Celchemie en componenten

De chemie van een EV-batterij beïnvloedt hoeveel energie de cellen kunnen opslaan, hoe snel ze kunnen laden, hoe ze zich bij koud weer gedragen, hoe ze verouderen en welke grondstoffen en productieprocessen ervoor nodig zijn.

Namen als NMC, NCA en LFP beschrijven meestal het materiaal van de positieve elektrode, niet de complete cel. Daardoor kunnen twee batterijen die onder hetzelfde label worden verkocht zeer verschillend presteren. Begin voor een algemene uitleg van spanning, stroom, ionenverplaatsing en energieopslag bij Basisprincipes van batterijen.

Chemie is een compleet celsysteem

Een oplaadbare batterijcel is een elektrochemisch systeem dat uit verschillende, op elkaar inwerkende componenten bestaat:

Een positieve elektrode
Een negatieve elektrode
Een elektrolyt
Een separator
Twee stroomcollectoren
Beschermende grenslagen die ontstaan waar de elektrolyt de elektroden raakt

De twee elektrodematerialen bepalen het fundamentele opslagmechanisme en de bedrijfsspanning van de cel. De elektrolyt vervoert ionen tussen de elektroden. De separator voorkomt direct elektrisch contact maar laat ionen door, terwijl de stroomcollectoren elektronen naar de celpolen geleiden.

Deze onderdelen kunnen niet los van elkaar worden geoptimaliseerd. Een positieve elektrode met een hogere spanning kan een elektrolyt nodig hebben die beter tegen oxidatie bestand is. Een siliciumrijke negatieve elektrode vereist bindmiddelen, additieven en mechanische maatregelen die de uitzetting kunnen opvangen. Een cel die snel moet kunnen laden kan dunnere of poreuzere elektroden nodig hebben dan een cel die voor een maximale energiedichtheid is ontworpen.

Het praktische gevolg is belangrijk: de opgegeven chemie is slechts het uitgangspunt. Ook deeltjesontwerp, elektrodedikte, elektrolytsamenstelling, celformaat, thermisch beheer, werkingslimieten en software helpen bepalen hoe een batterij in een EV presteert.

Hoe een elektrode is opgebouwd

Een elektrode is geen massieve plaat van grafiet, LFP of NMC. Gewoonlijk is het een poreuze composietcoating die op een dunne metaalfolie is aangebracht.

Een conventionele elektrodecoating bevat:

Actief materiaal, dat lithium- of natriumionen opslaat en afgeeft
Geleidende additieven, doorgaans koolstofhoudende materialen die paden voor elektronen vormen
Bindmiddel, dat de deeltjes bij elkaar houdt en de coating aan de stroomcollector hecht
Poriën, waardoor de elektrolyt het actieve materiaal kan bereiken

De deeltjesgrootte, materiaalverhoudingen, coatingdikte, dichtheid en porositeit beïnvloeden allemaal de prestaties. Het Amerikaanse Department of Energy beschrijft elektrodefilms als combinaties van actief materiaal, geleidend additief en bindmiddel, en laat zien hoe inactieve componenten en elektrodebelading de praktische energiedichtheid beïnvloeden. (US Department of Energy)

Een dikke, dicht opeengepakte elektrode kan meer energie opslaan in verhouding tot de massa van de stroomcollector, separator en behuizing. Ionen en warmte moeten er echter ook een grotere afstand door afleggen. Dat kan snelladen en gebruik met hoog vermogen beperken.

Een dunnere of poreuzere elektrode kan de transportafstanden verkorten en plaatselijke concentratieverschillen verminderen, maar gebruikt doorgaans meer inactief materiaal per opgeslagen kilowattuur. Celontwikkeling is daarom een afweging tussen:

Gravimetrische energiedichtheid: energie per massaeenheid
Volumetrische energiedichtheid: energie per volume-eenheid
Vermogen en snellaadcapaciteit
Warmteontwikkeling en koeling
Cyclische levensduur en kalenderlevensduur
Materiaalgebruik, productiesnelheid en kosten

Dit is een van de redenen waarom een chemie die uitzonderlijk goed presteert in een laboratoriumknoopcel niet automatisch hetzelfde voordeel biedt in een volwaardige voertuigcel.

Materialen voor de negatieve elektrode

De negatieve elektrode, doorgaans de anode genoemd, slaat lithium- of natriumionen op wanneer de cel geladen is. Ze heeft grote invloed op snelladen, gedrag bij koud weer, efficiëntie, zwelling en degradatie.

De meeste lithium-ioncellen voor EV's gebruiken grafiet of een grafiet-siliciumcomposiet. Natrium-ioncellen gebruiken doorgaans hard koolstof. Andere negatieve-elektrodesystemen zijn bedoeld voor specifieke voordelen of toekomstige verbeteringen van de energiedichtheid.

