Wereldwijd wordt koortsachtig gezocht naar krachtigere, snellere en lichtere batterijen. Er bestaan inmiddels vele duizenden octrooien op tal van onderdelen van de batterijtechnologie die vooral in handen zijn van grote spelers als Samsung, Panasonic, LG, Toyota en Bosch. Naast dit mondiale research- en engineergeweld zijn in Nederland in alle stilte een paar start-ups elk vergevorderd met een veelbelovende vinding. Gaan zij de giganten verslaan?
Op de markt van elektrische personenauto’s concurreren grote merken in het voetspoor van Tesla volop met elkaar. De Chinese nieuwkomer Nio lijkt de gevestigde orde de loef af te steken met de eerste solid-state batterij met een capaciteit van 150 kWh. Die zou de SUV ES6 een actieradius van 930 km geven. Toyota zegt in 2027 te komen met een solid-state batterij met een actieradius van 1.200 km en een oplaadtijd van 10 minuten. Intussen zijn elektrische vrachtwagens ook aan een opmars begonnen. Eind dit jaar rijden er volgens ING Research al zo’n duizend in Nederland rond. Tesla heeft de eerste thuisbatterij op de markt gebracht. En vergeet elektrisch vliegen niet. De eerste prototypen zijn al van de grond gekomen. Lilium in Duitsland is hard op weg naar de productie van het eerste commerciële exemplaar voor zes passagiers.
Krachtigere en sneller oplaadbare batterijen zijn hard nodig voor de voortgaande elektrificatie van nieuwe toepassingen en ter verbetering van bestaande toepassingen. Het enorme commerciële belang verklaart het indrukwekkende aantal internationale patenten voor batterijtechnologie. In de periode 2000-2018 diende Samsung bijvoorbeeld 4.787 octrooiaanvragen voor batterij-innovaties in. Toyota was goed voor 2.564 aanvragen. Nederlandse bedrijven kwamen tot een totaal van 179.
Hoewel de toepassingen en de energievragen flink uiteenlopen, zijn de principes en kritische onderdelen van batterijtechnologie grotendeels hetzelfde. In de basis bestaat elke batterijcel – de kleinste eenheid van de algemene benaming batterij – uit drie essentiële onderdelen: een anode, een kathode en een elektrolyt. De materialen en chemische samenstellingen waar deze onderdelen van gemaakt zijn, bepalen de prestaties van de batterij. Hierbij zijn capaciteit en (ont)laadsnelheid wellicht de belangrijkste prestaties waarin voortdurend naar verbetering wordt gezocht, maar niet de enige. Andere aandachtspunten zijn: gewicht en volume, slijtage, zelfontlading, veiligheid (ontploffings- en brandgevaar), duurzaamheid en circulariteit.
LionVolt: 3D-architectuur
De complexiteit van veel research is dat de ene gunstige eigenschap een beetje afbreuk doet aan de andere, bijvoorbeeld wanneer hogere laadsnelheid gepaard gaat met meer slijtage. Een vaste stof als elektrolyt is veiliger – solid state – en duurzamer dan de huidige vloeistoffen en gels maar geleidt de elektronen minder goed en is in het algemeen zwaarder. Het is dus een beetje zoeken naar een schaap met vijf poten. Op dit punt wil het Nederlandse LionVolt een totaaloplossing bieden. Deze start-up ontwikkelt een nieuw type solid-state lithium-ion batterij die op bijna alle punten tegelijk een verbeterde prestatie belooft.
In plaats van met de gebruikelijke platte 2D-lagen bouwt LionVolt een batterij op met een 3D-architectuur. Met een speciale techniek worden met nano-dunne plaatjes ‘pilaartjes’ gemaakt. 1 miljard pilaartjes per vierkante centimeter vergroot het functionele oppervlak drastisch, wat resulteert in een navenant hogere energiedichtheid (450 Wh/kg). Dankzij de 3D-structuur neemt ook de (ont)laadsnelheid sterk toe, doordat de ionen een kortere weg afleggen. LionVolt neemt met zijn batterij tegelijk afscheid van niet-duurzame grondstoffen als nikkel en kobalt voor de kathode en zet sterk in op duurzaam, circulair materiaalgebruik en een lage productie-footprint.
