Groen op weg: ‘Nu alleen de accu nog’

Vrijwel iedereen rijdt al in een elektrische auto, vol met hippe gadgets. Tenminste, als je naar de televisiereclames kijkt. Op de weg is het beeld anders. Van alle nieuwe auto’s die in 2020 uit de showroom rolden, was in Nederland zo’n 20 procent volledig elektrisch. Noorwegen doet dat beduidend beter, daar was het meer dan de helft. De nieuwprijs lijkt voor de autokoper niet het enige probleem. Het rijbereik speelt een rol, de beschikbaarheid van laadpalen, de temperatuurgevoeligheid of de stress die ‘range anxiety’ heet: kom ik niet stil te staan met een lege accu?

Werkpaard

Die accu is daarmee dé succesfactor voor de overstap naar elektrisch rijden, en lijkt nog een beetje achter te lopen op de rest van de techniek aan boord. De eerste commerciële ‘lithium-ion’ accu’s dateren uit het begin van de jaren negentig, en in 2019 leverde de uitvinding ervan een Nobelprijs op voor Yoshino, Goodenough en Whittingham. Lithium-ion blijft wel het werkpaard, volgens UT-hoogleraar Mark Huijben: ‘Lithium heeft nu eenmaal voordelen, zoals een hoge energiedichtheid. Daarvoor zie ik niet zomaar een alternatief. Wel is het mogelijk om de materialen waarvan de plus- en de minpool, kathode en anode, zijn gemaakt, nog te verbeteren. Die bepalen bijvoorbeeld de laadsnelheid.’

Huijben is een van de oprichters en leiders van het pas opgerichte Twente Centre for Advanced Battery Technology (TCABT), waarin het accu-onderzoek van de UT is ondergebracht. Zelf doet hij onderzoek naar nieuwe materialen. De anode van de accu is nu bijvoorbeeld gemaakt van grafiet. Huijben experimenteert onder meer met niobium-wolfraam-oxide, hij toonde al aan dat door speciale nanokanaaltjes in dit materiaal te maken, de accu sneller is op te laden. ‘Silicium is ook een kanshebber, dat kan maar liefst tien keer zoveel lithium vasthouden, maar het zwelt en krimpt wel als de lithium ionen erdoorheen bewegen. Met silicium nanodeeltjes heb je daar minder last van.’

Vaste stof

Dé doorbraak waar iedereen op lijkt te wachten, is de vaste-stofvariant van de accu. Nu bevindt zich nog vloeistof tussen de plus en de min, en dat geeft risico’s, bijvoorbeeld als de accu beschadigd raakt of verkeerd wordt opgeladen. Ook Huijben is ervan overtuigd dat die vaste-stofaccu er komt: ‘Je hoeft alleen maar te kijken hoeveel research hierin wordt gestoken.’ Tot het zover is, is ook aan de kathode, aan de ‘overkant’ van de vloeistof, nog wel het nodige te verbeteren. Voor een goed presterende accu is daar tot nu toe een materiaal nodig dat niet goed is voor het duurzame imago. Dat materiaal is kobalt. ‘De hoeveelheid kobalt is al wel gereduceerd, maar we hebben het nog steeds nodig’, aldus Huijben. Tesla-oprichter Elon Musk heeft eerder al aangekondigd, met kobaltvrije accu’s te komen.

Lithiumwinning in de Atacama Desert in Chili.

Grondstoffen

Waarom kobalt zo problematisch is, legt Arjan Dijkstra uit, UT-onderzoeker aan de faculteit ITC voor Geoinformation Science and Earth Observation. ‘Het heet ook wel een ‘conflict material’, omdat het vooral wordt gewonnen in de Democratische Republiek Congo, als bijproduct van koper- en nikkelerts. Vooral kinderen doen dit riskante werk in de mijnen. Er zijn niet zoveel alternatieven, je zou aan diepzee mijnbouw kunnen denken, kobalt zit ook in zogenaamde mangaanknollen op de bodem. Maar ook deze winning stuit op bezwaren.’ 

En als we toch naar de grondstoffen kijken, hoe zit het eigenlijk met lithium? Daar zullen we veel, en steeds méér van nodig hebben. Dijkstra: ‘Lithium is niet schaars. Het wordt gewonnen met klassieke mijnbouw in Australië, maar ook uit de grote zoutvlakten, salars, in Chili: daar wordt het uit water gehaald, dat verdampt. De bevolking in de buurt protesteert wel, omdat volgens hen veel water wordt onttrokken aan hun leefomgeving, voor de winning. In Bolivia, met de grootste zoutvlakte ter wereld, zijn ze daarom al gereserveerder geworden met het toestaan van lithiumwinning. Wij doen onderzoek naar de oorzaak van het watertekort in die regio’s. En wij kunnen ook nieuwe bronnen van lithium vinden.’ Dat doet de ITC-onderzoeker met ‘remote sensing’ en aardobservatie. Deze geavanceerde beeldtechnieken kunnen ons ook leren om lithium uit een afvalstroom te halen. ‘Vergeet niet dat er nog een belangrijke manier is om onze lithiumhonger te stillen. Dat is recycling. Dat wordt nog nauwelijks gedaan.’ 