Grafiet

Grafiet is het meest gebruikte materiaal voor de negatieve elektrode van lithium-ionbatterijen in EV's. Door de gelaagde kristalstructuur kunnen lithiumionen tijdens het laden tussen de koolstoflagen worden opgenomen en tijdens het ontladen weer vrijkomen.

Fabrikanten kunnen gebruikmaken van:

Natuurlijk grafiet
Synthetisch grafiet
Mengsels van natuurlijk en synthetisch grafiet

Natuurlijk grafiet kan het energiegebruik en de kosten van de materiaalproductie verminderen, terwijl synthetisch grafiet fabrikanten meer controle geeft over zuiverheid, deeltjesvorm en consistentie. Met mengsels en coatings kunnen efficiëntie, duurzaamheid en laadprestaties worden afgestemd.

Grafiet is een volwassen technologie die vele cycli stabiel kan blijven, maar de opslagcapaciteit is beperkt. Ook is het gevoelig voor lithiumplating wanneer lithium sneller op het oppervlak aankomt dan het in de structuur kan worden opgenomen. Een lage celtemperatuur, hoge laadstroom en hoge laadtoestand vergroten dat risico.

Lithiumplating verbruikt bruikbaar lithium en kan veroudering versnellen. Ernstige of herhaalde plating kan bovendien afzettingen veroorzaken die het risico op interne kortsluiting vergroten. Daarom kan een EV het laadvermogen verlagen wanneer de batterij koud of bijna vol is.

Anoden van grafiet-siliciumcomposiet

Silicium kan per gram veel meer lithium opslaan dan grafiet. De toevoeging van silicium is daarom een van de belangrijkste manieren waarop fabrikanten de energiedichtheid van een cel proberen te verhogen zonder het volledige lithium-ionproductiesysteem te vervangen.

De moeilijkheid is de uitzetting. Volledig gelithieerd silicium kan ongeveer 300% uitzetten. Daardoor ontstaat spanning die deeltjes kan laten barsten, elektrische verbindingen kan verbreken en de beschermende oppervlaktelaag herhaaldelijk kan beschadigen. Een studie uit 2024 in Nature Communications beschrijft deze uitzetting en de daaruit voortvloeiende risico's voor elektrode en separator. (Nature Communications)

De meeste zogenoemde 'siliciumanoden' voor voertuigen bestaan daarom niet uit zuiver silicium. Het zijn grafietelektroden die een gecontroleerde hoeveelheid silicium of een siliciumhoudend materiaal bevatten. Het grafiet vormt een stabiel raamwerk, terwijl het silicium capaciteit toevoegt.

Een groter aandeel silicium kan de energiedichtheid verbeteren, maar maakt zwelling, lithiumverlies tijdens de eerste cyclus, stabiliteit van de grenslaag en productiebeheersing ook moeilijker. De cel kan het volgende nodig hebben:

Elastische bindmiddelen
Elektrolytadditieven die een stabielere oppervlaktelaag vormen
Speciaal ontwikkelde siliciumdeeltjes of silicium-koolstofcomposieten
Extra lithium ter compensatie van aanvankelijke verliezen
Zorgvuldig geregelde druk en werkingslimieten

Onderzoek en industriële ontwikkeling verschuiven van kleine siliciumtoevoegingen naar elektroden waarin silicium de overhand heeft. Een hoog siliciumpercentage bewijst op zichzelf echter niet dat een cel een hoge energiedichtheid of lange levensduur heeft. Het resultaat hangt af van het volledige elektrode- en celontwerp. Onderzoek naar praktische siliciumhoudende cellen beschrijft uitzetting, instabiele grenslagen, elektrodezwelling en uitputting van de elektrolyt als onderling verbonden uitdagingen. (Nature Communications)

Hard koolstof

Hard koolstof is het belangrijkste materiaal voor de negatieve elektrode van natrium-ioncellen. Het is een niet-grafitiserende koolstof met ongeordende lagen, defecten en poriën die het grotere natriumion beter kunnen opslaan dan conventioneel grafiet.

Hard koolstof kan uit verschillende koolstofrijke grondstoffen worden gemaakt, waaronder synthetische harsen en materialen op basis van biomassa. De poriestructuur, defecten, het oppervlak en de warmtebehandeling hebben grote invloed op capaciteit, efficiëntie tijdens de eerste cyclus en prestaties bij hoge stroom.

Het opslagmechanisme is complexer dan eenvoudige invoeging tussen perfect geordende lagen. Natrium kan bij defecten, tussen ongeordende koolstoflagen en in nanoporiën worden opgeslagen. Er wordt nog onderzocht hoeveel elk mechanisme onder praktische omstandigheden bijdraagt. (Nature Communications)

Hard koolstof is niet automatisch goedkoop omdat de grondstof ruim voorhanden is. Zuivering, warmtebehandeling, opbrengst, consistentie, aanvankelijk natriumverlies en elektrodedichtheid beïnvloeden allemaal de kosten en energiedichtheid van een voltooide cel.

