chinese fabrikanten. CATL brengt de ‘Qilin’-accu op de markt. Dit systeem is geschikt voor zowel NMC- als LFP-cellen. De koeling is zo goed dat de laadtijd van 10 tot 80 procent naar verluidt slechts tien minuten bedraagt. Ter vergelijking: Hyundai produceert de snelst ladende seriemodellen van nu en die doen er ongeveer achttien minuten over. De Blade-accu van BYD daarentegen voert een basisprincipe tot het uiterste door: weinig verpakking, veel zogenoemd actief materiaal. De cellen worden bij die aanpak niet alleen rechtstreeks in de behuizing geplaatst. Dit wordt cell-to-pack genoemd. Het bovenste deksel doet ook dienst als binnenbodem. Dit heet cell-to-body. De BYD Seal krijgt deze blade-accu met cell-to-pack- en cell-to-body-­technologie standaard aan boord. Het model komt waarschijnlijk tegen het eind van het jaar op de Nederlandse markt.

De BYD Seal met cell-to-body-techniek.

Welke accuvorm is de beste?

Accucellen kunnen rond zijn (‘cilindrisch’), plat zijn als een doos (‘prismatisch’) of omge­ven zijn door een flexibele zak (‘pouch’). Het is onmogelijk te zeggen welke celvorm de beste is, want tot nu toe heeft geen enkele cel duidelijk de overhand gehad. De bekendste is de ronde cel, die we allemaal wel eens vervangen hebben in een elektrisch apparaat. Voor Tesla droegen ze ooit bij aan de doorbraak van de fabrikant. Tegenwoordig is geen enkele auto­fabrikant op dit vlak streng in de leer. BMW gaat in zijn Neue Klasse-modellen (vanaf 2025) ronde cellen gebruiken van de leverancier EVE. De eigenschappen van deze cellen zouden superieur kunnen zijn aan die van Tesla. Toch zitten in de huidige elektrische auto’s meestal prismatische cellen of pouch-­cellen. Prismatische cellen kunnen we door hun doosvorm op bijzonder ruimte­besparende wijze in de behuizing tussen de assen integreren. Volkswagen koos voor dit formaat voor de komende eenheidscel waar de fabrikant aan werkt. Prismatische cellen zijn ook te vinden in de blade-accu van BYD. De Chinezen zijn zowel accu- als autofabrikant. BYD maakt gebruik van lange, platte en smalle cellen met LFP-chemie. Over het algemeen heeft de vorm niets te maken met de inhoud; alles kan wat dat betreft samengaan.