'Wij kunnen ook nieuwe bronnen van lithium vinden’

Wat al wel gebeurt is dat auto-accu’s een tweede leven krijgen. De Johan Cruijff Arena, bijvoorbeeld, heeft een accupakket van honderden afgedankte auto-accu’s voor een duurzame energiemix. Maar ook daar zullen hun prestaties gestaag achteruitgaan.

Groenere productie

Maken we, van de grondstoffen en nieuwe materialen, de stap naar het productieproces, dan komen we bij UT-hoogleraar Sebastian Thiede, samen met Mark Huijben een van de leidende onderzoekers in TCABT. ‘Op dit moment kost het nog veel energie en materiaal om een accu te produceren. De productie van een elektrische auto zorgt voor een beduidend grotere CO2-uitstoot dan die van een auto op benzine of diesel. Een van mijn doelen is, om het proces groener, dus energiezuiniger, te maken. En ook meerkostenefficiënt. Het maken van een enkele accucel, die later een accupakket gaat vormen voor een auto, bestaat uit stappen zoals het mixen van de stoffen, coating, het drogen en het maken van ‘sheets waaruit een accucel bestaat. Het loont om dit meer te standaardiseren, met accucellen, -modules en -pakketten die geschikt zijn voor verschillende toepassingen.’ 

‘Op dit moment kost het nog veel energie en materiaal om een accu te produceren’

Fabrieken in Europa

Een van de energievreters bij de productie is de ‘dry chamber’: een extreem droge productieomgeving omdat de batterijonderdelen gevoelig zijn voor vocht. Lithium zou bijvoorbeeld heftig kunnen reageren. Kun je ervoor zorgen dat je die stap en ook de vervolgstappen in het proces, versnelt, wil Thiede graag weten. Digitalisering en kunstmatige intelligentie kunnen daarbij helpen: innovatie van de productieprocessen volgens ‘Industry 4.0’. Hij deelt de mening van Dijkstra dat het potentieel van recycling nog lang niet ten volle wordt benut, de procestechnologie kan helpen om het lithium uit een afgeschreven accu te halen. Al is dat op dit moment economisch nog niet zo interessant, juist de accu, als enabler van de energietransitie, zou bij uitstek circulair moeten zijn. Thiede vindt het daarnaast belangrijk om de accukennis zoals die in Twente aanwezig is, ook breed toe te passen in Europa: ‘We kijken in het centre ook naar de geopolitieke kant: voor vrijwel de gehele productie zijn we afhankelijk van bedrijven in Azië, en dat is geen goede ontwikkeling.’ Op dit moment zijn het daarom ook de autofabrikanten in Europa die veel vaart zetten achter accuproductie in Europa.

Mobiele energiebron

En dan is de accu klaar en in een auto gemonteerd. Vervolgens lijkt het eenvoudig: ‘op tijd opladen en rijden maar’, net als bij het tanken van fossiele brandstoffen. Maar ook dat kan slimmer. De auto-accu kan een actievere rol spelen in een mix van duurzame energie: het is dan een mobiel opslagmedium waaruit ook energie kan worden geput op momenten dat het kan. Bijvoorbeeld op momenten dat er in huis wel een energievraag is, maar zon en wind even geen elektriciteit leveren. Het is meteen duidelijk dat dit een intelligente planning vergt. Kennis van kunstmatige intelligentie die op de UT aanwezig is, maar ook van hoogvermogen elektronica, kan hierbij helpen. En er zit ook een gedragswetenschappelijke kant aan: als een gebruiker de auto nodig heeft, en de accu blijkt op dat moment grotendeels ontladen te zijn voor andere toepassingen, dan zal hij deze ‘intelligentie’ niet snel voor lief nemen of de volgende keer uitschakelen. Natuurlijk is hiervoor ook wel een technische oplossing voorhanden, zoals een extra accupakket in de garage, maar het geeft aan dat ons gedrag een belangrijke rol speelt. Niet voor niets hebben de vele Noorse elektrische rijders privileges gekregen, zoals lagere tarieven voor veerponten en toestemming om op de busbaan te rijden.