Tesla-onderzoeker demonstreert batterij van 100 jaar en 4 miljoen mijl

Een van de grootste zorgen bij elektrische auto’s is dat de batterijen na een paar jaar vervangen moeten worden, tegen hoge kosten. De batterij van uw smartphone heeft immers waarschijnlijk binnen slechts drie jaar betere dagen gekend. Maar een Tesla-onderzoeker maakt zich klaar om dit idee voor eens en voor altijd in praktijk te brengen, nadat hij batterijen heeft gedemonstreerd die potentieel de meeste mensen zouden kunnen overleven.

Tesla-enthousiastelingen hebben waarschijnlijk al van Jeff Dahn gehoord. Hij is professor aan de Dalhousie Universiteit en sinds 2016 onderzoekspartner van Tesla. Zijn focus lag op het verhogen van de energiedichtheid en de levensduur van lithium-ionbatterijen, en op het verlagen van de kosten ervan. Dahn lijkt samen met collega's in zijn onderzoeksteam de moederlading te hebben bereikt. In een artikel gepubliceerd in het Journal of the Electrochemical Societybeweert de groep een batterijontwerp te hebben ontwikkeld dat onder de juiste omstandigheden 100 jaar mee zou kunnen gaan.

Het artikel van Dahn vergelijkt cellen gebaseerd op Li[Ni0.5Mn0.3Co0.2]O2-chemie (“NMC 532”) met LiFePO4. Dit laatste is de ‘Lithium Iron Phosphate’ (ook bekend als LFP)-chemie die Tesla momenteel gebruikt in in China gebouwde standaard Model 3-auto’s die in Europa worden geïmporteerd. De LFP-chemie heeft een lagere energiedichtheid dan de meer wijdverspreide lithium-ion-alternatieven, maar is goedkoper, duurzamer en naar verluidt ook veiliger. LFP kan tot 12,000 laad-ontlaadcycli meegaan, dus het is in dit opzicht geen sinecure om het te verslaan. De NMC 532-cellen van Dahn vertoonden na bijna 2,000 cycli geen capaciteitsverlies. Het artikel extrapoleert dit en impliceert een levensduur van 100 jaar (ze hebben de batterij duidelijk nog niet zo lang getest).

Dahn presenteerde in maart ook een keynote op het internationale batterijseminar in Orlando, Florida, waar hij gesproken over een “4 miljoen mijl batterij”. Dit omvatte enkele bevindingen uit de krant, voorafgaand aan de publicatie deze maand. Daan had beloofde eerder de “miljoen-mijl batterij”, en test sinds oktober 2017 cellen op basis van zijn aangepaste chemie. Blijkbaar zijn ze sterk gegaan en na 4.5 jaar continu fietsen bij kamertemperatuur hebben ze slechts 5% degradatie gezien. Dit zou betekenen dat ze een elektrische auto 4 miljoen kilometer kunnen laten rijden voordat deze vervangen moet worden.

Een deel van de redenen voor de lange levensduur is de overstap van polykristallijne naar monokristallijne kathodes, die niet zo snel kapot gaan tijdens de laad-ontlaadcyclus. De NMC 532-chemie Dahn gebruikt contrasten met de NMC 811-chemie die momenteel wordt gebruikt door LG Chem, die acht delen nikkel in zijn kathodes heeft voor elk deel mangaan en kobalt. Vorig jaar schakelde Tesla Model Y over van NMC 811 naar de NCMA-chemiecellen van LG Chem, ook wel 'hoog nikkel' genoemd. Deze zijn duur in vergelijking met LFP of NMC 811, maar bieden de hoogste dichtheid voor het grootste bereik. De NCMA-chemie gebruikt nikkel, kobalt, mangaan en aluminium voor zijn kathodes, maar het merendeel is nikkel (89%).

De NMC 532-chemie die Dahn heeft getest, belooft een nieuwe sprong voorwaarts in de batterijtechnologie. Auto’s hoeven echter geen 100 jaar mee te gaan, en ze hoeven ook geen 4 miljoen kilometer af te leggen. Gezien dat de gemiddelde voertuigleeftijd in de VS is 12 jaar Als hij 14,000 kilometer per jaar aflegt, is de gemiddelde levensduurafstand die een Amerikaanse auto aflegt 168,000 kilometer, en in Europa is dat een stuk minder. Dus in werkelijkheid zullen batterijen met een duurzaamheid van 4 miljoen kilometer toepassingen zoals vehicle-to-grid mogelijk maken, waardoor de snelheid van het opladen en ontladen toeneemt. Maar het is waarschijnlijker dat ze het nuttigst zijn voor statische energieopslag in huizen en voor netbuffercapaciteit van een intermitterende hernieuwbare energievoorziening.

Waterstofliefhebbers beweren vaak dat batterijen slechts een noodoplossing zijn totdat brandstofcel-elektrische voertuigen en waterstofopslagsystemen mainstream worden. Maar met alle ontwikkelingen die plaatsvinden op het gebied van de batterijtechnologie is het waarschijnlijk dat waterstof te weinig en te laat is als het in grote hoeveelheden arriveert voor transport. Technologieën zoals die waar Dahn aan werkt, daarnaast lithiumzwavelontwikkelingen zoals van Theion en ultrasnelle oplaadtechnologie zoals die van StoreDot, zal betekenen dat batterijen binnen een paar jaar alle problemen hebben opgelost die zich tegen hen voordoen.