Batterijdegradatie: waarom een accu na verloop van tijd minder ver komt
Een smartphone die na twee jaar nog maar de helft van een dag meegaat, of een elektrische auto die met een volle batterij steeds iets minder ver rijdt dan toen hij nieuw was: het is een verschijnsel dat vrijwel iedereen herkent. Dit heet batterijdegradatie, het geleidelijke en grotendeels onomkeerbare verlies van capaciteit en vermogen van een oplaadbare batterij naarmate ze ouder wordt en vaker is opgeladen.
Vergelijk het met een spons. Een nieuwe spons zuigt moeiteloos een volle emmer water op. Gebruik je diezelfde spons duizenden keren, dan blijven er kleine stukjes achter die verharden of afbreken, waardoor de spons na verloop van tijd steeds minder water opneemt, ook al ziet hij er nog hetzelfde uit. Op vergelijkbare wijze verliezen de microscopisch kleine structuren binnen in een batterij, cyclus na cyclus, een beetje van hun vermogen om energie op te slaan.
Wat is het precies?
Een lithium-ion batterij, het type dat in vrijwel elke telefoon, laptop en elektrische auto zit, slaat energie op door lithium-ionen (piepkleine, positief geladen deeltjes) heen en weer te laten bewegen tussen twee elektroden: de anode en de kathode. Opladen duwt de ionen naar de anode, ontladen laat ze terugstromen naar de kathode. Dat proces kan in theorie duizenden keren worden herhaald, maar in de praktijk slijt het systeem geleidelijk.
De belangrijkste boosdoener heet de SEI-laag, voluit solid electrolyte interphase. Dit is een dun laagje dat vanzelf ontstaat op het oppervlak van de anode zodra de batterij voor het eerst wordt opgeladen. Die laag is op zich nuttig, want hij beschermt de elektrode tegen verdere afbraak. Maar bij elke laadcyclus groeit de SEI-laag een klein beetje verder, en daarvoor verbruikt hij bruikbare lithium-ionen die niet meer beschikbaar zijn om energie op te slaan. Zo neemt de bruikbare capaciteit langzaam af.
Onderzoekers maken onderscheid tussen twee soorten veroudering. Calendar aging (veroudering door tijdsverloop) treedt op puur doordat een batterij bestaat, ook als hij nooit wordt gebruikt: chemische reacties in de cel gaan gewoon door, vooral bij hoge temperatuur of als de batterij lange tijd vol of juist bijna leeg blijft staan. Cycle aging (veroudering door gebruik) ontstaat doordat de batterij daadwerkelijk wordt op- en ontladen; elke cyclus veroorzaakt kleine mechanische spanningen in het elektrodemateriaal, die na verloop van tijd microscheurtjes en verlies van contactoppervlak veroorzaken.
Een derde, agressievere vorm van slijtage is lithium plating: als een batterij te snel wordt opgeladen, vooral bij lage temperaturen, hebben de lithium-ionen niet genoeg tijd om zich netjes in de anode te nestelen. In plaats daarvan zetten ze zich als een metaallaagje af op het oppervlak. Dat kost niet alleen capaciteit, maar kan in extreme gevallen ook de veiligheid aantasten. Snelladers en batterijmanagementsystemen (elektronica die de batterij bewaakt en aanstuurt) zijn daarom zo ontworpen dat ze dit risico beperken, bijvoorbeeld door minder snel te laden bij kou.
Ook de mate van (ont)lading speelt mee, uitgedrukt als depth of discharge (DoD): het percentage van de capaciteit dat in één cyclus wordt gebruikt. Een batterij die telkens van 20 naar 80 procent gaat, slijt aantoonbaar langzamer dan een batterij die steeds volledig leeg en weer vol wordt geladen. Dat is de reden waarom veel fabrikanten adviseren een elektrische auto niet standaard tot 100 procent op te laden.
Wat wil men ermee bereiken?
Onderzoek naar batterijdegradatie heeft een simpel, praktisch doel: batterijen langer laten meegaan, zodat gebruikers en fabrikanten er meer waarde uit halen en er minder grondstoffen nodig zijn. Voor elektrische auto's is dit doel bepalend, want de batterij is het duurste onderdeel van de auto en degradatie bepaalt direct hoeveel actieradius er na jaren nog overblijft en wat de auto op de tweedehandsmarkt waard is.
