Simpel toch? Alleen is niets aan deze batterijen eigenlijk eenvoudig als je eenmaal in de details begint te graven, wat ik ga doen omdat ik er niets aan kan doen.
Waarom lithium? (Hier word ik irritant)
Element nummer 3. Waterstof, helium, lithium. Dat is de volgorde. Superklein atoom omdat het maar 3 protonen heeft.
En hier gaat het over lithium - het wil ECHT van zijn buitenste elektron af. Zoals het wanhopig graag wil. Op die manier is het nogal instabiel. Ken je die video's van mensen die natrium in water gooien en het bruist en vlam vat? Lithium doet dat, maar MEER. Ik heb ooit tijdens een veiligheidsdemonstratie in 2011 (of 2012?) iemand een stuk lithiummetaal in een emmer water zien laten vallen en het was eerlijk gezegd best eng hoe snel het reageerde. De emmer smolt.
Wacht nee, de emmer is niet gesmolten. Het water kookte en het lithium vloog in brand op het oppervlak. De emmer was prima. Mijn geheugen is rot.
Hoe dan ook, het punt is: puur lithiummetaal is gevaarlijk. Dat is de reden waarom moderne lithium-ionbatterijen geen puur lithiummetaal gebruiken - maar lithium-IONEN. Reeds geoxideerd lithium. De Li+-vorm. Veel stabieler.
De spanning die je krijgt is ongeveer 3,6-3,7V per cel, wat behoorlijk is. Beter dan alkalisch (1,5 V) of NiMH (1,2 V). Dit betekent dat u minder cellen nodig heeft om uw doelspanning te bereiken. Daarom heeft de batterij van uw laptop 6 cellen in plaats van 15.
Ook - en ik hadden moeten vermelden dat dit eerste - lithium LICHT is. Derde lichtste element. Je krijgt dus een hoge energiedichtheid zonder waanzinnig gewicht. Daarom gebruiken elektrische auto's lithium-ion en geen lood-zuur. Een lood-zuuraccu met dezelfde energie zou letterlijk vijf tot zes keer zoveel wegen. Uw Tesla heeft een vorkheftruck nodig om de batterij te vervangen.
De eigenlijke componenten (maak je riem vast, dit wordt technisch)
Anode (negatieve kant):
Meestal grafiet. Ja, hetzelfde spul dat in potloden zit, alleen veel zuiverder en anders verwerkt.
Grafiet heeft deze gelaagde kristalstructuur - stel je een pak kaarten voor op atomair niveau. De lagen worden bij elkaar gehouden door zwakke Van der Waals-krachten (de scheikunde op de middelbare school komt terug om je te achtervolgen). Lithiumionen kunnen tussen deze lagen doorglippen en daar gewoon rondhangen. De technische term is 'intercalatie', maar ik zie het als het parkeren van auto's in een garage met meerdere- verdiepingen.
De theoretische maximale capaciteit is 372 milliampère-uur per gram. In de echte-wereld krijg je 340-360 mAh/g als de productie niet slecht is. Ik heb cellen van sommige Chinese fabrikanten gezien die nauwelijks 310 mAh/g konden halen. Ik ga geen namen noemen, maar als je de letters in "BYD" herschikt, krijg je... oké, ik noem namen. Hun vroege cellen waren ruw. Ze zijn echter veel beter geworden sinds 2018.
Nu blijft iedereen praten over siliciumanodes, omdat silicium theoretisch 10x meer lithium kan bevatten dan grafiet. Klinkt geweldig toch? 3700+ mAh/g theoretische capaciteit.
Het probleem - en dit is het probleem dat "bijna opgelost" is sinds ik in deze industrie begon - is dat silicium met ongeveer 300% uitzet als je het lithiëert. De deeltjes barsten letterlijk uit elkaar. Stel je voor dat je een ballon opblaast in een betonblok. Het beton buigt niet, het breekt gewoon.
Tesla gebruikt nu wat silicium, gemengd met grafiet. Misschien 5-10% silicium? Ik heb gehoord dat het 8% was, maar misschien heb ik het mis. Het punt is dat het om een klein bedrag gaat. Zuivere siliciumanodes zijn nog steeds niet klaar, ondanks wat het Series A-pitchdeck van elke startup beweert.
