Celchemie & onderdelen

Anode

De anode is een van de twee elektroden in een Elektroauto (EV)-batterij, de andere is de kathode. Tijdens de ontlaadcyclus vindt er oxidatie plaats aan de anode, waarbij elektronen vrijkomen in het externe circuit om het apparaat of voertuig van stroom te voorzien. Tijdens de laadcyclus vindt er reductie plaats aan de anode, waarbij elektronen uit het externe circuit worden opgenomen en energie in de batterij wordt opgeslagen.

In een lithium-ionbatterij is de anode doorgaans gemaakt van grafiet, dat een gelaagde structuur heeft waardoor lithiumionen zich tussen de lagen kunnen intercaleren. Wanneer de batterij ontlaadt, verplaatsen lithiumionen zich via de elektrolyt van de anode naar de kathode, terwijl elektronen door het externe circuit stromen. Tijdens het laden vindt het omgekeerde proces plaats, waarbij lithiumionen van de kathode terugkeren naar de anode.

De prestaties van de anode zijn cruciaal voor de algehele prestaties en veiligheid van een Elektroauto-batterij. Een hoogwaardige anodemateriaal moet een hoge lithium-ionopslagcapaciteit, goede geleidbaarheid, structurele stabiliteit en weerstand tegen degradatie tijdens meerdere laad- en ontlaadcycli hebben. Hoewel grafietanoden aan deze eisen voldoen, onderzoeken onderzoekers andere materialen zoals silicium, dat een veel hogere opslagcapaciteit heeft maar gevoeliger is voor degradatie.

Bedrijven zoals StoreDot werken aan siliciumgebaseerde anoden. Dit zou theoretisch de energiedichtheid op celniveau kunnen verdubbelen, wat Elektroauto's aanzienlijk ten goede komt. Siliciumanoden kunnen ook de aantrekkingskracht van cellen met lagere energie, zoals LFP, vergroten, waardoor de kloof met NMC-gebaseerde cellen wordt verkleind en het belangrijkste nadeel van LFP—beperkte energiedichtheid—wordt geminimaliseerd. Schattingen tonen aan dat het toevoegen van 20% silicium aan een anode de energiedichtheid van een LFP-cel met 17% kan verbeteren, hoewel de extra kosten mogelijk prohibitief zijn.

Kathode

De kathode is de elektrode waar tijdens de ontlaadcyclus reductie plaatsvindt en die elektronen uit het externe circuit opneemt om het apparaat of voertuig van stroom te voorzien. Tijdens de laadcyclus vindt bij de kathode oxidatie plaats, waarbij elektronen in het externe circuit vrijkomen en energie in de batterij wordt opgeslagen.

In een lithium-ionbatterij is de kathode doorgaans gemaakt van een metaaloxide, zoals lithiumkobaltoxide (LCO), lithium-nikkel-kobalt-mangaanoxide (NMC) of lithiumijzerfosfaat (LFP). De keuze van het kathodemateriaal beïnvloedt de prestaties, veiligheid en kosten van de batterij aanzienlijk.

Lithium-nikkel-mangaan-kobaltoxiden (NMC)

NMC-kathodes zijn populair voor Elektroauto-batterijen vanwege hun hoge energiedichtheid en goede thermische stabiliteit. Ze bieden een balans tussen energiedichtheid en vermogensdichtheid, waardoor ze geschikt zijn voor een breed scala aan toepassingen in Elektroauto's.

Verschillende versies van NMC-kathodes, zoals NMC111, NMC532 en NMC622, verwijzen naar de verhoudingen van nikkel, mangaan en kobalt. Een hoger nikkelgehalte verhoogt de energiedichtheid maar ook de kosten. Recente ontwikkelingen omvatten NMC811 en NMC622, die een nog hogere energiedichtheid bieden maar mogelijk uitdagingen hebben op het gebied van thermische stabiliteit en levensduur van de cyclus. NCM9 is de nieuwste evolutie, met 90% nikkelgehalte.

De deeltjesgrootte en morfologie van het kathodemateriaal beïnvloeden ook de prestaties. Kleinere deeltjes kunnen de snelheidscapaciteit en vermogensdichtheid verbeteren, terwijl grotere deeltjes de energiedichtheid kunnen vergroten.

Lithium-nikkel-kobalt-aluminiumoxiden (NCA)

NCA-kathodes hebben een hoge energiedichtheid en worden gebruikt in Elektroauto-batterijen, met name in voertuigen van Tesla. Ze bieden een hoge energiedichtheid en goede prestaties, waardoor ze een populaire keuze zijn voor veel fabrikanten van Elektroauto's.

NCA-kathodes bevatten doorgaans nikkel, kobalt, aluminium en zuurstof. Ze bieden een hoge energiedichtheid, wat resulteert in een grotere actieradius voor Elektroauto's. NCA-kathodes hebben ook een goede vermogensdichtheid en een lange cycluslevensduur, maar kunnen gevoelig zijn voor hoge temperaturen, wat geavanceerde thermomanagementsystemen vereist.

