Mercedes biologische batterij_820

Professor Hintennach doceert Daimler-Benz-batterijtechniek

Batterij wordt biologisch

Lees verder 

Het hart van een elektrische auto is zijn batterij. Die is bepalend voor de voertuigprestaties, de prijs én voor de klimaat- en milieuvriendelijkheid over de hele levenscyclus van de auto. Wat mogen we van die batterij verwachten in de komende jaren? Wordt hij lichter, sterker, goedkoper? Professor Andreas Hintennach, Hoofd batterij-ontwikkeling bij Daimler-Benz, blikt voor AMT in zijn glazen bol.

Door Erwin den Hoed / Foto’s Daimler-Benz


“In een batterij-elektrische auto, een BEV, strekt de batterij zich uit van voor- tot achteras. En hij weegt vaak wel zo’n 600 kg”, zegt Professor Andreas Hintennach. Waar al die kilo’s uit bestaan? “Allereerst uit accucellen. In je mobieltje zit ook zo’n cel, in je labtop zitten er drie tot negen en in een elektrische auto vele honderden. Maar met alleen die accucellen ben je er niet. Ze moeten net zo lang meegaan als de auto. Om dat voor elkaar te krijgen, heb je een koelsysteem nodig. Dat koelsysteem wordt aangestuurd door een batterijmanagementsysteem, dat onder meer ook de spanningskalibratie van de cellen regelt. En om de cellen heen heb je een behuizing nodig.”


Biologische batterij


De batterij is het hart van de elektrische auto. Boven dit hart zit je als je in een Mercedes EQC-rijdt. De batterij bestaat uit twee modules van 48 accucellen en vier van 72 cellen. Maar met alleen de cellen ben je er niet. Alles wat nodig is rondom de cellen heet batterypack.

Balans tussen pack en cel

Al die dingen buiten de accucellen om noemt Prof. Hintennach het ‘pack’. En ook op packniveau stelt de toepassing in auto’s hoge eisen: “Het batterijmanagement is een computer met twee keer zoveel broncoderegels als in Microsoft Windows en drie tot vijf keer zoveel rekenkracht als in een desktop-pc. Het koelsysteem moet de accucellen direct na de start op een temperatuur van 25 tot 35 °C brengen en ze daarna onder alle weers-, laad- en rij-omstandigheden binnen dat temperatuurbereik houden. En de behuizing moet ook bij een crash met zware impact voorkomen dat de batterij vlam vat.”

 

Kortom: “Alles wat de accucellen zelf niet kunnen, moet het batterypack doen.” En dus is er een balans tussen pack en cel: “Een accucel die intrinsiek veilig is, hoef je niet zo extreem te beschermen bij een crash. Heb je zulke cellen, dan kun je de behuizing uit een lichte kunststof maken en op die manier veel kosten en gewicht sparen.”

Batterij

De batterij van een elektrisch voertuig is niet alleen groot en zwaar omdat al die accucellen bij elkaar groot en zwaar zijn, maar ook omdat die cellen een batterypack nodig hebben. Cellen die meer zelf kunnen hebben minder pack nodig.

Wat zit er in een lithium-ion cel?

Hintennachs research, en dus die van Mercedes, richt zich dan ook niet alleen op het verhogen van de energiedichtheid van de cellen, maar ook op cellen die met minder ‘pack’ toekunnen. Hoe? Voor de professor dat uitlegt, moeten we eerst meer over de lithium-ion accucel weten: “Zo’n cel is een setje hele dunne laagjes. Aan de buitenkanten van de cel heb je de beide accupolen, de kathode en de anode. De kathode is een dun stukje aluminiumfolie. Precies, dat wat je in de keuken gebruikt, maar dan dunner, want we willen ruimte besparen. Het is gecoat met kobalt, nikkel en mangaan. Let op, die metalen zijn duur en bij hun winning spelen ook sociale issues. Uiteraard auditen wij als Mercedes-Benz zorgvuldig de herkomst van het kobalt. En we proberen het gebruik ervan zoveel mogelijk te beperken, liefst zelfs helemaal te vermijden.” 

 

Mercedes biologische batterij_821

Een Li-ion accucel bestaat uit drie dunne laagjes die in een vloeistof staan.

Mercedes biologische batterij_822

Li-ion batterijen zien we sinds het einde van de jaren nul in auto’s. Sindsdien zijn hun kosten met de helft gedaald en is hun energiedichtheid verdubbeld.