Lithiumtitanaat

Lithiumtitanaat, meestal afgekort tot LTO, vervangt grafiet aan de zijde van de negatieve elektrode door lithiumtitanaatoxide.

LTO werkt op een hogere potentiaal dan grafiet. Daardoor neemt de neiging tot lithiumplating sterk af en zijn een hoog vermogen, snel laden en een lange cyclische levensduur mogelijk. Ook verandert de structuur nauwelijks wanneer lithium erin en eruit beweegt.

De keerzijde is een lagere celspanning en daardoor een lagere energiedichtheid bij combinatie met een bepaalde positieve elektrode. LTO is daarom aantrekkelijk wanneer vermogen, duurzaamheid, gebruik bij lage temperaturen of veelvuldige cycli belangrijker zijn dan een maximaal bereik binnen een beperkt batterijvolume.

Het Amerikaanse Department of Energy noemt grafiet of koolstof het meest gebruikte anodemateriaal voor lithium-ioncellen en LTO een alternatief voor sommige toepassingen met een hoog vermogen of een groot aantal cycli. (US Department of Energy)

Lithiummetaal

Een negatieve elektrode van lithiummetaal slaat lithium rechtstreeks als metaal op, in plaats van het in een grafiet- of siliciumgastmateriaal onder te brengen. Door het gastmateriaal weg te laten, kan de energiedichtheid op celniveau aanzienlijk toenemen.

Het centrale probleem is omkeerbaarheid. Lithium moet tijdens iedere cyclus gelijkmatig worden afgezet en verwijderd. Ongelijkmatige afzettingen, herhaalde reacties met de elektrolyt, inactief lithium, volumeveranderingen en beschadiging van de separator kunnen de levensduur verkorten en veiligheidsrisico's veroorzaken. Het Amerikaanse Department of Energy beschrijft lithiummetaalcellen als een manier om batterijen kleiner en lichter te maken, maar wijst ook op de beperkte herlaadbaarheid en veiligheidsuitdagingen. (US Department of Energy)

Lithiummetaal is niet hetzelfde als solid-state. Een lithiummetaalcel kan een vloeibare, gelvormige, polymere of vaste elektrolyt gebruiken. Een solid-statecel kan lithiummetaal gebruiken, maar ook een andere negatieve elektrode. Deze termen beschrijven verschillende delen van de cel.

Zie Nieuwste ontwikkelingen in batterijtechnologie voor actuele ontwikkelingsprogramma's en commerciële aankondigingen.

Materialen voor de positieve elektrode

De positieve elektrode, doorgaans de kathode genoemd, is de bron van de meeste bekende namen voor lithium-ionchemieën. De structuur en samenstelling hebben grote invloed op celspanning, capaciteit, thermische stabiliteit, materiaalkosten en veroudering.

Het Amerikaanse Department of Energy noemt LFP, NMC, NCA, LMO en verschillende andere materialen afzonderlijke klassen van positieve elektroden voor lithium-ioncellen. (US Department of Energy)

NMC of NCM

NMC en NCM staan beide voor lithiumnikkel-mangaan-kobaltoxide. De volgorde van de letters verschilt per naamgevingsconventie; ze beschrijven dezelfde algemene familie van gelaagde oxidematerialen.

Getallen als 111, 532, 622 en 811 beschrijven bij benadering de onderlinge verhoudingen van nikkel, mangaan en kobalt. NMC 811 bestaat bijvoorbeeld uit ongeveer acht delen nikkel, één deel mangaan en één deel kobalt.

Binnen deze familie:

Nikkel levert een belangrijke bijdrage aan de capaciteit en daarmee aan de energiedichtheid.
Mangaan kan de structurele en thermische stabiliteit ondersteunen en de afhankelijkheid van nikkel en kobalt verminderen.
Kobalt helpt de gelaagde structuur te stabiliseren en ondersteunt de elektronische eigenschappen en productie, maar is duur en kent problemen in de toeleveringsketen.

Een hoger nikkelgehalte kan de capaciteit verhogen en het kobaltgebruik verminderen, maar vergroot ook de gevoeligheid voor vocht, hoge spanning, oppervlaktereacties en warmte. Fabrikanten pakken dit aan met deeltjescoatings, doteringen, concentratiegradiënten, elektrolytadditieven en een striktere beheersing van productie en gebruik.

Ook de uitleg van LG Energy Solution over NCM presenteert een hoger nikkelgehalte als een route naar een grotere capaciteit, waarbij stabiliteit als technische uitdaging wordt genoemd. (LG Energy Solution)

Het label 'NMC' omvat dus een breed prestatiebereik. Een oudere NMC-cel met weinig nikkel en een moderne nikkelrijke NMC-cel mogen niet als gelijkwaardig worden beschouwd.