In eerste instantie richt het bedrijf zich op kleine draagbare apparaten, zoals kleine medische apparaten, headsets en dergelijke draagbare consumentenelektronica. Batterijpakketten voor auto’s en vliegtuigen zijn het verderop liggende doel. CEO Karl McGoldrick (inmiddels opgevolgd door Kevin Brundish) vertelde in een interview met platform Eindhoven Brainport dat vanuit China interesse is getoond in de nieuwe technologie. Hij roept de Nederlandse overheid op om er geld in te steken en te helpen dit product voor Nederland te behouden. Daarnaast mikt hij op durf-investeerders. In de aanloop naar de productie voor de markt deelt het bedrijf samples met klanten. Een reeks patenten beschermt de verschillende innovatieve aspecten. Het bedrijf zegt jaren voor te lopen op concurrenten in de rest van de wereld.
De voordelen van een 3D-architectuur zijn al wel breder bekend. De Amerikaanse start-up Prieto bijvoorbeeld is ook die weg ingeslagen. Als elektrolyt past het bedrijf een koperschuimsubstraat toe waarin ionen in meerdere richtingen kunnen bewegen en kortere afstanden afleggen. De fabrikant belooft een driemaal grotere energiedichtheid en een volledige oplaadtijd van 3 minuten. Het verschil met de batterij van LionVolt is dat de 3D-architectuur daarvan het geheel van anode, elektrolyt en kathode betreft.
LeydenJar: silicium anode
Een andere Nederlandse start-up die de technologiegiganten te slim af is, is LeydenJar. Het bedrijf ontwikkelt en produceert specifiek een anode van silicium. Silicium kan tien keer meer energie opslaan dan het gebruikelijke grafiet. De Leidse start-up, in 2016 opgericht door Christian Rood en Gabriël de Scheemaker, ontwikkelde een proces en apparatuur dat silicium in een extreem dunne laag van 10 micron op koperfolie aanbrengt. Dit proces heet PECVD: Plasma Enhanced Chemical Vapour Deposition, vertelt Tim Aanhane van LeydenJar. “Het silicium wordt direct op het koperfolie ‘gegroeid’ door het – in plasma – in een vacuüm met de koperfolie te brengen. Onze 100% silicium anode geeft batterijen een 70% hogere energiedichtheid.”
De voordelen van silicium zijn wijd en zijd bekend. Ook LionVolt gebruikt het voor de anode en hetzelfde geldt voor het Amerikaanse Sila. Dat bedrijf gebruikt voor zijn batterij een anode bekleed met een nano-composiet van silicium. Sila zegt een capaciteitsverhoging van 40% te halen en vermeldt op zijn website trots over meer dan tweehonderd patenten te beschikken. Maar bij LeydenJar zijn ze niet onder de indruk. “Sila gebruikt een mix van silicium met grafiet. Dat levert niet de sprong in energiedichtheid op die wij maken, maar is meer een verbetering voor de korte termijn”, zegt Aanhane. “Andere batterijtechnieken kunnen die combineren met onze anode. In die zin zijn wij voor andere ontwikkelaars niet per se concurrenten maar bieden we kansen.” Met geld van investeerders is in Eindhoven een proeffabriek gebouwd waar de silicium anode op rollen wordt geproduceerd om aan batterijproducenten te leveren.
Ook wat laadsnelheid betreft gooit LeydenJar hoge ogen. “Laadsnelheid is mede afhankelijk van andere componenten in de batterij, zoals de kathode en de elektrolyt. In de juiste samenstelling kan onze batterij opladen van 0 tot 80% binnen 7 minuten. Voor gebruik in elektrische auto’s zou dit baanbrekend zijn. Wij hebben een samenwerking met BMW en voorzien een EV-batterij aan het einde van dit decennium. Daarmee kun je op één acculading dan van hier naar Oostenrijk rijden en na 10 minuten ook weer terug.” Nio en Toyota krijgen het rijk niet alleen.