Nog twee laagjes

Het laagje aan de andere kant van de cel is de anode. “Dat is een stukje koperfolie bekleed met grafiet.“ In tegenstelling tot de coating van de kathode is die van de anode niet duur: “Grafiet is koolstof. In vergelijking met de metalen op de kathode is dat heel goedkoop materiaal.”Kathode en anode worden elektrisch van elkaar geïsoleerd door een derde laagje: “De separator wordt gevormd door een stukje kunststof folie.”De drie laagjes van zo’n accucel bevinden zich in een vloeistof, het elektrolyt: “Dat is net zo brandbaar als benzine. Daarom moet de behuizing perfect afsluiten en onder alle omstandigheden dat elektrolyt binnen houden, ook na een zware crash.”

 

En het lithium?

Eén element heeft Hintennach dan nog niet genoemd. De lithium-ionen: “Die bevinden zich tussen het kobalt, nikkel en mangaan waarmee de kathode bekleed is. Als we nu de batterij gaan laden, bewegen we negatief geladen elektronen van de kathode naar de anode. Om de lading in evenwicht te brengen, bewegen de positief geladen lithium-ionen via het elektrolyt door de separator naar het grafiet op de anode. Daar willen ze van nature niet zijn. Vergelijk het met een waterkrachtcentrale. Het water is nu tegen de zwaartekracht in omhoog gepompt naar het stuwmeer. Wat daar de zwaartekracht is, is in een batterij het elektrochemisch potentiaal.”

De lithium-ionen willen terug

Sluiten we nu de stroomkring, dan kunnen de lithium-ionen weer terugstromen naar waar de natuur ze graag wil hebben, de kathode. “De elektronenstroom die dat veroorzaakt, kun je gebruiken om een elektromotor en andere gebruikers aan te drijven. Dit proces kun je vele duizenden keren herhalen voor de batterij het einde van zijn levensduur bereikt.”

 

Meer nikkel, minder kobalt

Deze Li-ion technologie is nog wel 9 tot 12 jaar bij ons, denkt Hintennach, maar ondertussen wordt er hard gewerkt aan verbeteringen. Hij begint bij de kathode met zijn coating van dure metalen: “In de afgelopen jaren hebben we het nikkelaandeel vergroot om het kobaltaandeel te kunnen verlagen. Enkele jaren geleden was het nog een derde, in de e-smart is het nu 60 procent en de EQS heeft straks kathodes met een coating uit 80 procent nikkel.”


Mercedes biologische batterij_823

De lader stuurt negatief geladen elektronen naar de anode. Dat dwingt de positief geladen lithium ionen om vanaf de kathode door de separator (die geen elektronen doorlaat) naar de anode te gaan. Daar willen ze eigenlijk niet zijn. Als de negatief geladen elektronen (via een belasting) terug kunnen naar de anode, brengen de positief geladen elektronen die stroom graag op gang door weer terug naar de kathode te bewegen.



Batterij

Hoe batterijen in de nabije en iets verdere toekomst nog compacter, lichter en goedkoper worden: Door kostbare metalen overbodig te maken, en door accucellen inherent veilig te maken. 


Geen metalen maar afval

Mooi, maar nog liever zou Hintennach van het kobalt, mangaan én nikkel af zijn. “Daarom werken we aan een zwavelcoating op de kathode. Zwavel is een afvalproduct uit de industrie, het is dus goedkoop. Het is bovendien voor 100 procent recyclebaar en het zou het gewicht van accucellen met wel 45 procent kunnen terugbrengen bij dezelfde energie-inhoud.” Dat klinkt veelbelovend, maar voorlopig zitten er nog geen zwavelgecoate kathodes in auto’s. “Voorlopig is de levensduur nog een probleem. Reken op nog tien jaar ontwikkelingstijd.”

Silica voor grafiet

Al ver voor die tijd verwacht Hintennach een aanpassing aan de andere accupool: “Daar willen we het grafiet vervangen door silica.” Huh? Grafiet is goedkoop en niet milieuvervuilend, toch? Nou, dat laatste niet helemaal: “Grafiet is koolstof en bij de recycling kán dat worden omgezet in CO₂. Dat willen we voorkomen. Bovendien kunnen we met een silicacoating de energiedichtheid met 20 tot 25 procent vergroten.”Hoe lang we nog op silica gecoate anodes moeten wachten? “Eigenlijk zijn ze er al. Apple gebruikt ze al in draadloze bluetooth oordopjes. Maar voor toepassing in auto’s is nog wat meer testwerk en ontwikkeling nodig.”

Vast elektrolyt

Ook dichtbij is de ASSB, de All Solid State Battery: “Die heeft geen vloeibaar elektrolyt in zijn accucellen. Daardoor kun je het pack eenvoudiger en lichter maken. De cellen van zo’n droge batterij bestaan uit extreem dunne keramische laagjes. Dat is lastig in de productie. Niet onmogelijk, want in brandstofcellen gebruiken we die ook.”