NCA

NCA staat voor lithiumnikkel-kobalt-aluminiumoxide. Net als nikkelrijk NMC is dit een gelaagd oxidemateriaal dat voor een hoge specifieke energie en een hoog vermogen is ontwikkeld.

Nikkel levert het grootste deel van de capaciteit, kobalt ondersteunt de gelaagde structuur en elektronische eigenschappen, en aluminium helpt het materiaal te stabiliseren. NCA wordt doorgaans gecombineerd met een negatieve elektrode van grafiet of grafiet-silicium.

NCA kan EV-cellen met veel energie mogelijk maken, maar het resultaat hangt af van deeltjesontwikkeling, elektrolytstabiliteit, temperatuurregeling en behoudende spanningslimieten. Het is niet per definitie 'beter' dan NMC; elke familie kan voor andere prioriteiten worden geoptimaliseerd.

NCMA

NCMA bevat nikkel, kobalt, mangaan en aluminium. Het combineert deze vier metalen in een gelaagde positieve oxide-elektrode, meestal met een hoog nikkelgehalte.

Het doel is het capaciteitsvoordeel van nikkelrijk materiaal te behouden en tegelijkertijd met mangaan en aluminium de stabiliteit te verbeteren en minder kobalt nodig te hebben. LG Energy Solution beschrijft aluminium als een bijdrage aan het vermogen en de stabiliteit van zijn NCMA-materiaal. (LG Energy Solution)

Net als bij NMC en NCA onthult de afkorting niet het exacte recept. De metaalverhoudingen, coatings, doteringen, deeltjesstructuur, bovenspanning en productiekwaliteit blijven belangrijk.

LFP

LFP staat voor lithium-ijzerfosfaat. Het heeft een olivijn-kristalstructuur die rond sterke fosfaatbindingen is opgebouwd en bevat geen nikkel of kobalt.

De belangrijkste sterke punten zijn:

Hoge thermische en chemische stabiliteit
Potentieel lange cyclische levensduur
Goede vermogenscapaciteit bij een passende ontwikkeling
Minder blootstelling aan toeleveringsketens voor nikkel en kobalt

De voornaamste beperking is een lagere energiedichtheid op celniveau dan bij de beste nikkelrijke gelaagde oxidesystemen. Door de lagere bedrijfsspanning en materiaaldichtheid kan een LFP-pakket meer celvolume of -massa nodig hebben voor dezelfde hoeveelheid energie.

LFP heeft over een groot deel van het bruikbare laadtoestandsbereik ook een relatief vlakke spanningscurve. Daardoor is het moeilijker om de laadtoestand uit de spanning af te leiden. Het batterijmanagementsysteem steunt daarom sterk op stroommeting, modellen en periodieke herkalibratie.

Laden bij lage temperatuur kan lastig zijn omdat de negatieve elektrode doorgaans nog steeds uit grafiet bestaat. Pakketverwarming, celontwerp en laadregeling zijn daarom even belangrijk als de positieve LFP-elektrode zelf.

De reputatie van LFP als duurzame chemie betekent niet dat deze immuun is voor kalenderveroudering of dat iedere LFP-batterij voortdurend op 100% laadtoestand moet blijven. Eigenaars moeten de laadaanwijzingen van de voertuigfabrikant volgen. Sommige aanbevelingen om periodiek volledig te laden zijn mede bedoeld om de kalibratie van de laadtoestand te ondersteunen.

LMFP

LMFP staat voor lithium-mangaan-ijzerfosfaat. Het is een aanpassing van LFP waarbij een deel van het ijzer door mangaan wordt vervangen.

De bijdrage van mangaan verhoogt de spanning over een deel van de ontlaadcurve. Daardoor kan LMFP een hogere energiedichtheid bieden dan LFP, met behoud van een fosfaatstructuur en zonder nikkel of kobalt.

Het materiaal brengt ook uitdagingen met zich mee. Daaronder vallen een lagere intrinsieke elektrische en ionische geleidbaarheid, het oplossen van mangaan en de noodzaak om de samenstelling en deeltjescoatings te beheersen. Een recente evaluatie van LMFP-ontwikkelingen bespreekt het voordeel van de hogere spanning naast beperkingen rond geleidbaarheid, diffusie, dichtheid en mangaan. (Engineering)

LMFP kan als zelfstandig materiaal voor de positieve elektrode worden gebruikt of met een ander materiaal worden gemengd. Het werkelijke voordeel hangt af van de gebruikte hoeveelheid mangaan, het spanningsvenster, de elektrodedichtheid, de cyclische levensduur en het ontwerp van de complete cel.

LMO en gemengde positieve elektroden

LMO verwijst doorgaans naar lithiummangaanoxide met een spinelstructuur. Het kan een hoog vermogen en goed thermisch gedrag bieden, maar heeft op zichzelf meestal een lagere energiedichtheid en kan last hebben van het oplossen van mangaan en capaciteitsverlies, vooral bij hogere temperaturen.

