Hoe ziet de toekomst van de thuisbatterij eruit?

Er is steeds meer aandacht voor de recyclebaarheid van batterijen. Begrijpelijk, want als je oppervlakkig kijkt naar de grondstoffen die in batterijen gebruikt worden en het productieproces van een batterij, kun je gemakkelijk tot de conclusie komen dat batterijen niet bepaald duurzaam of milieuvriendelijk zijn. Dat komt doordat een batterij kritieke en schaarse grondstoffen bevat, zoals kobalt, lithium of mangaan. De winning en productie van deze materialen heeft soms grote sociale en milieugevolgen in de productielanden. 

Hierbij moet je niet vergeten dat batterijen ons helpen minder afhankelijk te worden van fossiele brandstoffen. Batterijen worden steeds duurzamer: er wordt vaker gekozen voor direct beschikbare en niet-kritieke grondstoffen zoals bijv. natrium i.p.v lithium. De winning van kritieke materialen wordt ook steeds milieuvriendelijker, naarmate er lering wordt getrokken uit fouten.  

Om een concreet voorbeeld te noemen: vroeger werd de pekel (die het lithium bevatte) naar de oppervlakte gepompt en opgeslagen in enorme bassins totdat het water verdampte. Hierdoor zakte het waterpeil. Nu wordt het lithium rechtstreeks uit de pekel gehaald en wordt de pekel terug in de grond gepompt. 

Verder kan meer dan 96% van de in een batterijmodule gebruikte materialen worden gerecycled aan het einde van de levensduur van de batterij.  

Tot nu toe werden lithiumbatterijen na hun levensduur meestal verbrand en vervolgens vermalen om sommige grondstoffen (zoals kobalt, nikkel en koper) terug te winnen.  

Tegenwoordig is er een nieuw recycle-proces. Dit proces ziet er als volgt uit: 

1. De batterijmodule wordt vermalen
2. Gemengde grondstoffen worden via verschillende complexe sorteerprocessen van elkaar gescheiden 

Dit proces is klaar voor de markt en geschikt om op industriële schaal toe te passen. Dit gebeurt binnen verschillende bedrijven al. Zo is er een Duitse autofabrikant die een fabriek wil bouwen waarin 2.500 ton batterijmodules volgens dit proces kunnen worden gerecycled. En dat zou nog maar het begin zijn! 

Volgens de EU-batterijverordening moet tegen 2030 minstens 70% van de volledige batterijmodule gerecycled kunnen worden. Met meer dan 96% zijn we dus goed op weg. 

Dan de batterijcel, een ander onderwerp waar we veel vragen over krijgen. Batterijcellen spelen een centrale rol bij zowel de opslag als de afgifte van energie en worden hoofdzakelijk gebouwd volgens een van deze ontwerpen: 

• Cilindrische cellen (klassieke ronde cellen)
• Prismatische cellen
• ‘Pouch’ cellen (vaak lithium-polymeer, veel gebruikt in telefoons, laptops en tablets) 

Elk type heeft zijn voor- en nadelen.  

Zo is in cilindrische cellen een hoog volume metrische energiedichtheid op cel- en moduleniveau mogelijk, maar een accu-pakket wordt door hun ronde vorm zeer inefficiënt gevuld.

Prismatische batterijcellen maken wel goed gebruik van de ruimte en zijn zeer robuust, maar hebben weer een lage energiedichtheid per volume.

‘Pouch’ cellen, tot slot, evenaren de energiedichtheid van cilindrische cellen, het ruimtegebruik is efficiënt, maar door de zeer flexibele structuur kunnen ze onder druk opblazen. 

Momenteel is de opslag van elektrische energie in stationaire en mobiele systemen voornamelijk via lithium-ion (Li-ion) houdende energiedragers. Deze lithium-ion (Li-ion) batterijsystemen hebben de volgende voordelen ten opzichte van conventionele batterijen:

• Hoge energiedichtheid (kWh/kg) en (kWh/L)
• Vermogensdichtheid (kW/kg) en (kW/L)
• Makkelijk schaalbaar
• Weinig onderhoud

De 'revolutionaire' lithium-ion batterij biedt veel meer energie, vermogen en hoge prestaties per gewicht/volume dan tot dan toe mogelijk was met conventionele batterijen zoals lood-zuur accu’s. Vanwege deze hoge energie- en vermogensdichtheid is veiligheidsrisicobeheersing cruciaal voor lithium-ion batterijen. Om de veiligheid van Li-ion-batterijen te verhogen en enorme schade/risico's te verkleinen worden o.a. de volgende elementen geïnstalleerd op pak- of celniveau:

• PTC-element (positieve temperatuurcoëfficiënt): verbreekt het elektrische contact met de cel wanneer cel te snel opwarmt en kan voorkomen dat deze cel verder oververhit raakt.
• CID-element (Current Interrupt Device): bij overdruk (gasvorming) onderbreekt dit element het elektrische contact in de cel.

