De snelle stijging van de verkoop van elektrische auto's zorgt voor een batterijtekort. Om dit probleem op te lossen, moeten we beter worden in het recyclen van de grondstoffen die in batterijen worden gebruikt en de ontwikkeling van nieuwe batterijtypes versnellen.

Het lijkt een natuurlijk gevolg van zijn veroordeling als professor Poul Norby zijn elektrische auto bijna geruisloos de parkeerplaats van DTU Lyngby Campus oprijdt op weg naar kantoor. Hier richt zijn onderzoek zich op het creëren van kennis die de weg kan effenen voor betere batterijen in onder meer auto's.

"Naar mijn mening lost de elektrische auto veel meer problemen op dan hij creëert", zegt de professor.

Over de groene status van elektrische auto's is altijd veel discussie geweest, vooral omdat de productie van batterijen voor elektrische auto's aanzienlijk meer CO₂ genereert dan conventionele autobatterijen, en de winning van hun grondstoffen is potentieel problematisch.

Levenscyclusanalyses van het leven van een elektrische auto - van assemblagelijn tot sloopwerf - laten echter zien dat elektrische auto's in Denemarken aanzienlijk minder CO uitstoten₂ in het algemeen dan auto's die op benzine of diesel rijden. Daarnaast zijn er maatregelen genomen om een ​​milieuvriendelijkere winning te garanderen die zowel de mijnwerkers als het milieu ten goede komt.

Poul Norby is slechts een van de groeiende groep mensen die investeert in een fossielvrije toekomst door een elektrische auto te kopen:Volgens cijfers van het International Energy Agency werden vorig jaar wereldwijd 6,6 miljoen elektrische auto's verkocht. Dat is drie keer zoveel als twee jaar eerder. Het gemiddelde aantal verkochte elektrische auto's in slechts één week in 2021 was zelfs gelijk aan het totale aantal verkochte elektrische auto's in heel 2013.

Deze snelle stijging van de verkoop leidt tot een batterijtekort. Mede omdat het lastig wordt om grondstoffen als kobalt, lithium, nikkel en grafiet, die nu veel in batterijen worden gebruikt, snel genoeg en verantwoord te winnen. En deels omdat de vraag naar batterijen waarschijnlijk voor een bepaalde periode de productiecapaciteit zal overschrijden.

Druk op grondstoffen

In een studie van april dit jaar schatten onderzoekers van de KU Leuven in België dat Europa 36 keer zoveel lithium en meer dan vier keer zoveel kobalt nodig zal hebben om het doel te bereiken om tegen 2050 klimaatneutraal te worden. Dit zorgt voor een strijd om grondstoffen.

Volgens Poul Norby is een manier om de onvermijdelijke knelpunten te verminderen het ontwikkelen van nieuwe en betere batterijtypes die minder van de meest gevraagde grondstoffen verbruiken.

De leveringsuitdaging zal onder andere het werk versnellen om alternatieven te vinden voor de lithium-ionbatterijen die tegenwoordig in de meeste elektrische auto's worden gebruikt en die nog steeds uit ongeveer 10% kobalt bestaan, ondanks inspanningen om de hoeveelheid te verminderen.

Er is al uitgebreid onderzoek gedaan naar alternatieven voor kobalt, onder meer door ijzer of mangaan te vervangen. Dit brengt de professor ertoe een gewaagde voorspelling te doen:

"Over vijf jaar zit er geen kobalt meer in onze lithium-ionbatterijen. Dat is een zeer gewaagde uitspraak, maar het is waar we naartoe gaan, want kobalt is op zoveel manieren problematisch."

Sneller ontwikkelingsproces

Batterijgewicht, prestaties en prijs spelen een grote rol bij het bepalen of iets een interessant alternatief is voor de populaire lithium-ionbatterij. De eerste twee parameters zorgen ervoor dat elektrische auto's zo lang mogelijk op één lading kunnen rijden.

Samen met een aantal DTU-collega's maakt Poul Norby deel uit van het grootste en duurste batterijonderzoeksproject van de EU tot nu toe, de BIG-MAP. Hun taak is om een ​​efficiënt proces te ontwikkelen om te beoordelen welke materialen goede kandidaten zijn voor de ontwikkeling van nieuwe en efficiënte batterijen, niet alleen voor gebruik in auto's, maar voor de groene transitie in het algemeen.

"Door een efficiënt proces te creëren voor het ontwikkelen, testen en evalueren van nieuwe materialen, kunnen we de snelheid van het materiaalontwikkelingsproces aanzienlijk verhogen. Dus combineren we theoretische modellering met experimenteel werk en creëren we een autonoom machine-leerproces dat ons in staat stelt om voortdurend evalueren en beslissen welke kant het op gaat", zegt hij.

