Klopjacht naar superbatterij voor de elektrische auto

Voor de definitieve doorbraak van de elektrische auto is het batterijenpakket de allesbepalende factor. Pas als opladen net zo vlot gaat als het voltanken van een benzineauto en het rijbereik even groot is, wordt de elektrische auto een volwaardig alternatief voor benzine- en dieselauto’s. En dan moet die batterij ook nog betaalbaar zijn.

Autofabrikanten investeren daarom met man en macht in nieuwe accutechnologie. De grote vraag is: welke batterijtechniek heeft de toekomst? Professor Andreas Hintennach houdt zich daar dagelijks mee bezig. Hij leidt bij Mercedes-Benz het onderzoek naar de autobatterij van de toekomst. Hij is chemicus en arts en werkte onder meer bij het vermaarde Massachusetts Institute of Technology (MIT).

,,Veiligheid, gewicht en duurzaamheid spelen een cruciale rol in de ontwikkeling’’, zegt Hintennach. ,,Batterijen vormen de belangrijke basis van elke elektrische auto. Daarom willen we bij Mercedes alles in eigen hand houden: van de ontwikkeling tot de productie, waarbij we uiteraard streven naar CO2-neutraal.’’

Het onderzoek is volgens Hintennach veelomvattend: ,,Het gaat niet alleen om de batterij, maar ook om de complexe computer die nodig is om de werking van zo'n batterij aan te sturen, inclusief de juiste bedrijfstemperatuur.’’

De zoektocht in opdracht van moederbedrijf Daimler richt zich op een veelvoud van voertuigen: van kleine stadsauto’s als de Smart, tot de grote SUV’s, bestelwagens, vrachtauto’s en bussen van Mercedes-Benz. En het gaat niet alleen om volledig elektrische auto's maar ook om brandstofcelauto's en (plug-in) hybrides, die soms andere eisen stellen.

Ze zijn er nog lang niet, geeft Hintennach toe: ,,Wat betreft milieuvriendelijkheid staat de elektrische auto nog op achterstand. Waar de fabricage van de verbrandingsmotor in 133 jaar tijd is geoptimaliseerd, veroorzaakt de productie van een batterijenpakket meer luchtvervuiling. Daar is nu eenmaal meer energie voor nodig.

Zitten de batterijen uiteindelijk in een auto, dan is deze aandrijfvorm natuurlijk wel veel milieuvriendelijker. Zelfs als we elektrische auto’s niet met groene stroom opladen, genereren ze tijdens hun volledige levenscyclus nog altijd 40 procent minder luchtvervuiling in vergelijking met een benzineauto.’’

Volgens Hintennach zitten er nog veel haken en ogen aan de huidige generatie batterijen, zoals het daarin toegepaste kobalt. De winning daarvan in mijnen, onder meer in Congo, staat regelmatig ter discussie als het gaat om schending van mensenrechten en schade aan het milieu.

Hintennach: ,,Wij eisen tegenwoordig van onze toeleveranciers dat ze aan strenge eisen voldoen en dat ze transparant zijn over de herkomst. De gehele toevoer wordt door ons streng geregisseerd. Elektrisch rijden is immers pas echt duurzaam als ook de grondstoffen onder duurzame omstandigheden worden verkregen.’’

Inmiddels is het aandeel kobalt in een batterij teruggebracht van een derde naar minder dan een vijfde, schetst Hintennach. ,,In ons laboratorium werken we zelfs al met een aandeel onder de 10 procent en dat wordt nog minder.’’

Met het recyclen van batterijen komt het uiteindelijk ook wel goed, verwacht hij. ,,Binnen acht tot tien jaar zullen we vrijwel alle batterijen kunnen recyclen.’’

Nu rijden de meeste elektrische auto’s nog met lithium-ionbatterijen. Die hebben een relatief hoge energiedichtheid, maar er zijn zorgen over het brandgevaar. Met enige regelmaat vliegen zelfs geparkeerde elektrische auto’s in brand, meestal tijdens het opladen. En is het vuur eenmaal gedoofd, dan kan de brand telkens opnieuw oplaaien.

Volgens Hintennach bestaan er goede alternatieven voor de lithium-ionbatterij, maar het ideale alternatief is nog niet gevonden: ,,Een vaste-stof-batterij, ook wel bekend als solid-state, blijkt veel veiliger. Het elektrolyt daarin is niet vloeibaar, zoals bij lithium-ion. Maar zo’n batterij is vrij duur om te maken en laat zich te langzaam opladen. Voordeel is wel dat hij geen kobalt, nikkel of mangaan bevat. We moeten nog werken aan het verlengen van de levensduur. Ook is de energiedichtheid lager, waardoor de accu relatief groot is. De solid state is daarom eerder geschikt voor bedrijfsauto’s dan voor personenauto’s. We gaan hem vanaf 2025 in onze eCitaro stadsbussen toepassen.''

Ook andere alternatieven laten nog te wensen over, weet Hintennach. ,,Zo is er de lithium-luchtbatterij. Die heeft een extreem hoge energiedichtheid, maar een korte levensduur. Ook die is nog relatief duur om te produceren en de verdere ontwikkeling laat nog lang op zich wachten.’’

Een ander alternatief is de lithium-zwavelbatterij, met zijn hoge energiedichtheid. ,,De vervanging van nikkel en kobalt door zwavel maakt hem significant duurzamer. Hij is ook vrij goedkoop, maar zijn levensduur is nog te kort. Kortom, we zullen het nog jaren met lithium-ionbatterijen moeten doen.’’

Is er eigenlijk komende decennia wel een superbatterij te verwachten? Volgens Hintennach is de toekomst aan organische batterijen. Die bevatten grafeen, een flinterdunne koolstof die beter geleidt dan koper en sterker is dan staal. De stof kan onder meer door het vergisten van voedselafval worden gecreëerd, maar de productie is nog wel duur.

Hintennach: ,,De organische batterij die wij begin dit jaar in ons studiemodel Vision AVTR presenteerden bestaat uit organische cellen gebaseerd op grafeen en op zeewater gebaseerde elektrolyt. Hij bevat geen zeldzame, giftige of schaarse grondstoffen meer. De conceptauto laadt binnen een kwartier volledig op en de batterij kan relatief klein worden gebouwd. Tegelijkertijd is met de getoonde auto een rijbereik van meer dan 700 kilometer mogelijk.’’

De organische batterij laat zich ook volledig recyclen, is de verwachting van Hintennach. ,,We streven ernaar dat hij na gebruik gewoon op de composthoop kan. Aangevuld met zijn extreem hoge energiedichtheid en de mogelijkheid tot supersnel laden maakt deze technologie veel indruk op mij. Ook al is er misschien nog wel meer dan 15 jaar onderzoek nodig voordat we organische batterijen daadwerkelijk in onze auto’s kunnen toepassen, hun potentieel is overduidelijk.’’