In voertuigcellen is LMO vaak met NMC gemengd. In zo'n mengsel kan LMO het vermogen ondersteunen, terwijl NMC energiecapaciteit bijdraagt. Een gemengde elektrode is geen nieuwe elektrochemische categorie: het is een doelbewuste combinatie om prestaties, levensduur, kosten en veiligheid in evenwicht te brengen.

Andere mengsels zijn mogelijk. Fabrikanten kunnen materialen binnen een elektrode mengen, het ene materiaal met het andere coaten of de samenstelling vanaf het midden van een deeltje naar het oppervlak laten verlopen. Een korte chemienaam kan niet al deze details omvatten.

Chemie van natrium-ioncellen

Natrium-ioncellen werken volgens hetzelfde algemene 'schommelstoelprincipe' als lithium-ioncellen: natriumionen bewegen via de elektrolyt tussen de twee elektroden, terwijl elektronen door de externe stroomkring lopen. De materialen verschillen omdat natriumionen groter en zwaarder zijn en andere elektrochemische eigenschappen hebben.

Natrium is ruim beschikbaar en geografisch breed verspreid. In verschillende gangbare ontwerpen kunnen natrium-ioncellen lithium, nikkel en kobalt vermijden. De overvloed van een materiaal garandeert echter niet vanzelf een goedkoper pakket. Celopbrengst, elektrodedichtheid, productieschaal, levensduur, pakketoverhead en de volwassenheid van de toeleveringsketen beïnvloeden allemaal de kosten.

Negatieve elektrode van natrium-ioncellen

Conventioneel grafiet slaat lithium efficiënt op, maar kan natrium niet goed opnemen in de elektrolyten die normaal voor commerciële natrium-ioncellen worden gebruikt. Hard koolstof is daarom de gebruikelijke praktische keuze.

De structuur en oppervlaktechemie van hard koolstof moeten worden afgestemd op:

Omkeerbare natriumcapaciteit
Hoge efficiëntie tijdens de eerste cyclus
Voldoende elektrodedichtheid
Stabiele vorming van de grenslaag
Snel ionentransport
Consistente, schaalbare productie

Het verlies tijdens de eerste cyclus is bijzonder belangrijk, omdat natrium dat bij de vorming van de grenslaag wordt verbruikt tijdens latere cycli niet meer beschikbaar is om energie te vervoeren.

Families van positieve elektroden voor natrium-ioncellen

De ontwikkeling van natrium-ioncellen omvat drie brede families van positieve elektroden:

Gelaagde oxiden, die een relatief hoge capaciteit en spanning kunnen bieden, maar gevoelig kunnen zijn voor lucht, vocht of structurele veranderingen
Polyanionverbindingen, die stabiele raamwerken zoals fosfaten of sulfaten gebruiken en prioriteit kunnen geven aan duurzaamheid, spanning of thermische stabiliteit
Pruisisch-blauw-analogen, die open kristalstructuren hebben die snel natriumtransport ondersteunen, maar een nauwkeurige beheersing van watergehalte, lege roosterplaatsen en materiaaldichtheid vereisen

In de wetenschappelijke literatuur worden gelaagde oxiden, polyanionverbindingen en Pruisisch-blauw-analogen genoemd als de belangrijkste kathodefamilies voor natrium-ioncellen. (Nature Communications)

Deze families mogen niet als één universele 'natriumchemie' worden besproken. Net zoals NMC- en LFP-lithium-ioncellen van elkaar verschillen, kunnen natrium-ioncellen worden ontwikkeld voor uiteenlopende combinaties van energie, vermogen, gedrag bij kou, levensduur en kosten.

Waar natrium-ion past

Huidige natrium-ioncellen hebben doorgaans een lagere energiedichtheid dan toonaangevende lithium-ioncellen voor EV's. Daardoor zijn ze minder aantrekkelijk wanneer een maximaal rijbereik in een zo klein en licht mogelijk pakket moet passen.

Ze kunnen zeer geschikt zijn voor:

Kleinere of goedkopere EV's
Voertuigen waarbij een extreem bereik geen prioriteit is
Hybride pakketten die complementaire celtypen combineren
Stationaire opslag en andere toepassingen die minder door massa en volume worden beperkt

Gedrag bij koud weer kan bij sommige natrium-ionontwerpen een relatief sterk punt zijn, maar het woord 'natrium' garandeert dat niet. De elektrodematerialen, elektrolyt, celweerstand, het thermische systeem en de werkingslimieten bepalen nog altijd de werkelijke prestaties.

De commerciële beschikbaarheid ontwikkelt zich snel. Om dit fundamentele hoofdstuk duurzaam actueel te houden, horen actuele producten en leveranciersclaims thuis in Nieuwste ontwikkelingen in batterijtechnologie.

Elektrolyt

De elektrolyt vervoert ionen tussen de elektroden, maar hoort elektronen tegen te houden. De meeste huidige lithium-ioncellen voor EV's gebruiken een lithiumzout dat is opgelost in organische oplosmiddelen, aangevuld met kleine hoeveelheden additieven.

