Een batterij die én lang meegaat én extreem veel energie opslaat: het klinkt als de heilige graal van elektrische mobiliteit. Tot nu toe leek het een keuze tussen óf een grote actieradius óf een redelijke levensduur. Maar een recente doorbraak van het Chinese batterijbedrijf CATL zou dat dilemma zomaar eens kunnen oplossen.
In een baanbrekende studie, onlangs gepubliceerd in Nature Nanotechnology, presenteert CATL een lithium-metaalbatterij (LMB) die beide beloftes waarmaakt: een energiedichtheid van meer dan 500 Wh/kg én een levensduur van 483 cycli. Dat laatste is ongeveer het dubbele van wat tot voor kort haalbaar werd geacht voor dit type batterij. De implicaties voor elektrische auto’s en luchtvaart zijn enorm.
Lithium-metaalbatterijen: de volgende stap na lithium-ion
De meeste elektrische voertuigen rijden vandaag op lithium-ionbatterijen, een technologie die volwassen is maar ook tegen zijn grenzen aanloopt. Lithium-metaalbatterijen worden al jaren gezien als de opvolger vanwege hun intrinsiek hogere energiedichtheid. Door gebruik te maken van puur lithium als anode in plaats van grafiet, kunnen LMB’s veel meer energie opslaan per kilo. Het probleem? Ze degradeerden veel te snel.
De uitdaging zat hem vooral in de chemie van de batterij. Tijdens het opladen en ontladen ontstaan ongewenste reacties aan het grensvlak tussen de elektrolyt en de lithiumanode. Deze leiden tot het ontstaan van ‘dood lithium’ en de afbraak van de elektrolyt, wat op termijn tot falende cellen leidt. Veel onderzoekers probeerden dit op te lossen met nieuwe solvatiestructuren of beschermende tussenlagen, maar dat bleek meestal ten koste te gaan van de levensduur.
Van black box naar white box
Het onderzoeksteam van CATL besloot het fundamenteel anders aan te pakken. In plaats van nóg een additief toe te voegen, ontwikkelden zij een reeks analysetechnieken om de batterij stap voor stap te ontleden tijdens gebruik. Daarmee transformeerden ze de batterij van een “black box” – waarin men maar moest gokken wat er misging – tot een “white box” die haar geheimen prijsgaf.
Wat bleek? Niet de solventen, niet het dode lithium, en ook niet de solvatiestructuren waren de grootste boosdoeners. De belangrijkste oorzaak van falende cellen was de geleidelijke afbraak van het elektrolyt-zout LiFSI (lithium bis(fluorosulfonyl)imide). Aan het eind van de levensduur bleek maar liefst 71% van dit cruciale zout verbruikt.
Een simpele, maar doeltreffende oplossing
Met die kennis in de hand ging CATL terug naar de tekentafel. De oplossing bleek relatief eenvoudig: ze introduceerden een verdunner met een lager molecuulgewicht. Hierdoor kon de massa van het elektrolyt gelijk blijven, maar de concentratie van LiFSI wél omhoog. Tegelijkertijd verbeterde de ionische geleiding en daalde de viscositeit, wat de interne weerstand van de batterij verlaagt.
Het resultaat: een lithium-metaalbatterij met dezelfde laad-efficiëntie (CE) als eerdere modellen, maar met een verdubbelde levensduur. En dat zonder in te leveren op energiedichtheid.
Op weg naar commerciële toepassing
Met deze resultaten komt de commerciële inzet van lithium-metaalbatterijen weer een flinke stap dichterbij. Volgens CATL is het nieuwe ontwerp compatibel met bestaande batterijarchitecturen, en dus relatief eenvoudig te integreren in toekomstige generaties elektrische voertuigen of zelfs elektrische vliegtuigen. De combinatie van hoge capaciteit en verbeterde levensduur opent vooral perspectieven voor langeafstandstoepassingen – een domein waar de huidige lithium-iontechnologie tekortschiet.
Volgens Ouyang Chuying, co-president van R&D bij CATL, laat dit onderzoek zien hoe academisch inzicht en praktische innovatie elkaar kunnen versterken. “Onze bevindingen tonen aan dat zoutconcentratie – en specifiek het behoud ervan – de sleutel is tot duurzame batterijprestaties.”
Wat betekent dit voor consumenten?
Een batterij met 500 Wh/kg betekent grofweg een verdubbeling van de actieradius ten opzichte van huidige EV’s, bij gelijk gewicht. Denk aan een middenklasser die geen 400 maar 800 kilometer kan rijden zonder op te laden – of een auto met dezelfde actieradius maar een veel lichtere batterij, wat ook weer ten goede komt aan acceleratie en energieverbruik.
Daarnaast zorgt een langere levensduur ervoor dat de batterij minder snel vervangen hoeft te worden, wat niet alleen goed is voor de portemonnee, maar ook voor het milieu. Batterijen zijn namelijk een van de minst duurzame onderdelen van elektrische voertuigen – vooral als ze te snel verslijten.
Nog niet morgen, maar wel snel
Hoewel CATL nog geen precieze marktintroductie aankondigde, is de toon gezet: lithium-metaalbatterijen zijn niet langer een technologie van de toekomst, maar van de nabije toekomst. Zeker met de druk van overheden om emissievrije mobiliteit te versnellen, kan een batterij als deze het verschil maken.
Voorlopig blijft het afwachten of deze prototypes de overstap naar massaproductie ook daadwerkelijk maken, maar dat een belangrijke technische horde is genomen, lijkt wel zeker. Of zoals de wetenschappers het zelf samenvatten in Nature Nanotechnology: “De sleutel tot lange batterijduur is het behoud van zouten, niet het toevoegen van nieuwe complexiteit.”
