Anodemateriaal: de onderschatte sleutel tot betere batterijen
Een anodemateriaal is de stof waaruit een van de twee elektroden in een oplaadbare batterij is gemaakt. Stel een batterij voor als een parkeergarage voor elektrisch geladen deeltjes: tijdens het opladen rijden lithium-ionen naar binnen en parkeren ze tussen de lagen van het anodemateriaal; tijdens het gebruik rijden ze er weer uit en leveren ze onderweg energie. Hoeveel "parkeerplekken" dat materiaal heeft en hoe snel auto's in en uit kunnen rijden, bepaalt grotendeels hoeveel energie een batterij kan opslaan en hoe snel hij oplaadt.
In de meeste telefoons, laptops en elektrische auto's van nu is die parkeergarage gemaakt van grafiet, een vorm van koolstof die ook in potloodstiften zit. Grafiet is goedkoop en stabiel, maar heeft een beperkt aantal parkeerplekken. Onderzoekers werken daarom aan alternatieven zoals silicium, dat in theorie tien keer zoveel lithium kan opslaan. Het probleem: silicium zwelt daarbij flink op, zoals een spons die water opneemt, en dat kan de batterij na verloop van tijd kapot maken. Die spanning tussen meer capaciteit en langere levensduur is precies waar het hele onderzoeksveld om draait.
Wat is het precies?
Een batterij bestaat kort gezegd uit vier onderdelen: een anode, een kathode, een elektrolyt (de vloeistof of vaste stof waardoorheen ionen bewegen) en een separator die kortsluiting voorkomt. Tijdens het ontladen van de batterij, dus wanneer je telefoon stroom levert, verlaten lithium-ionen de anode en reizen ze door de elektrolyt naar de kathode, terwijl elektronen via de stroomkring naar je apparaat lopen. Bij het opladen gebeurt het omgekeerde: de ionen keren terug naar de anode.
Dit heen-en-weer bewegen en "invoegen" van ionen tussen de atoomlagen van een materiaal heet intercalatie. Grafiet is daar goed in omdat het een gelaagde structuur heeft, een beetje zoals de bladzijden van een boek waar steeds een dun laagje tussen past. De capaciteit van een anodemateriaal wordt uitgedrukt in milliamp-uur per gram (mAh/g): grafiet haalt ongeveer 372 mAh/g, terwijl puur silicium theoretisch boven de 3500 mAh/g kan uitkomen.
Naast grafiet en silicium bestaan er nog andere anodematerialen. Lithiummetaal zelf, zonder drager, biedt de hoogste energiedichtheid maar vormt tijdens het opladen gemakkelijk kleine metalen naaldjes (dendrieten genoemd) die de separator kunnen doorboren en kortsluiting veroorzaken. Hard carbon, een minder geordende vorm van koolstof, wordt gebruikt in natrium-ionbatterijen omdat natrium-ionen niet goed tussen de lagen van gewoon grafiet passen. En lithiumtitanaat (LTO) offert energiedichtheid op in ruil voor extreem snel laden en een zeer lange levensduur.
Wat wil men ermee bereiken?
De belangrijkste drijfveer is meer rijbereik en snellere laadtijden voor elektrische auto's en meer gebruiksduur voor consumentenelektronica, zonder dat de batterij groter of zwaarder wordt. Een anode die meer lithium per gram kan vasthouden, betekent een compactere, lichtere batterij met dezelfde of grotere capaciteit.
Daarnaast speelt veiligheid een rol: dendrietvorming en opzwelling kunnen scheurtjes en kortsluiting veroorzaken, met kans op brand. Betere anodematerialen en bijbehorende coatings moeten dat risico verkleinen. Kostenbesparing is een derde doel; sommige nieuwe materialen zijn duurder om te maken, maar als ze de batterij als geheel compacter maken, kan dat per opgeslagen kilowattuur toch goedkoper uitpakken.
Tot slot is er een geopolitieke en duurzaamheidscomponent. Natrium-ionbatterijen met hard carbon-anodes gebruiken geen lithium of kobalt, grondstoffen waarvan de winning en verwerking geconcentreerd zijn in een beperkt aantal landen en soms gepaard gaan met milieu- of arbeidsproblemen. Alternatieve anodematerialen kunnen dus ook de afhankelijkheid van kwetsbare toeleveringsketens verminderen.
Voorbeelden uit de praktijk
Sila Nanotechnologies opende in 2024 een fabriek in Moses Lake, Washington (VS), voor zijn siliciumhoudende anodemateriaal "Titan Silicon". Het materiaal werd eerder al toegepast in de Whoop-fitnesstracker en het bedrijf werkt aan toepassing in elektrische auto's, onder meer in samenwerking met Mercedes-Benz.
