Nieuwe batterijmaterialen: de toekomst van anodes en kathodes

De volgende sprong in batterijtechnologie komt niet alleen van nieuwe chemie, maar ook van slimme structuren. Anodes van lithium-metaal en kathodes met zwavel kunnen de energiedichtheid verdubbelen, terwijl 3D-structuren de levensduur verlengen.

Waarom zijn anodes en kathodes zo belangrijk?

De capaciteit en laadsnelheid van een accu worden grotendeels bepaald door de elektroden. De anode (negatieve elektrode) en kathode (positieve elektrode) moeten veel lithiumionen kunnen opslaan en snel loslaten. Traditionele materialen zoals grafiet en nikkel-mangaan-kobalt (NMC) hebben hun limieten bereikt. Nieuwe materialen richten zich op hogere energiedichtheid, snellere laadtijden en minder gebruik van schaarse grondstoffen zoals kobalt.

Lithium-metaal anodes: een dubbele winst

Lithium-metaal heeft een extreem hoge theoretische capaciteit, ongeveer tien keer die van grafiet. Als anode materiaal kan het de energiedichtheid van een accu met 40-60% verhogen zonder dat de cel groter wordt. Het grootste probleem is de vorming van dendrieten: naaldachtige structuren die kortsluiting kunnen veroorzaken. Onderzoekers testen 3D-structuren van koolstof of keramiek die de lithiumafzetting sturen en zo de levensduur verlengen. Verschillende startups, waaronder QuantumScape, claimden al prototypes met hoge stabiliteit, maar commercieel is het nog niet breed verkrijgbaar.

Zwavel-kathodes: goedkoop en lichtgewicht

Zwavel is een goedkoop en overvloedig element, en kathodes op basis van zwavel kunnen een energiedichtheid leveren van circa 500-800 Wh/kg, vergeleken met 250-350 Wh/kg voor Li-ion. Het grote nadeel is de vorming van polysulfiden die de accu snel laten verouderen. Nieuwe poriënstructuur in de kathode houdt deze deeltjes vast, waardoor de levensduur verbetert. In laboratoria halen zwavelbatterijen al duizenden cycli, maar de omschakeling naar massaproductie is nog lastig. Bedrijven als Theion en Lyten werken aan de commercialisering, mogelijk rond 2027-2030.

3D-structuren: meer oppervlakte, meer snelheid

In plaats van platte lagen, gebruiken sommige onderzoeksgroepen driedimensionale elektroden, bijvoorbeeld van verticaal uitgelijnde koolstofnanobuisjes of geëtst silicium. Door het grotere oppervlak kan de ionenstroom sneller en gelijkmatiger verlopen. Dit resulteert in laadtijden van minder dan 20 minuten voor een 80% lading, terwijl de accu minder snel degradeert. Een voorbeeld is de 'drie-dimensionale silicium anode' van het bedrijf Sila, die in sommige consumentenproducten al wordt toegepast. In de auto-industrie verwacht men de eerste toepassingen rond 2026, vooral in premium modellen.

Wanneer kunnen we deze technieken in auto's verwachten?

De meeste nieuwe materialen bevinden zich nog in de pilotfase. Lithium-metaal en zwavel zullen waarschijnlijk eerst verschijnen in elektrische vliegtuigen en drones vanwege hun hoge waarde per kilo. Voor auto's is het streven om rond 2030 accu's te introduceren met 400-500 Wh/kg op celniveau. Dat zou een actieradius van 800-1000 kilometer mogelijk maken in middenklasse auto's. De komende jaren zien we vooral verbeteringen aan bestaande NMC en LFP, met nieuwe coatings en dopanten die de levensduur tot 15-20 jaar verlengen.

Veelgestelde vragen

Zijn nieuwe batterijmaterialen al te koop in elektrische auto's?

Nee, op enkele uitzonderingen na niet. De eerste auto's met silicium-anodes worden verwacht rond 2025-2026, maar lithium-metaal en zwavel zijn nog experimenteel. De meeste fabrikanten focussen voorlopig op het optimaliseren van bestaande chemie.

Zullen nieuwe materialen de prijs van EV's verlagen?

Op termijn waarschijnlijk wel, vooral omdat zwavel en silicium veel goedkoper zijn dan nikkel en kobalt. Echter, de productieprocessen zijn nieuw en zullen in het begin duurder zijn. Zonder subsidies blijft de aanschafprijs mogelijk hoger dan bij huidige accu's.

Wat betekent dit voor de levensduur van de accu?

Veel nieuwe materialen beloven een langere levensduur, bijvoorbeeld 20 jaar of meer, doordat ze minder snel degraderen. Het verminderen van interne weerstand en het gebruik van stabielere structuren draagt bij aan meer laadcycli. Sommige zwavelcellen halen al duizenden cycli in het lab.