De ontwikkelingsdoelen en de mythes rond accutechnologie

Het accusysteem is een belangrijk onderdeel van de elektrische mobiliteit. Bij Daimler houden experts uit verschillende disciplines zich dagelijks bezig met alle aspecten van deze opslagtechnologie, van vooronderzoek tot productierijpheid. De eisen zijn complex en variëren afhankelijk van de toepassing. Dit komt omdat 48-volt mild hybrids, plug-in hybrids en puur elektrische aandrijvingen een verschillende ontwikkelingsfocus vereisen. Om met betrekking tot dit veelbesproken onderwerp het overzicht te behouden, sprak Andreas Hintennach in een digitaal rondetafelgesprek met mediavertegenwoordigers over de technische principes en de ontwikkelings- en onderzoeksdoelstellingen van Daimler.

Professor Hintennach, u houdt zich bezig met R&D-werkzaamheden met betrekking tot accutechnologie – het huidige 'hot topic' op het gebied van e-mobiliteit. Hoe gaat Mercedes-Benz te werk met betrekking tot dit onderwerp?

Accutechnologie is een belangrijk onderdeel van elektrische mobiliteit en is geen kant-en-klaar product, maar een integraal onderdeel van de voertuigarchitectuur. Daarom houden we ons bezig met alle fasen, van vooronderzoek tot productierijpheid. Onze activiteiten omvatten de voortdurende optimalisatie van de huidige generatie lithium-ion-accusystemen, de doorontwikkeling van de op de wereldmarkt beschikbare cellen en het onderzoek naar de volgende generatie accusystemen. Maar natuurlijk zijn er nog meer aspecten met betrekking tot de accu's voor elektrische voertuigen. We werken ook aan het accumanagementsysteem, een complexe computer die je altijd kunt verbeteren. Ook het thermisch beheer is een belangrijk onderwerp. Dat is bepalend voor de levensduur en ook voor de prestaties van het accupakket. Er is veel kennis van deze technologieën nodig om de juiste beslissingen te kunnen nemen.

Waar ligt uw focus op dit moment?

Terwijl ons nieuwe EQC-model wordt geïntroduceerd op de verschillende markten, effenen we de weg voor de volgende generaties van krachtige elektrische voertuigen met accutechnologie. Lithium-ion-accu's zijn het meest voorkomende accutype dat op het moment wordt gebruikt in elektronica en elektrische voertuigen. De komende jaren zal deze technologie een belangrijke rol blijven spelen – maar er komt nog meer. Op het gebied van onderzoek en ontwikkeling hanteren we een aantal specifieke uitgangspunten. We zetten consequent stappen richting innovatie en werken aan alternatieven die betere prestaties leveren dan lithium-ion wat betreft energiedichtheid en oplaadtijd maar ook duurzaamheid. Zo zijn we het bijvoorbeeld een duurzaamheidspartnerschap aangegaan met Farasis Energy (Ganzhou) Co., Ltd. voor een totaalaanpak in de gehele waardeketen: een deel van de accucellen voor de volgende voertuiggeneratie van ons product- en technologiemerk EQ wordt al geproduceerd met 100 procent elektriciteit uit hernieuwbare energie. Zowel onze capaciteit voor de technologische beoordeling van materialen en cellen als onze onderzoeks- en ontwikkelingsactiviteiten worden constant uitgebreid.

Het gaat dus niet alleen om het verhogen van het aantal kWh van een accupakket?

De energiecapaciteit is natuurlijk belangrijk. Maar er is meer: veiligheid is voor ons een zeer doorslaggevende factor. Materiële veranderingen zouden het mogelijk kunnen maken om een hogere capaciteit te verkrijgen, maar dan wel met compromissen op het gebied van veiligheid. Voor ons is dit zeker niet aan de orde. Een Mercedes-Benz moet de maatstaf zijn op het gebied van veiligheid en dat geldt ook voor het accupakket. Eén van onze uitgangspunten bij de ontwikkeling is ook flexibiliteit: bij Daimler zijn er veel gebruikstoepassingen voor accupakketten, van de smart tot Mercedes-Benz auto's en bestelwagens – tot bussen en zware vrachtwagens – en tot slot van 48-volt mild hybrids tot plug-in hybrids en volledig elektrische auto's. En natuurlijk moeten de oplossingen die we bedenken duurzaam zijn.

Hoe belangrijk is duurzaamheid bij de ontwikkeling?