Kathode (positieve kant):
O jongen. Dit is waar het rommelig wordt, want er zijn zes verschillende kathodechemieën en iedereen heeft meningen over welke de beste is, maar ze hebben het allemaal mis omdat het afhangt van je toepassing.
Het originele exemplaar van Sony uit 1991 was lithiumkobaltoxide - LiCoO₂. We noemen het kortweg "LCO". De energiedichtheid is redelijk goed - 150-200 mAh/g, afhankelijk van wie het gemaakt heeft. Maar de thermische stabiliteit is verschrikkelijk. Als je hem te veel oplaadt of te heet wordt, geeft de kristalstructuur zuurstof af. Zuurstof + organische elektrolyt + warmte=slechte dag. Je telefoon maakt echter waarschijnlijk gebruik van LCO, omdat telefoons geen tien jaar meegaan en je ze niet snel-oplaadt bij 10 graden Celsius.
Dan is er NMC - nikkel-mangaan-kobaltoxide. Dit is wat de meeste EV's nu gebruiken. De verhouding nikkel, mangaan en kobalt blijft veranderen. Begonnen als 1:1:1 (gelijke delen). Vervolgens stapten fabrikanten over op 5:3:2. Dan 6:2:2. Nu zitten we in sommige high-end cellen op 8:1:1 of zelfs 9:0,5:0,5.
Waarom de verschuiving? Kobalt is duur. Als heel duur. Ook komt het meeste kobalt uit de DRC (Democratische Republiek Congo) en de mijnbouwsituatie daar is... ingewikkeld. Kinderarbeid, onveilige omstandigheden, de hele puinhoop. Iedereen probeert dus minder kobalt te gebruiken.
Meer nikkel=meer capaciteit maar minder thermische stabiliteit. Meer mangaan=goedkoper en stabieler, maar minder capaciteit. Meer kobalt=stabieler en beter cyclusleven, maar $$$ en ethische problemen.
Het zijn altijd afwegingen-. Altijd. Ik heb hierover zoveel ruzie gehad met productmanagers. Ze willen een hoge energiedichtheid EN een lange levensduur EN lage kosten EN goede veiligheid. Je kunt er misschien twee kiezen. Misschien.
Er is ook NCA - nikkel-kobalt-aluminium. Tesla gebruikte dit jarenlang in hun lange--pakketten. Panasonic maakte ze in de gigafabriek in Nevada. Ik heb een keer een rondleiding gehad door een andere batterijfabriek - niet die, maar die van een concurrent - en alleen al de droge ruimte was krankzinnig. Het luchtbehandelingssysteem heeft waarschijnlijk $50+ miljoen gekost. Alles moet onder de -40 graden dauwpunt zijn, anders absorbeert het elektrolytzout vocht en ontstaat fluorwaterstofzuur. HF eet overal doorheen. Glas, metaal, bot. Nare dingen.
Oh en LFP - lithiumijzerfosfaat. Deze maakt een comeback. Het is veiliger, goedkoper per kWh en gaat langer mee. Ik heb gehoord dat LFP-cellen 5000+ cycli uitvoeren tot een capaciteit van 80%. Misschien zelfs 6000. Het nadeel is een lagere energiedichtheid -, slechts 120-140 mAh/g versus 180-200 voor NMC.
Tesla begon rond 2021 LFP in hun Standard Range Model 3's te plaatsen. De Chinese markt kreeg ze als eerste. Logisch - CATL is de grootste LFP-fabrikant en ze zitten in China.
Sommige mensen klagen over verlies van LFP-bereik bij koud weer. Het is nog erger dan NMC. Maar de cellen zijn goedkoper en gaan langer mee, dus voor veel toepassingen is het de moeite waard-. Ik zou een LFP-pakket nemen voor een stadsauto. Voor een lange- snelwegcruiser misschien niet.
Elektrolyt:
Dit is de vloeistof in het midden. Het geleidt ionen, maar geen elektronen, wat belangrijk is, want als het elektronen zou geleiden, zou er gewoon kortsluiting ontstaan.
Meestal is het lithiumhexafluorfosfaat - LiPF₆ - opgelost in organische oplosmiddelen. De oplosmiddelen zijn doorgaans een mengsel van ethyleencarbonaat (EC) en dimethylcarbonaat (DMC) of diethylcarbonaat (DEC).
