Doorbraak in accutechnologie: 600 Wh/kg energiedichtheid een stap dichterbij

Het heilige credo van motorsportlegende Colin Chapman – “Simplify, then add lightness” (vereenvoudig, voeg dan lichtheid toe) – staat onder druk in het elektrische tijdperk. De enorme massa van moderne elektrische voertuigen met hoge spanning, vooral in scherpe bochten, legt een enorme druk op de banden en het onderstel. Hoewel we opmerkelijke machines hebben gebouwd met een verbluffend koppel, blijft het een open geheim dat elke elektrische auto een massieve, soms wel een halve ton wegende, chemisch dode ballast meesleept.

De boosdoener is de conventionele lithium-ionchemie. Accucellen die afhankelijk zijn van grafietanodes schuren al tegen hun theoretische plafond van ongeveer 350 Wh/kg aan. Om een serieuze actieradius voor lange afstanden te realiseren met zo’n energiedichtheid, hadden autofabrikanten geen andere keuze dan rijdende slagschepen te bouwen.

Neem de Porsche (Porsche) Taycan GTS (Taycan GTS) – een absolute meester in onderstelkwaliteiten, maar hij weegt leeg 2.360 kg. De Tesla (Tesla) Model S Plaid (Model S Plaid) brengt 2.178 kg op de weegschaal, en de imposante Lotus (Lotus) Emeya (Emeya) drukt 2.650 kg op de weg. Zelfs met slimme luchtveren en vierwielsturing die overuren maken, zijn natuurkundige wetten niet voorgoed te omzeilen.

De uitdaging van accugewicht

Gelukkig gloort er mogelijk een oplossing aan de horizon. Een gezamenlijk onderzoeksteam van het Tianmushan Laboratory en de Tsinghua University publiceerde een baanbrekend, door vakgenoten beoordeeld artikel in Nature Communications. De onderzoekers hebben een lithium-metaal zakcel met hoge stabiliteit ontwikkeld die de magische drempel doorbreekt en 602,5 Wh/kg bereikt. Dit is geen bescheiden, fractionele verbetering door aanpassingen aan de verpakking, maar ongeveer het dubbele van de energiedichtheid die vandaag de dag in de meeste elektrische auto’s te vinden is.

Het vervangen van de conventionele grafietanode door puur lithiummetaal is al lange tijd de heilige graal van elektrochemische dromen. In theorie levert het verwijderen van de zware koolstofhost een enorme energieboost op. In de praktijk is het echter een nachtmerrie. Wanneer hoge spanningen door een lithium-metaalcel worden gestuurd, begint de vloeibare elektrolyt te ontbinden in een instabiele smurrie, waarbij microscopische, naaldachtige uitlopers, lithiumdendrieten genaamd, uit de anode ontstaan. Deze kristallijne uitlopers doorboren uiteindelijk de separator, veroorzaken kortsluiting in de cel en leiden tot thermische oververhitting, waardoor de dure elektrische auto in vlammen opgaat.

Stabiliteitsproblemen opgelost

De doorbraak van Tsinghua en Tianmushan lost deze instabiliteit op moleculair niveau op. In plaats van de chemie de vrije loop te laten, ontwierp het team een elektrolytadditief dat een “additief-sterke coördinatie-solvatatiestructuur” creëert. Ontdaan van het technische jargon, werkt het additief als een paar microscopische bewakers.

Aan de kathodezijde creëert het een dichte, ultradunne beschermende film die het materiaal beschermt tegen degradatie door hoge spanningen. Tegelijkertijd vormt het aan de lithium-metaalanode een sterke vastestof-elektrolytlaag die de groei van dendrieten onderdrukt nog voordat deze begint, de overdracht van lithiumionen versnelt en veiligheidsproblemen oplost.

Testresultaten en toepassingen

De testresultaten zijn veelbelovend. Met een 10Ah zakcelconfiguratie en een ternaire kathode met hoog nikkelgehalte, produceerde de cel 550,7 Wh/kg en behield 80% van zijn oorspronkelijke capaciteit na 180 cycli. Toen de onderzoekers hun elektrolyttechnologie combineerden met een lithiumrijke mangaan-gebaseerde kathode, sprong de energiedichtheid naar de opzienbarende 602,5 Wh/kg – een efficiëntiesprong van meer dan 50% ten opzichte van gangbare accucellen.

Toch is het opmerkelijk wie dit onderzoek financierde en aanstuurde: het Tianmushan Laboratory, een instelling die volledig gericht is op luchtvaart en de “lage-hoogte economie”. Voor al ons geklaag over zware sedans op bochtige wegen, ligt de werkelijke noodzaak voor energiedichtheid bij de elektrische luchtvaart. Elektrische vliegtuigen met verticale start en landing (eVTOL) en commerciële drones voor lange afstanden kunnen de natuurkunde niet omzeilen met stijvere stabilisatorstangen. Wanneer een vliegtuig zijn accupakket uitput, kan het niet uitrollen naar een tankstation; het valt simpelweg uit de lucht. Een accu van 600 kg meenemen om twee passagiers te vervoeren, is een commercieel doodlopende weg voor luchtmobiliteit.

We hebben al gezien hoe CATL (CATL) zich op dit gebied begeeft met gecondenseerde materie-accu’s die tot 350 Wh/kg leveren voor luchtvaarttoepassingen, hoewel de productiekosten astronomisch zijn. CATL heeft theorieën geopperd over lithium-luchtchemie die 12.000 Wh/kg zou kunnen bereiken – een cijfer dat op papier overeenkomt met benzine – maar dat is verre toekomstmuziek. In de praktijk is 600 Wh/kg de basislijn waarop elektrisch vliegen geen trucje meer is, maar een levensvatbare transportmodus wordt.

De realiteit en de toekomst

Voordat we ons lichtgewicht, puur elektrische sportwagens voor op het circuit voorstellen die volgend jaar in de showrooms staan, is een flinke dosis realisme op zijn plaats. Het doorstaan van 180 laadcycli met 80% capaciteitsbehoud in een gecontroleerde laboratorium zakcel is een grote wetenschappelijke mijlpaal, maar het komt bij lange na niet tegemoet aan de eisen van wegtransport.

Autofabrikanten eisen accupakketten die veilig duizend tot vijftienhonderd intensieve snellaadcycli zonder problemen doorstaan. De chemie moet kuilen, thermische schokken en jarenlange verwaarlozing overleven. Het opschalen van gefluorideerde elektrolytadditieven van laboratoriumschaal naar miljoenen accucellen voor auto’s is een industrieel probleem dat nog niet is opgelost.

Maar als deze lithium-metaalarchitectuur op een dag de weg vindt van het laboratorium naar massaproductie, zijn de implicaties voor auto’s veelbelovend. Stel je voor dat het accugewicht van een 100 kWh-pakket drastisch wordt verminderd, van ongeveer 650 kg naar minder dan 200 kg. We zouden terugkeren naar lichtgewicht sportwagens – een Xiaomi (Xiaomi) SU7 Ultra (SU7 Ultra) met 1.500 pk die 400 kg lichter is?

Plotseling zou een elektrische sportwagen weer compact kunnen zijn, en werkelijk communicatief via het onderstel, waardoor zijn elektrische vermogen volledig kan worden benut zonder dat de remblokken na drie snelle ronden verpulverd zijn. Wellicht zien we dan eindelijk elektrische auto’s die geen viercijferige pk-waarden nodig hebben om hun eigen overgewicht te maskeren.