Hun werk draagt ​​bij aan fundamentele kennis over materialen die een reëel of potentieel gebruik hebben als nieuwe of bestaande materialen. In veel opzichten is het de stap die voorafgaat aan de ontwikkeling van nieuwe batterijen, maar het is een essentiële stap om te voorkomen dat je werkt aan ideeën die uiteindelijk niet effectief blijken te zijn.

Volgende ontwikkelingsstap

Volgens Poul Norby is de volgende stap in de ontwikkeling van nieuwe batterijen solid-state batterijen. In tegenstelling tot de huidige lithium-ionbatterijen, is de elektrolyt (d.w.z. de verbinding tussen de positieve en negatieve polen van de batterij) vast in plaats van vloeibaar en gemaakt van glas, mineralen of polymeren.

Verschillende grote autofabrikanten hebben zwaar geïnvesteerd in de ontwikkeling van solid-state batterijen, die naar verwachting brandveiliger zullen zijn, aanzienlijk sneller zullen opladen en twee keer zoveel energie zullen bevatten als de huidige lithium-ionbatterijen. Verschillende automerken hebben aangekondigd tegen 2025 een bruikbare solid-state batterij te verwachten.

Volgens Poul Norby is de ultieme droom om een ​​lithium-luchtbatterij te hebben met een energiedichtheid die dicht bij die van fossiele brandstoffen ligt – en waarvoor geen kobalt nodig is:

"De voordelen van het ontwikkelen van een lithium-luchtbatterij zijn altijd enorm geweest, maar het is ongelooflijk moeilijk om daar te komen. Zonder de enorme voordelen die we kunnen behalen, zou niemand het ooit proberen."

Door berekeningen te combineren met experimenteel werk, hebben DTU-onderzoekers aangetoond dat het in theorie mogelijk is om een ​​lithium-luchtbatterij te maken. Het is echter tot nu toe erg moeilijk gebleken om voldoende energie-efficiëntie, laadsnelheid en duurzaamheid te bereiken.

"Dit is zeker iets dat een revolutie teweeg kan brengen in de batterijtechnologie, maar het is nog ver weg, als het al mogelijk is", zegt hij.

Nieuw leven voor oude batterijen

Ook zal recirculatie een belangrijke rol spelen om op termijn een tekort aan grondstoffen te voorkomen. De eerder genoemde studie van de KU Leuven schat dat als Europa nu fors investeert, het continent in staat zal zijn om 40-75% van de behoefte aan grondstoffen voor de groene transitie alleen te dekken door recycling.

"Het publieke debat wekt de indruk dat recirculatie hier en nu begint, maar dat is niet waar. Batterijmaterialen worden al heel lang gerecycled. Het was tot nu toe moeilijk en duur, maar de ontwikkeling van goedkopere en efficiëntere recyclingmethoden gaat snel", zegt Poul Norby.

Uit cijfers van het Europees Parlement blijkt dat in 2019 51% van de draagbare batterijen die in de EU werden verkocht, werd ingezameld voor recycling, maar EU-politici werken aan de aanpassing van de regels om een ​​hoger recyclingniveau te garanderen, inclusief batterijen uit opslag en elektrische auto's.

"Vrijwel alle materialen in batterijen zullen in de toekomst moeten worden gerecycled, zelfs als dit niet winstgevend is", zegt professor Norby.

Tesla en Volkswagen melden dat ze al meer dan 90% van de materialen in hun eigen batterijen kunnen recyclen. Natuurlijk is het recyclingproces onmiskenbaar eenvoudiger als het gaat om het demonteren van batterijen van 500 kg en het sorteren ervan in stapels bruikbare grondstoffen dan bij het hanteren van een mengsel van kleinere batterijen van bijvoorbeeld mobiele telefoons en laptops, die verschillende soorten metalen bevatten in verschillende bedragen.

"Nu krijgen we deze grote batterijen waarvan je precies weet wat erin zit, hoe ze zijn behandeld en waar ze van gemaakt zijn. Dat maakt het ook een stuk makkelijker om ze uit elkaar te halen", zegt Poul Norby.

Er zijn ook andere manieren om na te denken over recirculatie van accu's van elektrische auto's:Wanneer de laadcapaciteit te slecht wordt voor de accu's voor gebruik in auto's, kunnen ze voor andere dingen worden gebruikt, zoals het opslaan van stroom in kleine, lokale zonnecelcentrales. Een stapel gebruikte batterijen kan 10 tot 15 jaar een lokale opslageenheid vormen voordat het nodig is om de batterijen uit elkaar te halen en de grondstoffen opnieuw te gebruiken.

Door op deze manier de levensduur van de batterijen te verlengen, kunnen we ook tijd winnen voor het ontwikkelen van goedkopere en betere manieren om de grondstoffen te recyclen. + Verder verkennen

Batterijonderdelen kunnen worden gerecycled zonder te pletten of te smelten