Bovenstaande veiligheidselementen communiceren met diverse sensoren op cel- of pak niveau. Denk hierbij aan sensoren voor: spanning, stroom, temperatuur, druk etc. Al deze sensoren staan op hun beurt in contact met PTC- en CID-elementen via het BMS (Batterij Management Systeem) die de veiligheid van het batterijsysteem monitort en bewaakt. Het BMS zorgt dat de batterij tijdig afschakelt bij interne calamiteiten zoals enorme temperatuuropdrijving of afwijkende spanningen.

Hieronder lichten we enkele typen lithium-ion batterijen uit. Het zijn allemaal vormen van lithium- ion batterijen maar hun anode- en kathode (de - en +) heeft een verschillende chemische samenstelling. Hierdoor is er een behoorlijk verschil in de elektrochemische eigenschappen maar ook de productieprijs en milieu impact binnen de lithium-ion batterijfamilie.

Het type lithium-nikkel-kobalt-aluminium-oxide-batterij (NCA) is bekend sinds eind jaren negentig. NCA-batterijen worden gebruikt in elektrische voertuigen (EV's) en draagbare elektronica. NCA-batterijen hebben één van de hoogste energiedichtheden wat betekent dat ze veel energie kunnen opslaan per volume-eenheid en gewicht. Cruciaal waar compactheid en gewicht belangrijk is: elektrische auto's en draagbare elektronica in het speciaal. Met gemiddelde cyclusprestaties (het aantal keren dat de batterij kan worden opgeladen en ontladen voordat hij verslechtert) zijn NCA-batterijen relatief duurzaam ten opzichte van conventionele (niet-lithium) batterijen.
 
NCA-batterijen kunnen bijzonder snel laden en ontladen maar hebben serieuze kans op thermische problemen met als gevolg zelfontbranding (thermal runaway). Bij hoge temperaturen of beschadiging is dit risico aanzienlijk. Zodra een NCA-cel 180°C bereikt zal deze zelfontbranding ondergaan. Wanneer diezelfde NCA-batterij eerder al eens te veel opgeladen is, kan er zelfs al bij 65°C zelfontbranding ontstaan. Hiermee zijn NCA-batterijen minder stabiel ten opzichte van andere lithium-ion typen zoals NMC en zeker vergeleken het stabielere LFP. Toepassing van NCA-batterijcellen in elektrische auto’s vereisen altijd additionele controlemechanismen: aanvullende veiligheid en meer risicobeheersing. De productie van NCA-batterijen blijft duur ondanks dat er steeds minder kobalt wordt gebruikt, deels vanwege de aanvullende veiligheidsmaatregelen. NCA wordt niet (meer) op grote schaal gebruikt in de auto-industrie behalve in premium modellen waar range (kWh) en performance (kW/kg) zwaarder wegen dan de kost- of verkoopprijs.

Lithium-nikkel-mangaan-kobalt-oxide (NMC) batterijcellen kunnen worden geproduceerd met verschillende eigenschappen omdat men de verhouding nikkel, mangaan en kobalt kan variëren. Minder kobalt betekent bijvoorbeeld lagere kosten, meer nikkel verhoogt de energiedichtheid. Een hoger aandeel mangaan verhoogt het specifieke vermogen. Zulke flexibiliteit is een groot voordeel van NMC-batterijcellen. De NMC-technologie is daardoor een populaire keuze bij elektrische voertuigen, draagbare elektronica en ook stationaire energieopslag vanwege deze 'te modificeren’ elektrochemische eigenschappen.
 
De energiedichtheid van NMC is behoorlijk lager dan NCA, dit feit geldt zeker op celniveau. Wel wordt het verschil op accu-pakketniveau behoorlijk kleiner vanwege alle extra componenten zoals bedrading, koeling en het BMS wat bij NCA zeer goed moet werken. Onder de streep hebben NMC-batterijen een aanvaardbaar hoge energiedichtheid waarmee zij zeker geschikt blijven voor EV’s en mobiele toepassingen. Het is zo dat het lagere kobaltgehalte NMC-batterijen vaak goedkoper maakt dan NCA-batterijen. Wel blijft de NMC-batterij aanzienlijk duurder dan zijn LFP-variant per kWh. Op vergelijkbare wijze als NCA-cellen kunnen NMC-cellen thermisch instabiel worden maar pas bij wat extremere temperaturen en/of mechanische beschadigingen.