Hier is een raar detail: EC is vast bij kamertemperatuur. Het smeltpunt ligt rond de 36 graden. Zuivere EC zou dus in de winter bevriezen. Daarom meng je het met DMC of DEC, die vloeibaar zijn tot -70 graden of wat dan ook. Het mengsel blijft onder redelijke omstandigheden vloeibaar.
Ook organische carbonaten zijn brandbaar. Niet op benzine-niveau ontvlambaar, maar zeker ontvlambaar. Ik heb ooit een nagelpenetratietest gezien waarbij we opzettelijk een spijker door een volledig opgeladen cel sloegen. Er werd eerst gas afgevoerd - knallend geluid - daarna schoten de vlammen uit het ventilatiegat. Reikte zo'n 2 meter hoog. De hele cel bereikte een temperatuur van misschien wel 800 graden, gebaseerd op de beelden van de thermische camera.
Dat was een gecontroleerde test met brandbestrijding en zo. Toch nog steeds beangstigend.
Het LiPF₆-zout is hygroscopisch als de hel. Houdt van water. Als het nat wordt, hydrolyseert het tot HF. Daarom gebeurt de productie van batterijen in extreem droge ruimtes. Ik heb het over een dauwpunt van -40 graden of lager. Het ontvochtigingssysteem is doorgaans een van de grootste energieverbruikers in een celfabriek.
Ik bezocht eens een faciliteit waar de droge ruimte zo droog was dat het pijn deed om te ademen. Je neus droogt binnen enkele minuten uit. Iedereen die daar werkte, moest voortdurend een zoutoplossing gebruiken. Geen prettige werkomgeving.
scheidingsteken:
Het vergeten onderdeel. Het is maar een dun polymeermembraan, maar het is van cruciaal belang.
Meestal polypropyleen (PP) of polyethyleen (PE). Soms een drielaags met PP-PE-PP. De dikte is doorgaans 20-25 micron. Dat is dun. Dunner dan een mensenhaar (70-100 micron).
Het heeft microscopisch kleine poriën - met een diameter van ongeveer 100 nanometer - die ionen doorlaten maar elektronen blokkeren. Ook houdt het de anode en kathode fysiek gescheiden. Als ze=kortsluiting=aanraken, gebeuren er snel slechte dingen.
Herinner je je de Samsung Galaxy Note 7-branden nog? 2016. Dat kwam mede door schade aan de afscheider. Samsung heeft de batterij te agressief ontworpen. Te dun, te strak verpakt, geen tolerantie voor uitzetting. Bij sommige cellen was de afscheider in één hoek te hard gedrukt. Zwakke plek ontwikkeld. Uiteindelijk een gaatje gekregen. Intern kort. Thermische wegloper. Vuur.
Ze hebben 2,5 miljoen telefoons teruggeroepen. Verbannen uit vliegtuigen. Kost Samsung miljarden. En dat allemaal dankzij een stuk plastic dat dunner is dan papier.
Ik heb een mening over een agressief batterijontwerp. Fabrikanten blijven dunner en lichter pushen om de concurrentie te verslaan. Maar er is een limiet. De natuurkunde geeft niets om uw productlanceringsschema.
Hoe het eigenlijk werkt (het deel dat iedereen overslaat)
Opladen:
Je sluit je telefoon aan. De lader dwingt elektronen in de anode en trekt ze uit de kathode. Hierdoor geeft de kathode lithiumionen vrij. De ionen reizen door de elektrolyt naar de anode. Ze worden geïntercaleerd in de grafietstructuur.
Zie het als het samendrukken van een veer. De lithiumionen willen van nature niet in de anode zitten - ze zijn stabieler in de kathode. Maar je dwingt ze daarheen door spanning aan te leggen. Opgeslagen energie.
Ontladen:
U koppelt uw telefoon los en gebruikt deze. De lente-releases. Lithiumionen stromen via de elektrolyt terug naar de kathode. Elektronen stromen door het circuit van uw telefoon, van anode naar kathode. Die elektronenstroom drijft je apparaat aan.