De samenstelling beïnvloedt:

Ionische geleidbaarheid
Gedrag bij lage en hoge temperaturen
Snellaadprestaties
Gasvorming
Stabiliteit bij hoge en lage elektrodepotentialen
Vorming van de beschermende elektrodegrenslagen
Ontvlambaarheid en reactie op misbruik

Een elektrolyt die goed werkt met grafiet en LFP is mogelijk niet geschikt voor een nikkelrijke positieve elektrode met hoge spanning of een negatieve elektrode waarin silicium de overhand heeft. Fabrikanten passen zouten, oplosmiddelen, additievenpakketten en concentraties aan de elektroden en het werkingsvenster aan.

Natrium-ioncellen gebruiken natriumhoudende zouten en geschikte oplosmiddelen. Hun samenstellingen lossen veel van dezelfde problemen op, maar moeten stabiele grenslagen vormen op andere elektrodematerialen.

Vloeibare, gelvormige, polymere en vaste elektrolyten

Solid-state beschrijft de architectuur van de elektrolyt, niet de chemie van de positieve elektrode. Een solid-statecel kan nog altijd een positieve elektrode van het NMC-type gebruiken en kan lithiummetaal, silicium, grafiet of een andere negatieve elektrode hebben.

Het vervangen van een ontvlambare vloeibare elektrolyt kan voordelen bieden voor veiligheid en verpakking, maar vaste elektrolyten brengen andere uitdagingen mee:

Nauw contact tussen vaste lagen behouden
Scheuren en holtes voorkomen wanneer de elektroden van volume veranderen
Een hoge ionische geleidbaarheid over een breed temperatuurbereik bereiken
Weerstand aan materiaalgrenzen beheersen
Dunne, foutloze lagen op voertuigschaal produceren

Sommige ontwerpen die 'solid-state' worden genoemd, bevatten nog een kleine hoeveelheid vloeistof of gel. Termen als semi-solid, quasi-solid en solid-state worden niet altijd consequent gebruikt. De constructie is daarom belangrijker dan het marketinglabel.

SEI en CEI: de grenslagen die de cel laten werken

De elektrolyt is niet volkomen stabiel bij de werkingspotentialen van de elektroden. Tijdens de eerste laadbeurt ontleedt een deel van de elektrolyt en vormt het dunne reactielagen op de elektrodeoppervlakken.

De laag op de negatieve elektrode is de solid-electrolyte interphase, of SEI. Een verwante laag op de positieve elektrode wordt meestal de cathode-electrolyte interphase, of CEI, genoemd.

Een bruikbare grenslaag moet:

Lithium- of natriumionen geleiden
Het grootste deel van de elektronenstroom blokkeren
Voortgaande ontleding van de elektrolyt beperken
Mechanisch en chemisch stabiel blijven terwijl de cel wordt gebruikt

Bij de vorming van de SEI wordt actief lithium of natrium verbruikt, waardoor een deel van de aanvankelijke capaciteit van de cel verloren gaat. Als de grenslaag barst of oplost, worden bij het herstel nog meer elektrolyt en actieve ionen verbruikt.

Dit is bijzonder moeilijk bij silicium omdat de negatieve elektrode van volume verandert. Het is ook een uitdaging bij hoge spanningen van de positieve elektrode, waarbij oxidatie van de elektrolyt en het oplossen van overgangsmetalen beide zijden van de cel kunnen beschadigen. Elektrolytadditieven, coatings, formatieprocedures en werkingslimieten vormen daarom kernelementen van de chemie, ook al komen ze niet in de afkorting voor. (Nature Communications)

Separator

De separator is een dun, elektrisch isolerend membraan tussen de positieve en negatieve elektrode. De poriën bevatten elektrolyt en laten ionen door, terwijl het membraan direct contact tussen de elektroden verhindert.

Gangbare separatoren voor lithium-ioncellen gebruiken polyethyleen, polypropyleen of combinaties van meerdere lagen. Keramische coatings kunnen hittebestendigheid, bevochtiging, mechanische sterkte of vormvastheid verbeteren.

Sommige polymeerseparatoren zijn zo ontworpen dat hun poriën bij een stijgende temperatuur sluiten. Daardoor neemt de weerstand sterk toe en vertraagt de elektrochemische reactie. Dit uitschakelgedrag kan extra bescherming bieden, maar vormt geen compleet veiligheidssysteem. Als de separator verder krimpt, scheurt, wordt doorboord of beschadigd raakt voordat de uitschakeling kan helpen, kan nog steeds interne kortsluiting ontstaan. Onderzoek naar lithium-ionseparatoren beschrijft zowel deze uitschakeling als het risico op bezwijken bij hogere temperaturen. (ACS Omega)

De eigenschappen van de separator beïnvloeden ook de normale prestaties. Dikte, porositeit, kronkeligheid van de poriën, bevochtiging door de elektrolyt, doorsteekbestendigheid en gelijkmatigheid van de coating beïnvloeden allemaal weerstand, laden, energiedichtheid, productiekwaliteit en veiligheid.