Lithium-ijzer-fosfaatbatterijcellen (LFP) hebben een hogere veiligheid en lagere kostprijs per kWh capaciteit dan NCA- en NMC-varianten. Dit kostprijsverschil bestaat omdat de grondstoffen voor LFP veel beter beschikbaar zijn, er is minder afhankelijkheid van schaarse materialen. Daarnaast zijn LFP-batterijen thermisch stabieler dus minder vatbaar voor oververhitting of brand. LFP is één van de veiligste lithium-ion batterijtypes. De LFP-batterijen staan bekend om stabiliteit en worden o.a. gebruikt in elektrische bussen en stationaire energieopslagsystemen waarbij levensduur een grotere rol speelt dan massa of volume. Bij stationaire elektriciteit opslag ziet men LFP steeds vaker toegepast: zowel bij residentiele batterijen maar op commerciële/industriële schaal nog vaker.
 
De nadelen van LFP zijn hoofdzakelijk de lagere energiedichtheid en vermogensdichtheid in vergelijking met de NCA- en NMC-batterijcellen. Dit betekent dat LFP-batterijen groter en vooral zwaarder moeten zijn om dezelfde hoeveelheid energie op te slaan of hetzelfde piekvermogen te leveren. De lagere energie en vermogensdichtheid maakt LFP-cellen minder geschikt voor toepassingen waar ruimte en gewicht cruciaal zijn: bij personenauto’s of draagbare applicaties. De LFP-chemie heeft een uitstekende levensduur, langer dan NCA of NMC-batterijen. LFP presteert goed bij hogere temperaturen en is minder vatbaar voor degradatie bij warmte. De kostprijs per kWh wordt hiermee effectief lager: omdat LFP door de verminderde degradatie daardoor meer cycli aankan dan de NCA- of NMC-gebaseerde batterijen.
 
Samengevat: LFP-cellen zijn betrouwbaar voor langdurige energielevering maar wel minder geschikt voor piektoepassingen zoals ultrasnel laden in een premium elektrisch voertuig waarbij gewicht een rol speelt. Ook wanneer temperaturen nabij het vriespunt liggen, wordt het lastiger LFP toe te passen: de batterijcellen laden dan vrijwel nauwelijks op.
 
Voor stationaire opslag is volume of gewicht vaak geen direct probleem: de typisch sterk verminderde oplaadvermogens rond het vriespunt zijn op te lossen met verwarmingselementen. Zodoende kan LFP zonder problemen wel veel vermogen verwerken ook bij buitentemperaturen rond of onder het vriespunt. Voor mobiele applicaties betekent een verwarmingselement uiteraard nóg meer gewicht voor het al relatief zware LFP. Een verwarmingselement verbruikt natuurlijk zelf ook energie waarvoor een deel van de accucapaciteit wordt aangesproken. Voor EV's zie je dat dit de actieradius negatief beïnvloed. De Tesla model 3 standard range (LFP) en model 3 performance (NCA) is hier het beste voorbeeld van.

De keuze voor een bepaald type lithium-ion batterij hangt sterk af van de toepassing en vereisten: gewicht, volume, kosten, veiligheid en levensduur. Waarschijnlijk zal het aandeel NMC-batterijen voor stationaire batterijen de komende jaren nog veel sneller gaan afnemen, terwijl het aantal LFP-batterijen voor energieopslag zal toenemen. Dit effect is zowel kostprijs gedreven als veiligheid gedreven en is al duidelijk zichtbaar in de residentiële batterijen. Voor de C&I batterijsystemen in Nederland geldt dat haast niemand nog NMC-technologie toepast. Dat heeft naast prijs per kWh-capaciteit ook te maken met de PGS37-1 normen die gelden voor batterijen groter dan 20kWh in Nederland.

De toekomst van de batterijmarkt ziet er gunstig uit voor de residentiele sector. Ondanks de afhankelijkheid van de ontwikkelingen over de afschaffing van de salderingsregeling, blijft het potentieel van thuisbatterijen toenemen. De thuisbatterij wordt financieel steeds aantrekkelijker. Dit komt ten dele omdat de kostprijs per kWh jaar op jaar daalt en omdat het salderen nu al wordt uitgehold door terugleverheffingen (bron).

Zodra de salderingsregeling verdwijnt, is het lonend om overtollige zonnestroom op te slaan voor eigen verbruik in de nacht en de ochtend erna. Immers voor stroom die huishoudens naar het net toe sturen, krijgen de huishoudens zonder salderen alleen de kale kWh-prijs. Die vergoeding is enkele centen in het beste geval. Het verschil ten opzichte van de kWh-prijs voor stroom uit het net (€0,30 of hoger) is dan dus dermate groot dat een thuisaccu financieel lonend wordt voor vrijwel elk residentieel PV-systeem. Afhankelijk van de PV-installatie, het jaarlijks verbruik en de accucapaciteit kan men veel meer zelfvoorzienend zijn achter de meter: test het zelf met de Memodo Onafhankelijkheidscalculator!