De spanning is afhankelijk van de chemie en de laadtoestand. Voor NMC of NCA:
Volledig opgeladen: ~4,2 V
Nominaal: ~3,7V
Volledig ontladen: ~3,0 V
Ga niet onder de 3,0 V, anders begin je met het galvaniseren van lithiummetaal, wat gevaarlijk is. Ga niet boven de 4,2 V, anders riskeert u een thermische runaway. Daarom bestaan er batterijmanagementsystemen (BMS). Ze bewaken de spanning, de temperatuur en de stroom en schakelen de boel uit als er iets mis lijkt.
Een goed BMS-ontwerp is moeilijk. Echt moeilijk. U hebt snelle responstijden, nauwkeurige sensoren en redundante veiligheidscontroles nodig. Een goedkoop GBS is een van de snelste manieren om van een fatsoenlijke batterij brandgevaar te maken.
De problemen (oh man, er zijn zoveel problemen)
Probleem 1: Degradatie is onvermijdelijk
Elke laad-ontlaadcyclus beschadigt de batterij. Onvermijdelijk. Thermodynamica.
Er bestaat zoiets als de SEI-laag - vaste elektrolyt-interfase - die zich vormt op het anode-oppervlak. Het is eigenlijk noodzakelijk dat de batterij functioneert. Maar het blijft in de loop van de tijd groeien en verbruikt actief lithium. Na 500 cycli heb je mogelijk nog 90% capaciteit over. Na 1000 misschien 80%. Na 2000... hangt ervan af.
Ik heb een MacBook uit 2015 die nog steeds een batterijstatus van 78% vertoont. Maar ik ben er blij mee - laat hem zelden onder de 40% komen, laat hem indien mogelijk aangesloten en laad hem nooit op in een hete auto. Mijn vrouw heeft een MacBook uit 2018 die voor 62% gezond is, omdat ze er hard mee werkt. Dagelijks volledige cyclus, laat hem 's nachts opladen en gebruikt hem op schoot als het warm is. Hoe u de batterij behandelt, is VEEL van belang.
De kathode degradeert ook. NMC met een hoog-nikkelgehalte is bijzonder slecht. Boven de 4,3V begint het kathodeoppervlak te reageren met elektrolyt. Overgangsmetaalionen (nikkel, mangaan, kobalt) kunnen oplossen en naar de anode migreren, waar ze de SEI verpesten. Er bestaat ook zoiets als kathodeverdichting, waarbij de kristalstructuur langzaam compacter wordt en de porositeit verliest.
Dit kan ik eigenlijk niet voorkomen. Het is gewoon chemie. Entropie wint altijd.
Probleem 2: Temperatuur vernietigt alles
Onder de 0 graden wordt het elektrolyt stroperig als koude honing. Het ionentransport vertraagt. Je verliest misschien 20-30% capaciteit bij -10 graden. Erger nog, als je een koude batterij snel probeert op te laden, breng je metallisch lithium op de anode aan in plaats van het te intercaleren. Hierdoor ontstaan dendrieten: naaldachtige structuren van lithiummetaal die kunnen groeien en uiteindelijk de afscheider kunnen doorboren. Intern kort. Vuur.
Boven de 40-45 graden versnellen alle afbraakreacties. Vuistregel: elke 10 graden stijging verdubbelt de reactiesnelheid. Een batterij bij 45 graden gaat dus ongeveer 4x sneller achteruit dan bij 25 graden.
Ik woon in Texas. Zomertemperaturen bereiken 100 graden F+ (38 graden +). Ik heb EV-batterijen gezien die in drie jaar tijd 15% capaciteit verloren, alleen al door blootstelling aan hitte. Ondertussen gaan elektrische auto's in Minnesota in de zomer nauwelijks achteruit -, maar verliezen ze in de winter hun bereik als gevolg van de kou. Kan niet winnen.
De ideale bedrijfstemperatuur is ongeveer 20-25 graden. Veel succes met het handhaven daarvan in de echte wereld.
Probleem 3: Snel opladen is inherent problematisch
Iedereen wil EV's in 10-minuten opladen, net als bij een benzinestation. Maar als er enorme stroom door een batterij wordt geduwd, ontstaat er warmte. I²R-verliezen - stroom in het kwadraat maal weerstand. De weerstand is klein maar niet nul. Bij opladen met 250 kW genereer je aanzienlijke warmte.
Ook snel opladen belast de elektrodematerialen mechanisch. Dwingt ionen om snel door de structuur te bewegen. Kan na verloop van tijd barsten en deeltjesbreuk veroorzaken.