Duurzaamheid is het overkoepelende principe geworden voor elke ontwikkelingsactiviteit bij Daimler. Aangezien de productie van voertuigen uiteraard een grote hoeveelheid grondstoffen vereist, is een van onze ontwikkelingsspeerpunten het minimaliseren van de behoefte aan natuurlijke hulpbronnen, maar ook het verhogen van de transparantie. Tijdens de ontwikkeling maken we voor elk voertuigmodel een concept waarin alle componenten en materialen worden geanalyseerd op hun geschiktheid in de context van een circulaire economie. Wat accu's betreft, wordt dit concept al gebruikt voor fundamenteel onderzoek waarbij kostbare materialen kunnen worden vervangen, geminimaliseerd of efficiënter worden gebruikt. Bovendien wordt al vanaf het begin rekening gehouden met de geschiktheid voor recycling. De productie van accu's wordt dus onderdeel van een totaalaanpak – een gesloten kringloop, oftewel een circulaire economie.

Wat is de impact van elektrische voertuigen op het milieu? De productie van elektroauto's is aantoonbaar vervuilender dan de productie van auto's met verbrandingsmotor.

De productie van de verbrandingsmotor is de afgelopen 133 jaar gestaag verbeterd. Momenteel wordt de productie van accu's en brandstofcellen juist gekenmerkt door meer uitstoot door een hogere energiebehoefte. Wat de werking betreft, zijn ze echter allebei veel efficiënter. En dat betaalt zich uit op de lange termijn. Zelfs als ze niet worden opgeladen met behulp van CO₂-neutrale elektriciteit, genereren elektroauto's tijdens hun levensduur ongeveer 40 procent minder uitstoot dan voertuigen met een benzinemotor, en 30 procent minder dan voertuigen met een dieselmotor. En in deze berekening wordt dan nog geen rekening gehouden met de doelstellingen die we voor 2039 hebben gesteld met betrekking tot de CO₂-reductie op productiegebied en het recyclen van grondstoffen die in de toekomst in de productiecyclus zullen worden toegepast. Beide aspecten zullen zorgen voor meer duurzaamheid van onze voertuigen daarmee bijdragen aan onze “Ambition2039”. Vandaag de dag zijn onze voertuigen al voor 95 procent recyclebaar.

Hoelang duurt het nog voordat er een markt voor secundaire grondstoffen komt?

Over acht tot tien jaar zal er een aanzienlijk aantal voertuigaccu's beschikbaar zijn voor recycling. Daarbij zullen met name kobalt, nikkel, koper en later ook silicium worden gerecycled. We zijn al zeer goed voorbereid en de processen zijn in gang gezet, evenals de mogelijkheden om secundaire grondstoffen terug te brengen in de productiecyclus. Dat doen we momenteel met onze testaccus. De totstandkoming van een goed functionerende Europese markt voor secundaire grondstoffen is van groot politiek belang, omdat Europa nauwelijks over primaire bronnen beschikt. Maar we doen natuurlijk alles wat we kunnen om ervoor te zorgen dat accu's zo lang mogelijk meegaan.

Welke materialen worden in de accu gebruikt?

Bij de lithium-iontechnologie is de celstructuur altijd hetzelfde, of het nu gaat om een mobiele telefoon of een EV-accu. Er zijn altijd twee metalen platen, zoals koper en aluminium. Tussen de metalen platen zitten de twee polen met de kathode en de anode, waartussen de elektrische reactie plaatsvindt. Voor de reactie is een reactief metaal zoals lithium nodig. De grootste kostenpost heeft betrekking op de samenstelling van de kathode, dat wil zeggen de positieve pool van de accu. Deze bestaat uit een mengsel van nikkel, mangaan en kobalt. De anode is gemaakt van grafietpoeder, lithium, elektrolyten en een separator.

En wat is de rol van het eerdergenoemde silicium?

Silicium gaat in de toekomst het grafietpoeder grotendeels vervangen. Hierdoor zal het mogelijk worden om de energiedichtheid van accu's te verhogen naar ongeveer 20 tot 25 procent. Met behulp van silicium kunnen we materialen aan de kathodezijde gebruiken die niet compatibel zijn met grafiet. Steltu zich twee glazen voor. Als u water van het ene glas in het andere wilt gieten, moet het tweede glas minstens even groot zijn, zodat het niet overloopt. Op dezelfde manier zouden de anode en de kathode in harmonie moeten zijn, wat we 'balanceren' noemen. Silicium wordt echter ook gebruikt om de laadsnelheid te verbeteren.