Bovendien is de verwachting dat we structureel vaker met negatieve stroomprijzen te maken krijgen. Dit betekent dat consumenten met een dynamisch contract (deze groep groeit in rap tempo) moeten gaan betalen voor de stroom die ze terug leveren en netto-betaald (kunnen) krijgen voor de stroom die ze afnemen. Dat netto verdienen gebeurt wanneer de prijs zover negatief wordt dat zelfs mét energiebelasting (€0,132 per kWh in 2024) de kWh-prijs dat uur negatief is.

Op die momenten kan de consument er ook voor kiezen om de batterij te laden met goedkope stroom uit het net en deze op een later moment zelf te verbruiken of te gaan verhandelen op de energiemarkt. Daarvoor hoef je niet per se zelf zonnepanelen te hebben: een batterij en batterij-omvormer in combinatie met een prijs gestuurd EMS is voldoende.

Om aan de toenemende vraag te voldoen, wordt onderzoek gedaan naar goedkopere, veiligere en duurzame alternatieven voor Li-ion-batterijen.

Hieronder vind je een kort overzicht van de projecten die momenteel lopen.

Het Duitse Fraunhofer Instituut voor Keramische Technologieën en Systemen IKTS heeft een joint venture opgericht. Deze ‘solid-state’ technologie draagt de merknaam Cerenergy. Geclaimd wordt dat deze technologie veilig, niet-brandbaar en zonder explosiegevaar is. Deze nieuwe technologie is lithiumvrij, kobaltvrij, grafietvrij en kopervrij. Op deze manier kunnen schaarse grondstoffen worden gespaard wat beter is voor het milieu. Volgens onderzoekers liggen de productiekosten ongeveer 40% lager dan die van Li-ion-batterijen. De belangrijkste componenten van de Cerenergy-batterij is feitelijk keukenzout. De nieuw ontwikkelde Cerenergy ACB60-batterijen zouden een langere levensduur hebben en opgeslagen energie langer kunnen leveren. De energiedichtheid die wordt vermeld op de datasheet is 60kWh bij 800kg met 1,28m³. Een commerciële accu gebaseerd op LFP van 60kWh te koop bij Memodo weegt 1030kg en neemt 2.5m³ in aan volume. Cerenergy claimt een levensduur van 15 jaar, echter garanderen zij wel maar 5 jaar of 5000 cycli. Hiermee lijkt Cerenergy nog niet op het niveau van commercieel te verkrijgen LFP-oplossingen.

De Chinese fabrikant Contemporary Amperex Technology (CATL) heeft in april 2023 een nieuwe Na-ion-batterij geïntroduceerd. Eerst moeten Na-ion-accu's loodzuuraccu's in verbrandingsauto's vervangen, maar op (middel)lange termijn zullen ze ook in elektrische auto's worden gebruikt. Deze batterijtechnologie maakt indruk door haar zeer snelle laadvermogen wat belangrijk is voor e-auto's. Bovendien is natrium talloze keren minder schaars als lithium, immers onze zeeën zitten vol met natriumchloride (keukenzout). Chemisch is natrium nauw verwant aan zijn lichtere broertje lithium (beiden alkalimetalen), waardoor ze elektrochemisch hetzelfde gedrag vertonen. Er is wel een kanttekening: natrium is 3,3x zwaarder als lithium en lijkt minder geschikt voor mobiele applicaties. CATL ontwikkelde een combinatie van Li-ion- en Na-ion-cellen om zo een acceptabelere energiedichtheid te creëren (bron).

Een laatste technologie die we in deze blogpost willen uitlichten is de aluminium-zwavelbatterijtechnologie. Deze is ontwikkeld door een internationaal team van onderzoekers van het Massachusetts Institute of Technology (MIT) in de VS. In aluminiumzwavelbatterij wordt naast aluminium en zwavel chlooraluminaatzout gebruikt om energie op te slaan. Dit functioneert als isolatiemateriaal.  

Uit talrijke testproeven is gebleken dat deze batterijtechnologie een hoge laadsnelheid heeft. Bovendien zijn de kosten 1/6 van die van Li-ion-batterijen. Maar het allergrootste voordeel zou zijn: geen brandgevaar. 

Er is een lange weg afgelegd wat betreft de energiedichtheid, performance en duurzaamheid van accusystemen. Wanneer de technieken voor grondstofwinning en recycling worden vergeleken met die van een decennia of zelfs enkele jaren geleden, heeft de industrie veel vooruitgang geboekt.

Op het gebied van celontwerp en celchemie hebben we een zeer hoge veiligheids- en prestatienorm bereikt. Geavanceerde elektronica (BMS) bewaakt de accupakketten op hoger niveau.

In de toekomst hebben we een mix van verschillende batterijtechnologieën nodig, zodat we voor elke toepassing een passende oplossing kunnen bieden.

Deze blogpost is een vertaling van een blogpost die eerder verscheen op memodo.de.