Tesla Superchargers (V3) kunnen een piek van 250 kW leveren. Maar ze worden snel minder. Misschien 250 kW gedurende 5 minuten, dan 150 kW, dan 100 kW en dan 50 kW. Dat is het BMS dat de cellen beschermt.
Nieuwere 800V-systemen van Porsche en Hyundai kunnen 350 kW leveren. Maar slechts kort. Natuurkunde is natuurkunde.
Er wordt onderzoek gedaan naar snel-opladen-geoptimaliseerde elektrodeontwerpen. Dunnere elektroden, kleinere deeltjes, betere coatings. Het helpt. Maar je kunt de thermodynamica niet bedriegen.
Probleem 4: Brand
Lithium--ionbatterijen vatten niet vaak vlam. Veel minder dan benzineauto's. Maar als ze dat doen, is het dramatisch.
Thermische wegloper. Zodra een cel een kritische temperatuur bereikt - varieert per chemie, misschien 150-200 graden - exotherme reacties. SEI ontleedt. De afscheider smelt. Elektrolyt kookt. Kathode geeft zuurstof af. Elke reactie produceert warmte die meer reacties uitlokt. Positieve feedbacklus.
Je kunt het niet blussen met water zoals bij een normale brand. Ik bedoel, je kunt er water op dumpen om het af te koelen, maar de cel blijft intern warmte genereren. Brandweerkorpsen haten EV-branden. Neem uren om uit te zetten. Kan later opnieuw ontbranden.
Moderne cellen hebben echter veiligheidsvoorzieningen. Uitschakelafscheiders die sluiten bij verhitting. Drukopeningen. Huidige onderbrekingen. Thermische zekeringen. Bovendien houdt het BMS alles in de gaten.
Gebeurt echter nog wel eens. Haalt elke keer het nieuws, ook al zijn elektrische auto's statistisch gezien veiliger dan benzineauto's. PR-probleem.
Probleem 5: Kobalt-ethiek
70% van het kobalt komt uit de DRC. Veel ervan komt uit ambachtelijke mijnen met slechte arbeidsomstandigheden. Rapporten over kinderarbeid. Milieuschade. Het is een puinhoop.
Iedereen probeert minder kobalt te gebruiken. NMC met een hoog-nikkelgehalte gebruikt heel weinig. LFP gebruikt nul. Maar kobalt stabiliseert wel de kathodestructuur. Zonder dit hebt u een beter thermisch beheer en strengere spanningslimieten nodig.
De kobaltprijzen zijn ook krankzinnig. Minder dan $30.000/ton in 2016. Stijgend naar $90.000+ in 2018. Gecrasht naar $25.000 in 2020. Nu ongeveer $35.000/ton. Hoe plant u de productie als uw grondstofkosten driemaal fluctueren?
Probleem 6: Chaos in de toeleveringsketen
De lithiumprijzen zijn in 2021-2022 absoluut gek geworden. $6.000/ton in 2020. Piek van ongeveer $80.000/ton eind 2022. Crashte naar $12.000/ton in 2024. Nu ongeveer $15.000/ton in 2025.
Het meeste lithium komt uit Australië (hardsteenwinning) of Zuid-Amerika (pekelwinning uit zoutvlakten in Chili/Argentinië/Bolivia - de "lithiumdriehoek"). Maar de meeste verwerking vindt plaats in China. Zoals 75% van de wereldwijde lithiumraffinagecapaciteit.
China controleert ook de productie van batterijen - 75% van de wereldwijde celproductie. En 90% van de anodematerialen (grafietverwerking).
Dit is de reden waarom de VS en Europa zich inspannen om binnenlandse toeleveringsketens op te bouwen. Maar het is langzaam. Het duurt jaren om een gigafabriek te bouwen. Het duurt langer om de upstream supply chain op te bouwen.
Lithium van batterij-kwaliteit moet ultrapuur zijn. Minder dan 0,01% onzuiverheden. Dat raffinageniveau is niet goedkoop of snel.
Waarom we (voorlopig) vastzitten aan lithium{0}}ion
Ondanks alles waar ik zojuist over klaagde, is lithium-ion nog steeds de beste optie op commerciële schaal.
