Natriumionaccu’s worden vaak genoemd als goedkoper alternatief voor lithiumionbatterijen. Toch betekent een lagere prijs nog niet dat fabrikanten zomaar de ene batterij voor de andere kunnen omwisselen. Onderzoekers van het Amerikaanse Southwest Research Institute hebben daarom een methode ontwikkeld die precies moet aangeven wanneer zo’n overstap technisch mogelijk is en wanneer een ontwerp toch moet worden aangepast.
Lithiumionbatterijen zijn inmiddels vrijwel overal te vinden. Ze zitten in laptops en elektrisch gereedschap, maar ook in elektrische auto’s en grote opslagsystemen. Hun succes is vooral te danken aan de hoge energiedichtheid. Met relatief weinig gewicht kan behoorlijk veel energie worden opgeslagen.
Daar staat tegenover dat de vraag naar lithium blijft groeien en dat winning en verwerking kostbaar zijn. Fabrikanten kijken daarom al langer naar natriumiontechnologie. Natrium is ruimer beschikbaar en de cellen kunnen gebruikmaken van goedkopere materialen. De keerzijde is dat ze doorgaans minder energie opslaan per kilogram en daardoor voor dezelfde hoeveelheid energie groter of zwaarder uitvallen. Dat maakt de vraag of natrium lithium kan vervangen ingewikkelder dan alleen een vergelijking van specificaties.
Een batterij is meer dan zijn capaciteit
Bij batterijtests worden normaal gesproken eigenschappen zoals capaciteit, spanning, interne weerstand, rendement en maximaal vermogen naast elkaar gelegd. Volgens de onderzoekers van Southwest Research Institute, kortweg SwRI, zegt dat niet automatisch genoeg over de bruikbaarheid in een echt apparaat. Een cel kan op papier bijvoorbeeld een lagere capaciteit hebben en toch prima geschikt zijn voor een toepassing die vooral gedurende korte tijd veel vermogen vraagt. Andersom kan een batterij met aantrekkelijke laboratoriumwaarden tekortschieten zodra de belasting, temperatuur of laadcyclus verandert.
SwRI ontwikkelde daarom de Electrical Interchangeability Index, of EII. Die index moet aangeven in hoeverre twee verschillende typen batterijen binnen een concrete toepassing dezelfde elektrische taak kunnen uitvoeren. De onderzoekers vergelijken daarbij niet alleen hoeveel energie een cel bevat, maar ook hoe goed deze het gevraagde vermogen kan leveren en opnemen binnen de grenzen van het systeem.
Test met bekende 18650-cellen
Voor het eerste onderzoek richtte SwRI zich op cellen van het zogenoemde 18650-formaat. Dat zijn cilindervormige batterijen van 18 millimeter doorsnee en 65 millimeter lang. Het formaat wordt al jaren gebruikt in onder meer laptops, gereedschap en accupakketten. De onderzoekers testten lithiumion- en natriumioncellen onder uiteenlopende bedrijfsomstandigheden. Daarbij werd onder meer gekeken naar laad- en ontlaadsnelheden, spanningsgrenzen, beschikbaar vermogen, capaciteit en de stijging van de oppervlaktetemperatuur.
Uit die metingen ontstonden gebieden waarin de batterijen volgens de onderzoekers sterk vergelijkbaar presteerden. SwRI spreekt daar van een hoge EII. In zulke omstandigheden waren de verschillen in temperatuurontwikkeling, beschikbare capaciteit en vermogen klein genoeg om de cellen functioneel als uitwisselbaar te beschouwen.
Er kwamen ook situaties naar voren met een lage EII. Daar liepen de eigenschappen van beide batterijtypen zo ver uiteen dat vervanging volgens de onderzoekers niet verstandig zou zijn. Dat onderscheid is belangrijk. De nieuwe methode zegt dus nadrukkelijk niet dat natriumioncellen voortaan universeel lithiumionbatterijen kunnen vervangen. Hij moet juist voorkomen dat fabrikanten zo’n algemene vergelijking maken.
Minder opnieuw ontwerpen
Voor fabrikanten kan zo’n methode vooral interessant worden wanneer zij alternatieve leveranciers of batterijchemieën willen gebruiken zonder een compleet product opnieuw te ontwerpen. Als een natriumioncel binnen het gebruiksprofiel van een machine ongeveer hetzelfde gedrag vertoont als de bestaande lithiumioncel, kan mogelijk een groot deel van het batterijpakket en de elektronica behouden blijven. Blijkt uit de analyse dat de verschillen te groot zijn, dan is bijvoorbeeld aanpassing van koeling, laadregeling of het complete accupakket nodig.
Daarmee speelt het onderzoek ook in op zorgen rond grondstoffen en toeleveringsketens. Een fabrikant die minder afhankelijk wil zijn van één batterijchemie kan vooraf bepalen voor welke producten een alternatief technisch haalbaar is. Voor natriumiontechnologie kan dat interessant zijn in toepassingen waar gewicht en volume minder kritisch zijn. Denk bijvoorbeeld aan stationaire energieopslag of bepaalde industriële systemen. Bij toepassingen waar iedere kilogram telt, zoals veel elektrische voertuigen of luchtvaarttoepassingen, blijft de lagere energiedichtheid een veel grotere beperking.
SwRI wil de methode de komende tijd daarom uitbreiden. De onderzoekers willen ook andere celtypen en batterijchemieën onderzoeken. Daarnaast moeten veroudering, degradatie en warmtehuishouding een rol gaan spelen. Een batterij die aan het begin van zijn levensduur probleemloos uitwisselbaar lijkt, hoeft dat na honderden of duizenden laadcycli immers niet meer te zijn.