Een tweede drijfveer is duurzaamheid. Grondstoffen zoals lithium, kobalt en nikkel zijn eindig, milieubelastend om te winnen en vaak afkomstig uit regio's met complexe arbeids- en milieuomstandigheden. Elke batterij die langer meegaat, hoeft minder snel te worden vervangen, wat de vraag naar nieuwe grondstoffen en de hoeveelheid batterijafval vermindert.
Daarnaast speelt vertrouwen een rol. Consumenten die twijfelen of een elektrische auto na acht jaar nog wel bruikbaar is, stappen minder snel over. Fabrikanten proberen dat wantrouwen weg te nemen met garanties op batterijcapaciteit, vaak in de orde van 70 tot 80 procent capaciteitsbehoud na acht jaar of ruwweg 160.000 kilometer, en met steeds nauwkeurigere modellen die vooraf laten zien hoe een batterij zal verouderen.
Tot slot is er een economisch belang buiten de auto om. Batterijen die niet meer geschikt zijn voor een voertuig, hebben vaak nog een groot deel van hun oorspronkelijke capaciteit over. Die kunnen een tweede leven krijgen als stationaire energieopslag, bijvoorbeeld om zonne- en windenergie te bufferen. Beter begrip van degradatie helpt bepalen wanneer een batterij daarvoor geschikt is en hoe lang ze in die nieuwe rol nog meegaat.
Voorbeelden uit de praktijk
De vroege Nissan LEAF, geïntroduceerd vanaf 2011, is een bekend leerpunt in de sector. Vooral exemplaren die in hete klimaten reden, zoals Arizona in de Verenigde Staten, vertoonden binnen enkele jaren zichtbaar capaciteitsverlies, omdat de batterij destijds geen actieve koeling had. De problemen, die vanaf ongeveer 2012 breed in de pers kwamen, zetten de hele autobranche ertoe aan thermisch beheer (het actief koelen en verwarmen van de batterij) serieuzer te nemen.
Het Amerikaanse ritservicebedrijf Tesloop reed met een aantal Tesla Model S-auto's in enkele jaren tijd honderdduizenden kilometers per voertuig, veel sneller dan een gemiddelde particuliere eigenaar. Het bedrijf rapporteerde destijds dat de batterijen ook na dat extreme gebruik nog een aanzienlijk deel van hun oorspronkelijke capaciteit hadden, wat destijds als een geruststellend signaal werd gezien dat degradatie bij normaal gebruik trager verloopt dan aanvankelijk gevreesd.
Op wetenschappelijk vlak publiceerden onderzoekers verbonden aan Stanford University, het Massachusetts Institute of Technology (MIT) en Toyota Research Institute in 2019 in het tijdschrift Nature Energy een invloedrijke studie waarin ze met machine learning al na enkele laadcycli konden inschatten hoe lang een batterij uiteindelijk zou meegaan, ruim voordat merkbare capaciteitsdaling optrad. Dit soort voorspellende modellen wordt inmiddels gebruikt om productiekwaliteit te bewaken en garanties te onderbouwen.
De Chinese batterijfabrikant CATL, wereldwijd een van de grootste producenten van batterijen voor elektrische voertuigen, promoot al enkele jaren lithium-ijzerfosfaat- of LFP-batterijen (een chemie zonder kobalt en nikkel) vanwege hun tragere degradatie en langere levensduur bij veel laadcycli. Deze chemie wordt inmiddels ook door westerse automerken toegepast, onder meer in goedkopere varianten van modellen van Tesla.
Een voorbeeld van hergebruik is een project dat BMW samen met het Zweedse energiebedrijf Vattenfall rond 2016 opzette in Hamburg: gebruikte batterijpakketten uit de elektrische BMW i3 kregen daar een tweede leven als stationaire opslag om het lokale stroomnet te stabiliseren. Vergelijkbare tweede-levenprojecten zijn ook opgezet door Nissan, in samenwerking met het Japanse bedrijf 4R Energy, gericht op hergebruik en recycling van EV-batterijen.