E-magy: poreus silicium
Het Nederlandse E-magy houdt zich evenzeer bezig met de grondstof silicium voor de bekleding van de anode. Tegenover de grote voordelen van silicium, dat het meer lithium-ionen kan opslaan en lichter is dan grafiet, staat ook een nadeel: door het opnemen van lithium-ionen zet het materiaal sterk uitzet, waardoor de structuur geleidelijk afbreekt en de batterij kapotgaat. E-magy ondervangt dit probleem door het silicium op nano-niveau van poriën te voorzien. Het poreuze materiaal zet nog maar een acceptabele 5% uit.
E-magy ontwikkelde een machine die siliciumpoeder tot 1500 graden Celsius verhit. Het silicium smelt en druppelt op een lopende band, waar het op 1000 graden weer stolt tot plakken. Door de relatief snelle afkoeling ontstaan de gaatjes. Vervolgens worden de plakken weer gebroken en vermalen tot poeder, maar nu poeder van poreus silicium. Directeur Carel Peeters zegt in een artikel van journalist Vincent Dekker in Trouw dat het poreuze silicium een energiewinst van 40% per kilogram oplevert. Maar hij kondigt aan dat er nog 20% extra winst te behalen valt door verdere optimaliseringen. Dat betreft onder meer een verbeterde samenstelling van de poedercoating, die naast het poreuze silicium ook een bindmiddel en een geleidende stof bevat. Een batterijcel met poreus siliciumpoeder van E-magy zou dan een energieniveau van 400 Wattuur per kilogram halen. Een dergelijke capaciteit verruimt de mogelijkheden voor elektrisch vliegen. E-magy is bezig met de bouw van een fabriek.
De vinding van E-magy vraagt om een terugkoppeling naar LeydenJar. Is poreus silicium ook bruikbaar in hun proces voor een nog betere prestatie? Het blijkt dat de productietechniek van het bedrijf hier al in voorziet, volgens de uitleg van Tim Aanhane: “Bij PECVD groeit het silicium deeltje voor deeltje op het koperfolie. In dit proces ontstaat poreus materiaal dat de zwelling van het silicium opvangt. Bijkomend voordeel van PECVD is dat het silicium extreem goed hecht aan het koperfolie, zodat het materiaal niet uit elkaar valt bij de zwelling die enigermate optreedt.”
In batterijtechnologie is de concurrentie wereldwijd groot en nieuwe vindingen buitelen over elkaar heen. Maar deze korte verkenning maakt duidelijk dat we Nederlandse start-ups niet uit moeten vlakken. Wie weet geven ze de grote mondiale spelers het nakijken.
Ecosysteem
Dat Nederlandse bedrijfjes zich op vlak van batterijtechnologie dapper meten met grote concerns als Samsung, Toyota en Bosch is bijzonder. Maar het is ook weer niet zo dat ze dit vanuit het niets doen. TNO stond aan de basis van de technologie waarmee LionVolt verder is gegaan. Voor de vindingen van zowel LeydenJar als E-magy legde ECN (opgegaan in TNO) de grondslag in onderzoek naar dunne en flexibele zonnepanelen. LeydenJar zegt dat TNO nog houder is van het originele patent op de siliciumanode (in licentie aan LeydenJar toegewezen voor gebruik), maar dat het op de verder ontwikkelde technologie een zelfstandige patentpositie heeft.
Op gebied van onderzoek en productie van batterijtechnologie zijn in Nederland twee samenwerkingsverbanden actief. Bij het Battery Competence Cluster zijn bedrijven (o.a. VDL, Daf Trucks, ELEO, Damen Shipyards), kennisinstellingen (TU Eindhoven, TNO), brancheverenigingen en overheden aangesloten. De regio Eindhoven is het zwaartepunt. LionVolt is gevestigd op de High Tech Campus Eindhoven en LaydenJar heeft er zijn proeffabriek.
De tweede samenwerking is BatteryNL waar vijf universiteiten, vier hogescholen en ruim twintig bedrijven aan meedoen. Het consortium wordt over een periode van acht jaar met 9,3 miljoen euro gesteund door de Nederlandse Organisatie voor Wetenschappelijk Onderzoek (NWO). Alles bij elkaar is er een serieus ecosysteem ontstaan voor een van de belangrijkste technologieën van de toekomst.
