In tijden van klimaatvriendelijke mobiliteit, energietransitie en digitalisering spelen batterijen een centrale rol in de opslagtechnologie. Maar met de wereldwijde transitie naar een duurzame energievoorziening nemen ook de eisen toe. Verschillende innovaties, zoals vaste-stofbatterijen, klimaatvriendelijkere materialen en een duurzame laadinfrastructuur, hebben al een nieuw tijdperk van energieopslag ingeluid, dat in de toekomst nog krachtiger, veiliger en zuiniger met hulpbronnen moet worden dan tot nu toe het geval was.
De huidige stand van de batterijtechnologie
Lithium-ion-batterijen zijn de huidige standaard
De huidige standaard is de lithium-ion-batterijtechnologie. Deze batterijen zijn krachtige, herbruikbare energieopslagmedia die inmiddels in bijna alle mobiele apparaten en elektrische voertuigen worden ingebouwd. Door hun hoge energiedichtheid en lange levensduur zijn ze hiervoor bijzonder geschikt. Bovendien hebben ze geen last van het ‘geheugeneffect’, waarbij de capaciteit langzaam maar zeker afneemt door vroegtijdig opladen – voordat de batterij volledig is ontladen. Lithium-ion-batterijen zijn echter kwetsbaar, omdat ze gevoelig zijn voor oververhitting en daardoor diep ontladen of beschadigd kunnen raken. Oververhitting kan leiden tot prestatieverlies en in het ergste geval zelfs tot brand.
De levensduur van lithium-ionbatterijen kan worden verlengd door het batterijniveau tussen 20 en 80 procent te houden om extreme temperaturen te vermijden. Net zo belangrijk is de verwijdering. Hier is echter voorzichtigheid geboden, want lithium-ionbatterijen horen niet thuis in het huisvuil, maar moeten absoluut op de juiste wijze worden ingeleverd bij inzamelpunten of in de winkel.
De verschillende varianten in vergelijking
Lithium-ion-batterijen verschillen in hun kathodechemie, d.w.z. door de verschillende materialen waaruit ze bestaan. Nikkel-mangaan-kobalt-batterijen (NMC) worden bijvoorbeeld vooral gebruikt in elektrische auto’s, e-bikes en smartphones. Hun voordeel ligt in de combinatie van de materialen nikkel, mangaan en kobalt, waardoor veel energie in een kleine ruimte kan worden opgeslagen. Bovendien zorgt dit voor een stabiel vermogen en een relatief lange levensduur.
Nikkel-kobalt-aluminium-batterijen, kortweg NCA, zijn ook krachtig, omdat ze veel energie kunnen opslaan bij een relatief laag gewicht. Dat maakt ze niet alleen zeer efficiënt en ruimtebesparend, maar ook ideaal voor langeafstands-e-mobiliteit of toepassingen met een hoog energieverbruik. Bovendien hebben NCA-batterijen een hoge belastbaarheid en overtuigen ze door hun lange levensduur. Ze zijn echter duur in aanschaf en gevoelig voor hitte en mechanische belasting, waardoor regelmatige veiligheidscontroles noodzakelijk zijn.
Lithium-ijzerfosfaatbatterijen (LFP) zijn de veilige en robuuste variant van de lithium-iontechnologie. Ze staan vooral bekend om hun lange levensduur en worden meestal gebruikt in goedkope elektrische voertuigen. In tegenstelling tot NMC en NCA bestaan LFP-batterijen niet uit kritieke grondstoffen zoals kobalt of nikkel. Daarom zijn ze goedkoper in aanschaf en kunnen ze als milieuvriendelijke variant worden beschouwd. LFP’s zijn weliswaar zwaarder en hebben een lagere energiedichtheid dan andere gangbare lithium-ionbatterijen, maar ze worden beschouwd als thermisch zeer stabiel en beter bestand tegen mechanische belasting.
Een gedetailleerd inzicht in de praktische toepassingsmogelijkheden van deze technologie biedt ons artikel “LiFePO4-batterijen van LiTime – de energiebron voor mobiele toepassingen”. De fabrikant LiTime zet met zijn krachtige en duurzame batterijen nieuwe maatstaven in sectoren zoals campers, boten of netonafhankelijke energiesystemen.
De volgende generatie batterijen staat klaar
Deze innovatieve oplossingen bevinden zich al in de startblokken en zouden in de toekomst de wijdverbreide lithium-ion-batterijen kunnen vervangen.