Lithiumijzerfosfaat (LFP)

LFP is een kathodemateriaal dat vaak wordt gebruikt in Elektroauto-batterijen vanwege de hoge thermische stabiliteit en lange levensduur. LFP-kathodes hebben een lagere energiedichtheid in vergelijking met andere typen, maar bieden goede veiligheid, duurzaamheid en kosteneffectiviteit.

LFP-kathodes bestaan uit lithiumijzerfosfaat (LiFePO4), een stabiel en niet-toxisch materiaal. Ze zijn populair in China vanwege strikte veiligheidsvoorschriften. Merken zoals Tesla gebruiken LFP in hun modellen met een kleinere actieradius.

Voordelen van LFP

• Hoge thermische stabiliteit, waardoor het risico op thermisch weglopen wordt verminderd.
• Lange levensduur, waardoor ze geschikt zijn voor toepassingen die een hoge betrouwbaarheid vereisen.
• Lagere kosten in vergelijking met nikkelgebaseerde chemieën.

Nadelen van LFP

• Lagere energiedichtheid, waardoor ze minder geschikt zijn voor Elektroauto's met een grote actieradius.
• Slechte prestaties bij koud weer, wat de ontlaadcapaciteit en laadsnelheid beïnvloedt.

Lithium-mangaan-ijzerfosfaat (LMFP)

LMFP combineert de hoge veiligheid van LFP met de hoge energiedichtheid van lithium-mangaanfosfaat (LMP). Het is een veelbelovend kathodemateriaal voor hoogwaardige lithium-ionbatterijen, vooral voor Elektroauto's.

Voordelen van LMFP

• Hoge thermische stabiliteit en laag risico op thermisch weglopen.
• Hoge vermogensdichtheid en snelle laadmogelijkheid.
• Lange levensduur en goede rate-prestaties.
• Lage kosten en milieuvriendelijkheid.
• Hoog spanningsniveau en verbeterde specifieke capaciteit.

Uitdagingen van LMFP

• Lage elektronische geleidbaarheid en lage lithium-ion-diffusiecoëfficiënt.
• Faseovergang en roosterverstoring tijdens cycli.
• Mangaanoplossing bij hoge temperaturen.
• Elektrolytcompatibiliteit en interface-stabiliteit.

Samenvatting van kathodematerialen

Separator

Een separator is een essentieel onderdeel van een Elektroauto-batterij, geplaatst tussen de kathode en de anode om kortsluitingen te voorkomen. Het is doorgaans een dun, poreus membraan van polymeermateriaal dat lithiumionen tussen de elektroden laat stromen en tegelijkertijd de stroom van elektronen voorkomt.

De separator biedt een fysieke barrière, maakt de stroom van lithiumionen mogelijk en helpt de interne structuur van de batterij te behouden door de vorming van dendrieten te voorkomen. Een goed separator-materiaal moet een hoge ionengeleidbaarheid, lage elektrische geleidbaarheid en goede thermische stabiliteit hebben.

Veelvoorkomende separatiematerialen zijn polyethyleen (PE), polypropyleen (PP) en keramische materialen zoals lithiumaluminiumtitanaatfosfaat (LATP).

Elektrolyt

Vloeibare elektrolyten in lithium-ionbatterijen bestaan uit lithiumzouten in een organisch oplosmiddel, zoals ethyleencarbonaat, dimethylcarbonaat en di-ethylcarbonaat. Ze fungeren als een geleidend pad voor kationen die tussen elektroden bewegen tijdens het ontladen en laden.

Vaste-stofbatterijen, die vaste elektrolyten gebruiken, bieden potentiële voordelen zoals hogere energiedichtheid, snellere laadtijd, langere levensduur en betere veiligheid. Ze worden echter geconfronteerd met uitdagingen zoals hoge kosten, lage vermogensdichtheid en slechte interface-stabiliteit.

Semi-vastestof- en quasi-vastestofbatterijen zijn hybriden die vaste en vloeibare elektrolyten combineren, met als doel enkele nadelen van vaste-stofbatterijen te overwinnen.

Stroomverzamelaar

De stroomverzamelaar vergemakkelijkt de geleiding van elektrische stroom tussen de elektrode en het externe circuit. In lithium-ionbatterijen is dit doorgaans een dunne metalen folie van koper of aluminium, bedekt met koolstof om de geleidbaarheid te verbeteren en corrosie te voorkomen.

Het ontwerp en de materialen van de stroomverzamelaar hebben een aanzienlijke invloed op de prestaties en duurzaamheid van de batterijcel.

Elektroauto-batterij uitgelegd met voedsel

In de video hieronder legt batterijwetenschapper en -ingenieur Jill Pestana van het YouTube-kanaal Across the Nanoverse de verschillende batterijonderdelen uit met behulp van voedsel.