Kobalt wordt vaak in verband gebracht met mensenrechtenschendingen en milieuschade als gevolg van de winning ervan, met name wanneer het afkomstig is uit de Democratische Republiek Congo. Wat doet Daimler hieraan?

We hebben een aanpak ontwikkeld die erop is gericht om onze leveranciers te laten voldoen aan onze eisen op het gebied van duurzaamheid en ze daarbij te laten streven naar meer transparantie in de toeleveringsketen. Daartoe hebben we een auditbedrijf ingeschakeld om elke fase van de kobalt-leveringsketen in overeenstemming met de OESO-normen in kaart te brengen en te controleren. Elektromobiliteit is immers pas echt duurzaam als de grondstoffen op een duurzame manier worden gewonnen.

Een andere strategie is het vervangen van kobalt door andere, minder omstreden materialen ...

Daar doen we onderzoek naar. Bij de huidige generatie accucellen hebben we het aandeel kobalt in de actieve materialen (nikkel, mangaan, kobalt, lithium) al kunnen terugbrengen van ongeveer een derde naar minder dan 20 procent. In het laboratorium werken we momenteel met minder dan 10 procent en het aandeel zal in de toekomst nog verder dalen. Vanuit chemisch oogpunt zijn er veel argumenten te bedenken om volledig af te zien van kobalt. Hoe meer de mix van materialen wordt gereduceerd, hoe gemakkelijker en efficiënter deze kan worden gerecycled. De energie die nodig is voor de chemische productie wordt ook verminderd omdat het mengsel gemakkelijker te produceren is.

Welke materialen zullen kobalt en andere materialen zoals lithium gaan vervangen?

Daarbij moet u denken aan materialen die voornamelijk gebaseerd zijn op mangaan – een grondstof die vanuit ecologisch oogpunt minder belastend is en gemakkelijker te verwerken. Er zijn al uitstekende recyclingvoorzieningen voor mangaan omdat het al tientallen jaren wordt gebruikt in alkalinebatterijen (niet-oplaadbare batterijen). De onderzoekers hebben als taak om dit soort batterijen oplaadbaar te maken. We verwachten dat de technologie in de tweede helft van dit decennium productierijp zal zijn. Een ander alternatief is de lithium-zwavelaccu. Zwavel is een industrieel afvalproduct dat erg goedkoop en zeer zuiver is en dat gemakkelijk kan worden gerecycled. Het brengt aanzienlijke uitdagingen met zich mee met betrekking tot de energiedichtheid, maar heeft ook een onovertroffen ecobalans. Het kan echter nog jaren duren voordat deze technologie beschikbaar is voor personenauto's.

Lithium is ook enigszins omstreden. Kan deze grondstof ook worden vervangen?

Dat is zeker mogelijk. De magnesium-zwavelaccu bevat bijvoorbeeld geen lithium. Wij kennen magnesium in ons dagelijks leven in de vorm van krijt. Het grote voordeel is dat het vrij verkrijgbaar is. Het Schwäbische Alb-gebergte bestaat bijvoorbeeld volledig uit krijt. Ons onderzoek bevindt zich momenteel echter nog in de laboratoriumfase.

Er zijn op dit moment dus geen alternatieven voor de lithium-ion-accu?

Die zijn er wel, in sommige toepassingen. Er zijn zelfs technologieën die veel beter zijn dan de lithium-ion-accu. Neem de solid-state-accu, die we in de tweede helft van dit decennium in onze stadsbus Mercedes-Benz eCitaro zullen gebruiken. De technologie heeft een zeer lange levensduur en bevat ook geen kobalt, nikkel of mangaan. De technologie heeft een zeer lange levensduur en bevat ook geen kobalt, nikkel of mangaan. De energiedichtheid is echter lager, waardoor de accu relatief groot is en opladen veel tijd vergt. Daarom is het een goede technologie voor bedrijfswagens, maar niet voor personenauto's. De lithium-ion-accu zal zodoende nog jarenlang worden gebruikt.

Wat zal de volgende 'heilige graal' zijn? Zijn solid-state-accu's de toekomst?