Er rijdt al een Mercedes-stadsbus met zo’n ASSB. Hintennach legt uit waarom juist een stadsbus: “Een droge accucel is inherent veilig. Een personenauto kun je snel verlaten in een noodgeval, in een bus kan de evacuatie langer duren. Daarom is dat voor een bus belangrijker dan voor een auto.” En er is nog een reden: “Een ASSB kun je niet snelladen. In een stadsbus is dat een minder groot probleem dan in een personenauto.”


Lithium-lucht batterij

Juist weer wat verder in de toekomst ziet Hintennach de Li-oxygen of lithium-luchtbatterij. Zo’n batterij wekt stroom op door oxidatie van lithium aan de anode en reductie aan de kathode. Dat geeft een energiedichtheid die onvergelijkbaar veel beter is dan die van de huidige Li-ion-batterijen en eerder te vergelijken is met die van benzine. De constructie van zo’n Li-oxygen accucel lijkt op die van een brandstofcel. Dus dat zou te produceren moeten zijn. Vooralsnog is het opladen een groot probleem. Dat vraagt veel tijd en de cel kan maar een zeer beperkt aantal laadcycli doorstaan. “Ik verwacht dat we voor de Li-oxygen batterij nog wel vijftien jaar nodig”, zegt Hintennach.

Drie keer doctor

Andreas Hintennach is senior manager batterijresearch bij Daimler-Benz. Voor dit soort functies worden in het algemeen vrij slimme mensen gevraagd. Dat Hintennach slim is, is een understatement. Hij is gepromoveerd in chemie, medicijnen én economie. Voor hij in 2010 bij Daimler-Benz kwam, deed hij onderzoek naar lithium-lucht batterijen voor het hoog aangeschreven Massachusetts Institute of Technology in Boston (MIT). Nu houdt hij zich voor Daimler-Benz bezig met fundamenteel onderzoek naar de ontwikkeling van komende batterijgeneraties en met nieuwe manieren van dataverwerking zoals blockchaintechnologie en de quantumcomputer. Oh ja, en sinds 2014 is hij ook professor in de medicijnen.


Biologische batterij

Multitalent Professor Dr Dr med Andreas Hintennach.

Van de wieg tot het graf

Tot die tijd ziet de prof het helemaal niet somber in: “Alle parameters bewegen de goede kant op. In 1990 was een Li-ion batterij even duur als goud. Nu komt de magische grens van € 100 per kWh binnen bereik en binnen vijf jaar is dat zelfs nog maar € 60 tot € 65.” Ook over de invloed van elektrische auto’s op het klimaat is Hintennach optimistisch. “Wij onderzoeken voortdurend de impact over de hele levenscyclus. Dat wil zeggen vanaf de productie via het gebruik tot de recycling. In zulke LCA’s (Life Cycle Assessments) was de BEV tot 2015 slechter dan de auto met verbrandingsmotor. Maar in de laatste vier, vijf jaar hebben we zulke immense verbeteringen kunnen doorvoeren dat het nu echt omgekeerd is.”

 

De elektrische auto loopt uit

Dat verschil wordt vanaf nu alleen maar groter: “Bedenk dat we straks bij de volgende generatie elektrische voertuigen gebruik kunnen maken van de gerecyclede materialen uit de huidige batterijen. En dat we straks met de Li-sulphur batterijen helemaal geen metalen meer op de kathode hebben. Wat we er niet in stoppen, hoeven we er ook niet uit te halen.”

 

Biobatterij

Hintennach sluit af met zijn toekomstdroom: “De organische batterij. Die is geproduceerd uit biomassa en volledig composteerbaar. Met zo’n batterij een auto aandrijven is niet onmogelijk, maar het ligt nog wel wat verder weg in de toekomst.”

Mercedes biologische batterij_824

In zijn ‘Ambitie 2039’ spreekt Daimler-Benz uit dat het over 19 jaar allemaal volledig CO2-neutraal moet, zowel de productie van auto’s als het rijden ermee tot en met de recycling. “Allesomvattende duurzaamheid”, noemt Professor Hintennach dat.



Mercedes biologische batterij_825

De organische batterij is een toekomstige schakel in die allesomvattende duurzaamheid. Hij is opgebouwd uit organische materialen, dus geen lastig te recyclen schaarse metalen, geen brandbaar en giftig elektrolyt, maar wel razendsnel op te laden. Het kan, zegt de Prof, maar: “Het ligt nog wat verder in de toekomst.”


WolfOil

Mercedes biologische batterij

5/9
Loading ...