Group14 Technologies bouwde samen met partner Porsche, die rond 2022 fors investeerde, een fabriek voor silicium-koolstofmateriaal (merknaam SCC55), eveneens in Moses Lake. Dit materiaal wordt als drop-in toevoeging aan bestaande grafietanodes gebruikt om de capaciteit te verhogen zonder de productielijnen volledig om te bouwen.
Amprius Technologies maakt anodes van siliciumnanodraden en leverde vanaf 2023 vanuit een fabriek in Colorado batterijen voor hoogwaardige toepassingen zoals drones en verkenningsvliegtuigen, waar gewicht zwaarder weegt dan prijs.
QuantumScape werkt aan een vaste-stofbatterij met een lithiummetaalanode die tijdens het laden pas ontstaat (een "anode-vrij" ontwerp). Vanaf 2023 stuurde het bedrijf testmonsters naar autofabrikanten, waaronder Volkswagens batterijdochter PowerCo, al is grootschalige productie nog niet gerealiseerd.
CATL, de grootste batterijproducent van China, bracht in 2023 een tweede generatie natrium-ionbatterijen onder de naam Naxtra naar de markt, met een hard carbon-anode. Deze batterijen bieden minder energiedichtheid dan lithium-ionversies, maar zijn goedkoper en werken beter in de kou, en worden onder meer getest in goedkopere elektrische stadsauto's.
Hoe ver is de techniek?
Grafiet is en blijft voorlopig de standaard: naar schatting zit het nog in het overgrote deel van alle commerciële lithium-ionbatterijen. De eerste stap richting silicium is al realiteit, maar dan in kleine hoeveelheden: veel fabrikanten mengen enkele procenten silicium door hun grafietanode, wat de capaciteit met tien tot twintig procent verhoogt zonder de levensduur te veel aan te tasten. Tesla meldde bijvoorbeeld voor zijn 4680-cel het gebruik van siliciumhoudend materiaal.
Anodes die vrijwel volledig uit silicium bestaan, zijn technisch veel lastiger. Het zwellen en krimpen bij elke laadcyclus (tot wel driehonderd procent volumeverandering) breekt het materiaal na verloop van tijd af, waardoor de batterij sneller capaciteit verliest. Bedrijven proberen dit op te lossen met nanostructuren, poreuze dragers of beschermende coatings, maar een definitieve, goedkope oplossing is er nog niet.
Lithiummetaalanodes, nodig voor de meest besproken vaste-stofbatterijen, zitten nog grotendeels in de testfase met kleine proefpartijen; grootschalige autoproductie wordt door fabrikanten als Toyota en QuantumScape zelf meestal pas rond 2027-2028 verwacht, en dergelijke tijdlijnen zijn in het verleden al vaker opgeschoven. Natrium-ion met hard carbon is wel al in beperkte, commerciële productie in China, vooral voor toepassingen waar energiedichtheid minder cruciaal is dan prijs.
Wie werken eraan?
Aan de bedrijfskant lopen Sila Nanotechnologies, Group14 Technologies, Amprius Technologies, Enovix en StoreDot voorop met siliciumgebaseerde anodes, terwijl QuantumScape, Toyota en Samsung SDI zich richten op lithiummetaalanodes voor vaste-stofbatterijen. Gevestigde batterijproducenten als CATL, BYD, LG Energy Solution en Panasonic ontwikkelen zowel verbeterde grafiet- en siliciummengsels als natrium-ionvarianten. De Zweeds-Duitse batterijmaker Northvolt, die eveneens aan nieuwe anodematerialen werkte, ging in 2024 door financiële problemen failliet, wat laat zien hoe risicovol dit vakgebied commercieel is.
Op onderzoeksgebied spelen Amerikaanse nationale laboratoria zoals Argonne National Laboratory en Lawrence Berkeley National Laboratory, gefinancierd door het Amerikaanse ministerie van Energie, een grote rol. In Europa doen het Franse CEA-Liten en Duitse Fraunhofer-instituten veel fundamenteel onderzoek, vaak gesteund door de Europese Batterij-alliantie. Zuid-Korea (via onder meer het KAIST-instituut) en China, met de Chinese Academie van Wetenschappen, investeren eveneens zwaar. China beheerst daarbij ook het grootste deel van de wereldwijde verwerking van grafiet en andere batterijgrondstoffen, wat het land een sterke positie geeft los van wie het beste nieuwe materiaal uitvindt.