Vaste-stofbatterijen (solid-state)
Vaste-stofbatterijen – ook wel solid-state-batterijen genoemd – worden door velen gezien als een bron van hoop. In tegenstelling tot conventionele lithium-ionbatterijen bestaan vaste-stofbatterijen uit vaste elektrolyten. Dat maakt ze niet alleen veiliger, maar ook compacter en zorgt voor een hogere energiedichtheid. Daardoor hebben ze kortere oplaadtijden en een lange levensduur. De vaste elektrolyten verminderen bovendien het risico op brand of explosies, bijvoorbeeld bij oververhitting of beschadiging.
Lithium-zwavel- en lithium-luchtbatterijen
De verdere ontwikkeling van klassieke lithium-ionbatterijen komt steeds meer in de belangstelling van onderzoekers te staan. Lithium-zwavelbatterijen en lithium-luchtbatterijen zijn hiervan een goed voorbeeld. Beide batterijtechnologieën bereiken een hogere energiedichtheid, wat betekent dat ze meer vermogen leveren bij een laag gewicht. Bij lithium-zwavelbatterijen wordt bijvoorbeeld zwavel gebruikt in plaats van de conventionele kathode, waardoor ze goedkoper en milieuvriendelijker zijn. Bij lithium-luchtbatterijen daarentegen wordt zuurstof uit de omgeving als reactiepartner gebruikt. Dit heeft als voordeel dat de energiedichtheid nog verder wordt verhoogd, waardoor ze nog krachtiger worden. De reacties in de batterijen zijn echter tot nu toe moeilijk te controleren. Toch zijn ze veelbelovende alternatieven voor de toekomst.
Alternatieve grondstoffen en duurzame batterijen
Wetenschappers blijven zoeken naar alternatieve grondstoffen voor batterijen. Een oplossing hiervoor zouden natrium-ion-batterijen of bio-batterijen kunnen zijn. Bio-batterijen worden ontwikkeld uit organische materialen zoals cellulose of andere plantaardige grondstoffen. Deze technologie staat echter nog in de kinderschoenen. In plaats van lithium komt natrium steeds meer in beeld – een grondstof die in grote hoeveelheden en wereldwijd beschikbaar is. Natrium-ion-batterijen zijn weliswaar iets zwaarder en hebben een lagere energiedichtheid, maar zouden vooral voor stationaire opslag en goedkope elektrische auto’s een aantrekkelijk alternatief kunnen zijn. Ook batterijen op basis van multivalente ionen, zoals magnesium-ion-batterijen, worden als potentieel alternatief beschouwd. Vooral wat betreft de beschikbaarheid van materialen zijn ze veelbelovend, maar het onderzoek hiernaar staat nog in de kinderschoenen.
Waar wordt momenteel nog onderzoek naar gedaan
Om aan de toenemende eisen van moderne energieopslag te voldoen, wordt momenteel ook onderzoek gedaan naar andere nieuwe benaderingen voor batterijen. Daarbij ligt de focus onder andere op nieuwe elektrolyten – waaronder vaste elektrolyten of niet-brandbare vloeistoffen – die de veiligheid moeten verhogen en de energiedichtheid moeten vergroten. Ook 3D-geprinte batterijenzullen aan belang winnen, omdat ze een bijzonder snelle prototypeontwikkeling mogelijk maken. Bijzonder veelbelovend zijn ook zelfherstellende batterijen, die scheuren of materiaaldefecten zelfstandig repareren en zo de levensduur aanzienlijk kunnen verlengen. Mogelijke toepassingsgebieden zijn bijvoorbeeld de analyse van celgedrag, de vroegtijdige detectie van verouderingsprocessen en het opstellen van intelligente laad- en koelstrategieën die de totale levensduur van de batterij verlengen.
Conclusie: een spannend innovatiegebied
De toekomst van de batterijtechnologie wordt dynamisch. Deze wordt vooral gekenmerkt door nieuwe trends en innovaties die bijvoorbeeld het bereik, de laadtijd, de veiligheid, de kosten en de duurzaamheid kunnen verbeteren. Vooral batterijen die geen gebruik maken van zeldzame grondstoffen zoals lithium, kobalt en nikkel zijn veelbelovend. Maar tot zover is het nog een lange weg. Onderzoekers werken weliswaar aan alternatieve oplossingen, maar ook deze hebben hun eigen economische en geopolitieke uitdagingen die moeten worden overwonnen, of het nu gaat om hoge kosten, goedkeuringsprocedures of veiligheidsnormen. Eén ding is echter zeker: batterijen zijn al lang niet meer alleen “verbruiksartikelen”, maar een strategische sleutel tot de energietransitie.
Afbeeldingen: Adobe Stock