Energiedichtheid: 250-300 Wh/kg op celniveau. Misschien 160-180 Wh/kg op pakketniveau na toevoeging van koeling, structuur en BMS. Dat is genoeg voor elektrische voertuigen van 300+ mijl zonder belachelijk gewicht.
Vergelijken:
Lood-zuur: 30-50 Wh/kg (verdomd zwaar)
NiMH: 60-120 Wh/kg (wat Prius gebruikte)
NiCd: 40-60 Wh/kg (ook giftig, grotendeels uitgefaseerd)
De productie is volwassen. Tientallen leveranciers. Meerdere gigafabrieken. Opgezette toeleveringsketens. Economie van schaal.
De gigantische fabriek van Tesla in Nevada mikt op 35 GWh/jaar. Dat is genoeg voor meer dan 500.000 elektrische voertuigen. CATL in China doet zelfs nog meer - ik denk 200+ GWh/jaar? Misschien 300? Ik zou het moeten controleren.
De hele infrastructuur gaat ook uit van lithium-ion. Laadstandaarden (CCS, NACS, CHAdeMO). BMS-algoritmen. Veiligheidsvoorschriften. Recyclingprocessen. Je kunt niet zomaar een andere chemie inruilen zonder alles opnieuw te ontwerpen.
Wat zou er uiteindelijk voor in de plaats kunnen komen
Vaste-batterijen:Vervang vloeibare elektrolyt door massief keramiek of glas of sulfidemateriaal. Voordelen: geen lekkage, minder brandrisico, gebruik eventueel lithiummetaalanodes voor een hogere energiedichtheid.
QuantumScape, Solid Power, Toyota, Samsung - iedereen werkt eraan. QuantumScape claimt 800 Wh/kg in laboratoriumcellen met 800+ cycli. Indrukwekkend als het waar is.
Problemen: grensvlakweerstand tussen vaste elektrolyt en elektroden. Moeilijk om goed contact te behouden gedurende duizenden cycli als materialen uitzetten/krimpen. De meeste vaste elektrolyten zijn broos - dendrieten kunnen er doorheen breken. Productie op schaal is volledig onbewezen.
Ik ben sceptisch dat we dit vóór 2030 in reguliere auto's zullen zien. Misschien in 2028 als iemand een doorbraak heeft. Maar waarschijnlijk later. Ik heb de afgelopen tien jaar gehoord dat er over vijf jaar een solide- toestand zal zijn.
Lithium-zwavel:Theoretische energiedichtheid van 2600 Wh/kg. Zwavel is goedkoop en overvloedig aanwezig.
Probleem: polysulfide-shuttle-effect. Tussenproducten lossen op in elektrolyt, waardoor de capaciteit snel afneemt. Na 50 cycli is de batterij leeg.
Dit is al 20+ jaar "bijna opgelost". Nog steeds niet daar.
Natrium-ion:Het gebeurt nu eigenlijk. CATL is in 2023 met de productie begonnen. BYD werkt eraan.
Natrium is overal (zeewater). Veel goedkoper dan lithium. Kan soortgelijke productieapparatuur gebruiken.
Maar de energiedichtheid is lager: 150-160 Wh/kg versus 250-300 voor lithium-ion.
Zinvol voor stationaire opslag en budget-EV's. Lithium{1}}ion in premiumproducten zal op korte termijn niet worden vervangen.
Lithiummetaalanodes:Gebruik lithiummetaal in plaats van grafiet. Bewaar vloeibare elektrolyt. Kan 400-500 Wh/kg bereiken op celniveau.
Het dendrietprobleem blijft bestaan. Iedereen heeft zijn eigen oplossing - coatings, elektrolytadditieven, etc. We zullen zien wie als eerste slaagt.
Oh enlithium-polymeer batterijen- zou deze waarschijnlijk moeten vermelden. Ze gebruiken gel of vaste polymeerelektrolyt in plaats van vloeistof. Dunnere, lichtere, flexibelere vormen. Je draadloze oordopjes hebben er waarschijnlijk één. Iets veiliger dan vloeistof, maar de energiedichtheid is ongeveer hetzelfde. Het is nog steeds lithium-ion-technologie, alleen anders verpakt. Marketingafdelingen noemen ze graag 'LiPo' alsof het iets revolutionairs is. Dat is het niet.