Hoe ver is de techniek?
Batterijmanagementsystemen zijn de afgelopen tien jaar sterk verbeterd. Ze houden voortdurend temperatuur, laadstroom en celspanning in de gaten en passen het laadgedrag daarop aan, wat degradatie helpt beperken zonder dat de gebruiker er iets van merkt. Ook de celchemie is veranderd: naast de opkomst van LFP-batterijen zijn de klassieke nikkel-mangaan-kobalt- of NMC-batterijen verfijnd, met andere verhoudingen tussen de metalen om zowel energiedichtheid als levensduur te verbeteren.
Een veelbelovende maar nog niet volwassen ontwikkeling is de vaste-stofbatterij (solid-state battery), waarin de vloeibare elektrolyt wordt vervangen door een vast materiaal. Dat zou in theorie lithium plating grotendeels moeten voorkomen en dus veel minder degradatie moeten opleveren, naast een hogere energiedichtheid en betere veiligheid. Bedrijven als QuantumScape, dat samenwerkt met onder meer Volkswagen, en Toyota werken hier al jaren aan, maar grootschalige, betaalbare productie voor de massamarkt is nog niet gerealiseerd. Eerdere aankondigingen van commercialisering zijn in het verleden meermaals uitgesteld, wat aangeeft dat de weg van laboratorium naar fabriek langer is dan gehoopt.
Beleidsmatig is er ook beweging. De Europese Unie heeft in 2023 een nieuwe batterijverordening aangenomen die fabrikanten verplicht om gegevens over de gezondheidstoestand (state of health) van batterijen in elektrische voertuigen bij te houden en via een digitaal batterijpaspoort inzichtelijk te maken, met een gefaseerde invoering in de komende jaren. Het doel is dat kopers van tweedehands elektrische auto's objectief kunnen zien hoeveel capaciteit een batterij nog heeft, in plaats van te moeten vertrouwen op een schatting van de verkoper.
Ondanks deze vooruitgang blijft onzekerheid bestaan. Degradatiemodellen zijn beter geworden, maar blijven statistische benaderingen; individuele batterijen kunnen afwijken door productieverschillen, gebruikspatroon of onvoorziene omstandigheden. Ook is nog niet volledig duidelijk hoe nieuwere chemieën zoals LFP, en toekomstige vaste-stofbatterijen, zich over een periode van vijftien tot twintig jaar zullen gedragen, simpelweg omdat ze daar nog niet lang genoeg in de praktijk zijn.
Wie werken eraan?
Op het gebied van batterijproductie domineren enkele grote, vooral Aziatische spelers: het Chinese CATL en BYD, het Zuid-Koreaanse LG Energy Solution en Samsung SDI, en het Japanse Panasonic, bekend van de langdurige samenwerking met Tesla. Deze bedrijven investeren fors in onderzoek naar celchemie en productieprocessen om degradatie te verminderen.
Op wetenschappelijk vlak spelen Amerikaanse nationale laboratoria een grote rol. Argonne National Laboratory, bij Chicago, onderzoekt via het Joint Center for Energy Storage Research nieuwe materialen en degradatiemechanismen. Idaho National Laboratory test en analyseert al jarenlang batterijen uit echte elektrische voertuigen om levensduurmodellen te verbeteren. Universiteiten zoals Stanford, MIT en het Center for Advanced Life Cycle Engineering (CALCE) van de University of Maryland dragen bij met fundamenteel onderzoek naar veroudering en voorspelling.
In Europa zetten onder meer Duitsland, met onderzoeksinstituten als het Fraunhofer-Institut, en Frankrijk in op batterijkennis en eigen productiecapaciteit, mede om minder afhankelijk te worden van Aziatische fabrikanten. Autofabrikanten als Tesla, BMW, Nissan, Volkswagen en Toyota voeren daarnaast eigen onderzoek uit, deels in samenwerking met batterijmakers en start-ups zoals QuantumScape. Ook de Europese Unie speelt met haar batterijverordening een sturende rol door via regelgeving druk te zetten op transparantie en kwaliteit.