Stroomcollectoren

Stroomcollectoren zijn dunne metaalfolies die elektronen tussen de elektrodecoatings en de celpolen vervoeren.

In conventionele lithium-ioncellen:

Wordt de negatieve elektrode doorgaans op koperfolie aangebracht
Wordt de positieve elektrode doorgaans op aluminiumfolie aangebracht

Aan de grafietzijde wordt koper gebruikt omdat aluminium bij de lage potentiaal van een geladen grafietelektrode een legering met lithium kan vormen. Aluminium is lichter en stabiel bij de hogere potentiaal van de positieve elektrode.

LTO werkt op een hogere potentiaal en kan aluminium aan de zijde van de negatieve elektrode gebruiken, zoals het Amerikaanse Department of Energy in zijn beoordeling van lithium-iontechnologie vermeldt. (US Department of Energy)

Ook de dikte van de collector vraagt om een afweging. Dunnere folie vermindert de inactieve massa en kan de energiedichtheid verbeteren, maar moet bestand zijn tegen coaten, drogen, kalanderen, wikkelen of stapelen, het lassen van tabs en jarenlang gebruik.

Vergelijking van de belangrijkste EV-celsystemen

Geen enkele celfamilie is op alle maatstaven de beste. De volgende profielen beschrijven gebruikelijke tendensen, geen gegarandeerde eigenschappen.

Grafiet of grafiet-silicium met NMC, NCA of NCMA

Typische sterke punten: hoge energiedichtheid, groot vermogenspotentieel en vergaande ontwikkeling voor voertuiggebruik.

Typische beperkingen: grotere afhankelijkheid van nikkel en soms kobalt; strengere eisen aan thermisch beheer, spanningsregeling en stabiliteit van de grenslagen naarmate het nikkelgehalte en de celspanning toenemen.

Deze combinatie is aantrekkelijk wanneer bereik en efficiënt ruimtegebruik prioriteit hebben. Silicium kan capaciteit toevoegen, maar meer silicium vergroot ook de uitdagingen rond zwelling en grenslagen.

Grafiet met LFP

Typische sterke punten: thermische stabiliteit, potentieel lange cyclische levensduur, groot vermogenspotentieel en geen nikkel of kobalt in de positieve elektrode.

Typische beperkingen: lagere energiedichtheid op celniveau en een vlakke spanningscurve die het schatten van de laadtoestand moeilijker maakt.

LFP kan op pakketniveau zeer concurrerend zijn wanneer een efficiënte cell-to-pack-integratie een deel van het verschil in energiedichtheid op celniveau compenseert.

Grafiet met LMFP

Typische sterke punten: potentieel meer energie dan LFP, met behoud van een fosfaatstructuur en zonder nikkel en kobalt.

Typische beperkingen: geleidbaarheid, stabiliteit van mangaan en een minder volwassen grootschalige productiebasis dan bij gevestigd LFP.

De positie van LMFP hangt ervan af of fabrikanten het spanningsvoordeel kunnen benutten zonder in te leveren op levensduur, efficiëntie of kosten.

LTO met een positieve lithium-ionelektrode

Typische sterke punten: snel laden, hoog vermogen, weinig risico op plating en potentieel een zeer lange cyclische levensduur.

Typische beperkingen: lage celspanning en lage energiedichtheid, waardoor voor een bepaalde hoeveelheid opgeslagen energie de massa en het volume van het pakket toenemen.

Dit systeem is geschikter voor veeleisende gebruikscycli dan voor elektrische personenauto's met groot bereik, waarbij efficiënt ruimtegebruik centraal staat.

Hard koolstof met een positieve natrium-ionelektrode

Typische sterke punten: mogelijk gebruik van ruim beschikbare materialen, in veel ontwerpen minder afhankelijkheid van lithium en nikkel, en veelbelovende vermogens- of koudweerprestaties in bepaalde cellen.

Typische beperkingen: lagere energiedichtheid dan bij toonaangevende lithium-ioncellen, natriumverlies tijdens de eerste cyclus en een productie-ecosysteem dat nog in ontwikkeling is.

De exacte kathodefamilie maakt veel verschil. 'Natrium-ion' alleen is daarom geen afdoende specificatie.

Lithiummetaal- en solid-statearchitecturen

Typische sterke punten: potentieel hogere energiedichtheid en, bij sommige ontwerpen met een vaste elektrolyt, andere veiligheids- en verpakkingseigenschappen.

Typische beperkingen: grensvlakweerstand, ongelijkmatige lithiumafzetting, drukregeling, duurzaamheid, temperatuurvereisten en moeilijke grootschalige productie.