Er is niet één technologie die lithium-ion gaat vervangen. Of het nu gaat om cellen met solid-state-elektrolyten, lithium-metaalanoden of lithium-zwavelsystemen – alle technologieën verschillen qua specifieke materiaalvereisten, toepassingen en niet in de laatste plaats qua doorontwikkeling. Elke technologie heeft zijn specifieke voor- en nadelen. Het goede nieuws is dat er meerdere manieren zijn die kunnen voorkomen dat de ontwikkeling op een dood spoor belandt. Ze zijn niet vanaf morgen beschikbaar – het zal echter ook niet lang meer duren – maar er komen accu's waarbij de grafietcoating van de anode kan worden vervangen door nieuwe materialen zoals lithium-metaalfolie of siliciumpoeder. Beide zorgen voor een veel hogere energiedichtheid. Dit zorgt voor een grotere actieradius en maakt zelfs sneller opladen mogelijk. Alle solid-state accu's bieden grote voordelen op het gebied van veiligheid, maar we werken nog steeds aan de mogelijkheid tot snelladen en het realiseren van een langere levensduur. Pas dan kunnen we zeggen "dit is de technologie waar we nu voor moeten kiezen" wat betreft onze personenauto's.

En wat gebeurt er op de langere termijn?

Lithium-zwavel is een mogelijk alternatief. Het vervangen van nikkel en kobalt in de huidige accu's door zwavel zou de duurzaamheid aanzienlijk verhogen. Op het gebied van energiedichtheid is er ook veel potentie, maar de levensduur is nog niet toereikend en het zal nog even duren voordat er een doorbraak plaatsvindt op dit vlak. In lithium-luchtaccu's zit eigenlijk alleen maar lithium. De rest – de zuurstof – komt gewoon uit de lucht. Chemisch gezien is het een concept dat lijkt op een brandstofcel waarin we waterstof gebruiken. De energiedichtheid zou subliem zijn – maar het zal nog wel even duren voordat deze technologie productierijp is.

Bij het concept car VISION AVTR bent u nog een stap verder gegaan, veel verder richting de toekomst. Is organische accutechnologie echt een optie?

Met de VISION AVTR presenteert Mercedes-Benz een duurzame visie op emissievrije mobiliteit, ook als het gaat om aandrijftechnologie. Voor het eerst bestaat de revolutionaire accutechnologie uit organische celchemie op basis van grafeen en maakt deze dus geen gebruik van zeldzame, giftige of dure materialen zoals metalen. Dit maakt e-mobiliteit onafhankelijk van fossiele grondstoffen. Een absolute revolutie is de 100 procent geschiktheid voor recycling door middel van compostering –  een uitstekend voorbeeld van een toekomstige circulaire economie in de grondstoffensector. Naast een exponentieel hoge energiedichtheid overtuigt de technologie ook door haar uitzonderlijke snelle oplaadcapaciteit. We doen momenteel onderzoek naar organische accu's. Het zal nog enkele jaren duren voordat het zal worden toegepast in de modellen van Mercedes-Benz – maar de potentie is er!

Prof. dr. dr. med. Andreas Hintennach

Senior Manager Battery Research bij Mercedes-Benz AG

Andreas Hintennach is chemicus en arts. Hij promoveerde in 2010 in de elektrochemie aan de ETH Zürich en het Paul Scherrer Instituut (beide gevestigd in Zwitserland), in 2010 promoveerde hij in de geneeskunde aan de Universiteit van Bern (Zwitserland) en de Ludwig Maximilians-Universiteit München (LMU) en in 2014 promoveerde hij in de economie en bedrijfskunde aan de Universiteit van St. Gallen (HSG) en de Universiteit van Zürich (beide in Zwitserland). Na een postdoc-periode bij het Massachusetts Institute of Technology in 2010-2011, waar hij zich bezighield met lithium-lucht en katalyse, ging hij aan de slag op de onderzoeksafdeling van Mercedes-Benz AG, waar hij tegenwoordig werkzaam is als senior manager en waar hij de leiding heeft over de afdelingen accu-onderzoek en technologie. In 2013 werd hij aangesteld als assistent-professor en in 2014 als hoogleraar in de geneeskunde. Zijn huidige focus op het gebied van elektrochemie ligt op het onderzoek naar de volgende generatie materialen en systemen voor de opslag en omzetting van elektrische energie (accu's en brandstofcellen), duurzaamheid en toxicologie, evenals computationeel onderzoek waarbij de nadruk ligt op nieuwe datagestuurde benaderingen, zoals kwantumcomputing en blockchain-technologie.