Professor Hintennach doceert Daimler-Benz-batterijtechniek

Batterij wordt biologisch

“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.”

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.”

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.” 

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.”

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.

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.”

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.