Deze twee concepten overlappen, maar zijn niet onderling uitwisselbaar. Bij iedere vergelijking moeten beide elektroden, het type elektrolyt, de testomstandigheden, de celgrootte, de resterende capaciteit en de vraag of de cijfers voor een materiaal, laboratoriumcel of cel op voertuigschaal gelden worden vermeld.

Wat chemie voor een EV-koper betekent

Chemie beïnvloedt een EV, maar voorspelt op zichzelf niet de volledige gebruikservaring.

Bereik en verpakking

Een hogere energiedichtheid op celniveau kan binnen een bepaalde pakketmassa en een bepaald pakketvolume meer bereik bieden. De bruikbare capaciteit, pakketstructuur, koelingshardware, bescherming bij botsingen, voertuigefficiëntie en reservebuffers zijn echter ook van belang.

Een goed geïntegreerde cel met minder energie kan daardoor een concurrerend pakket opleveren, terwijl een cel met veel energie een deel van haar voordeel kan verliezen door zwaardere koeling of behoudende werkingslimieten.

Laden

Snelladen hangt af van het vermogen van de negatieve elektrode om ionen op te nemen, de transportlimieten van de positieve elektrode, elektrodedikte, interne weerstand, temperatuur, laadtoestand en de strategie van het batterijmanagement.

De chemie helpt de grenzen te bepalen, maar de laadprestaties van de batterij en het preconditioneringssysteem zeggen meer over een specifieke EV. Twee auto's die LFP of NMC gebruiken, kunnen zeer verschillende laadtijden hebben.

Koud weer

Een lage temperatuur vertraagt het ionentransport en verhoogt de weerstand. Ook vergroot kou het risico op lithiumplating tijdens het laden van cellen op grafietbasis.

Sommige chemieën en elektrolyten verdragen koude omstandigheden beter dan andere, maar pakketverwarming en software kunnen zwaarder wegen dan het chemielabel. Vergelijk het werkelijke voertuiggedrag, waaronder de mogelijkheid om de batterij vóór snelladen voor te verwarmen.

Duurzaamheid

De cyclische levensduur hangt af van de ontladingsdiepte, laadsnelheid, celtemperatuur, gemiddelde laadtoestand, de tijd die nabij de spanningslimieten wordt doorgebracht en het bruikbare venster dat de fabrikant toestaat.

Een chemie die in het laboratorium veel cycli doorstaat, kan snel verouderen in een heet pakket dat op een hoge laadtoestand wordt gehouden. Omgekeerd kunnen behoudende buffers en doeltreffende koeling een reactievere chemie vele jaren laten meegaan. Zie Batterijdegradatie voor de verouderingsmechanismen en Garantie op EV-batterijen voor de bescherming van de eigenaar.

Veiligheid

Sommige materialen voor de positieve elektrode zijn thermisch stabieler dan andere, maar voertuigveiligheid kan niet uitsluitend op basis van de kathode-afkorting worden gerangschikt. Celkwaliteit, separatorontwerp, hoeveelheid elektrolyt, barrières tegen voortplanting, sensoren, koeling, elektrische beveiliging, botsstructuur en software leveren allemaal een bijdrage.

De stabiele fosfaatstructuur van LFP is een voordeel, maar maakt een pakket niet onverwoestbaar of onbrandbaar. Nikkelrijke cellen vereisen strengere beheersing, maar een goed ontwikkeld pakket kan die risico's onder controle houden.

Kosten en blootstelling aan materialen

LFP en verschillende natrium-ionontwerpen vermijden nikkel en kobalt, terwijl nikkelrijke gelaagde oxiden in ruil voor veel energie meer verwerkingsintensieve materialen gebruiken. De pakketkosten omvatten echter ook celopbrengst, fabrieksbenutting, pakketstructuur, elektronica, koeling, garantierisico en productieschaal.

De samenstelling van de grondstoffen is daarom een deel van het kostenplaatje, niet het volledige antwoord.

Hetzelfde label kan grote verschillen verbergen

Vraag bij het vergelijken van twee EV's verder dan alleen 'LFP' of 'NMC':

Wat zijn de bruto- en bruikbare batterijcapaciteit?
Hoeveel bereik levert het complete voertuig?
Hoe ziet de laadcurve eruit bij warme en koude omstandigheden?
Ondersteunt het voertuig preconditionering van de batterij?
Hoe groot zijn de bovenste en onderste buffers?
Hoe regelt de fabrikant de temperatuur?
Welke batterijgarantie en degradatiedrempel gelden?
Zijn de opgegeven prestaties op cel- of pakketniveau gemeten?

Chemie verklaart waarom bepaalde afwegingen bestaan. De afgewerkte cel, het pakket en het voertuig bepalen hoe die afwegingen in het dagelijks gebruik tot uiting komen.

Ga verder met Celformaten en Accupakket en configuratie om te zien hoe deze materialen worden verpakt en verbonden.