Cyclusleven: hoe lang houdt een batterij het vol?
Stel je een elastiekje voor dat je steeds uitrekt en weer laat terugveren. De eerste honderd keer merk je er niets van, maar na duizenden keren wordt het elastiek slapper en veert het minder ver terug. Zo gedraagt een oplaadbare batterij zich ook. Elke keer dat je hem volledig oplaadt en weer leegt, noemen ingenieurs dat een cyclus. Het cyclusleven is het aantal van die op-en-neer-bewegingen dat een batterij aankan voordat hij een flink deel van zijn oorspronkelijke capaciteit kwijt is.
Dit begrip duikt overal op waar batterijen een hoofdrol spelen: in elektrische auto's, in de accu van je telefoon, maar ook in de grote batterijparken die zonne- en windenergie opslaan voor als de zon niet schijnt. Een elektrische auto die na acht jaar nog 90 procent van zijn oorspronkelijke actieradius heeft, dankt dat aan een batterij met een lang cyclusleven. Fabrikanten en onderzoekers proberen dat cyclusleven te verlengen, want een batterij die langer meegaat is goedkoper over de hele levensduur, veroorzaakt minder afval en is beter voor het milieu.
Wat is het precies?
Cyclusleven wordt meestal gedefinieerd als het aantal volledige laad-ontlaadcycli dat een batterij doorstaat voordat de capaciteit daalt tot een bepaalde drempel, meestal 80 procent van de oorspronkelijke waarde. Dat punt heet vaak het 'end of life' (einde levensduur), niet omdat de batterij dan stukgaat, maar omdat hij dan te weinig energie meer opslaat voor het beoogde gebruik.
Belangrijk is dat niet elke cyclus hetzelfde weegt. Als je een batterij van 100 naar 20 procent laat zakken en weer oplaadt, is dat een diepere cyclus dan wanneer je van 80 naar 60 procent gaat. Onderzoekers spreken van de depth of discharge (DOD, ontladingsdiepte) en tellen vaak in 'equivalente volledige cycli': twee halve cycli van 50 procent tellen dan ongeveer als één volledige cyclus. Ook de laadsnelheid speelt mee, uitgedrukt in de C-rate: hoe sneller je oplaadt, hoe meer warmte en mechanische stress er ontstaat, en hoe sneller de batterij slijt.
Wat er precies slijt, is chemie. Bij elke cyclus groeit er een dun laagje op de elektroden, de SEI-laag (solid electrolyte interphase), dat langzaam lithium-ionen 'opeet' die niet meer beschikbaar zijn voor energieopslag. Ook kunnen elektrodedeeltjes barsten door het steeds uitzetten en krimpen, en kan er bij te snel laden metallisch lithium neerslaan op de anode — een proces dat kan leiden tot naaldvormige structuren, dendrieten genoemd, die in het ergste geval kortsluiting veroorzaken. Naast cyclusleven bestaat er ook kalenderleven: een batterij veroudert ook als hij gewoon stilligt, door temperatuur en de mate waarin hij opgeladen is opgeslagen.
Wat wil men ermee bereiken?
Het uiteindelijke doel is simpel: een batterij die net zo lang meegaat als het product waarin hij zit, of langer. Voor een elektrische auto betekent dat een accu die de levensduur van de auto zelf — vaak 15 tot 20 jaar of honderdduizenden kilometers — kan bijbenen zonder noemenswaardig capaciteitsverlies. Voor grote batterijparken die het elektriciteitsnet stabiel houden, is dat nog belangrijker: die worden dagelijks be- en ontladen en moeten dat jarenlang volhouden om financieel rendabel te zijn.
Een langer cyclusleven verlaagt de kosten per opgeslagen kilowattuur over de hele levensduur, vermindert de vraag naar grondstoffen zoals kobalt en nikkel, en maakt tweede-leven-toepassingen mogelijk: een autobatterij die niet meer geschikt is voor een auto, kan nog jaren dienst doen als stationaire opslag voor bijvoorbeeld een woonwijk. Een bekend voorbeeld van deze ambitie is het patent dat batterijfabrikant CATL in 2020 publiceerde, ontwikkeld in samenwerking met de Canadese batterijonderzoeker Jeff Dahn, voor wat de media al snel de 'million mile battery' doopten: een cel die in laboratoriumomstandigheden meer dan 1,2 miljoen mijl (ruim 2 miljoen kilometer) en enkele duizenden cycli zou kunnen doorstaan.
Voorbeelden uit de praktijk
BYD Blade Battery (2020): de Chinese autofabrikant en batterijproducent BYD introduceerde een lithium-ijzerfosfaat-batterij (LFP) in een lange, platte celvorm. LFP-chemie levert doorgaans minder energiedichtheid dan de gangbare nikkel-mangaan-kobalt (NMC) chemie, maar haalt aanzienlijk meer cycli — BYD claimde destijds duizenden volledige cycli voordat de capaciteit onder 80 procent zakt.
CATL en Jeff Dahn (2020-heden): naast het genoemde patent publiceert het onderzoeksteam van Dahn aan de Dalhousie University in Canada, dat al jaren samenwerkt met zowel Tesla als CATL, regelmatig peer-reviewed studies over nieuwe elektrolytformules die de cyclusdegradatie vertragen.
QuantumScape (2020-2023): dit Amerikaanse bedrijf, gesteund door onder meer Volkswagen, publiceerde testresultaten van zijn vaste-stofbatterij-cellen (solid-state) waarbij laboratoriumcellen na honderden tot ruim duizend cycli nog een groot deel van hun capaciteit behielden. Belangrijk om te vermelden: dit betrof kleine testcellen onder gecontroleerde omstandigheden, geen in serie geproduceerde autobatterijen.
Form Energy (2022): dit bedrijf bouwt geen lithium-batterij maar een ijzer-luchtbatterij, bedoeld om honderd uur achtereen stroom te leveren voor het elektriciteitsnet. De chemie is goedkoop en robuust, met als doel duizenden cycli over meerdere decennia. In 2022 kondigde Form Energy een eerste grootschalig project aan in Minnesota, Verenigde Staten.
Toyota werkt al jaren aan een vaste-stofbatterij voor personenauto's en heeft herhaaldelijk aangekondigd — met steeds opschuivende jaartallen — te mikken op commerciële introductie rond 2027-2028, met als belofte zowel een langer cyclusleven als snellere laadtijden.
Hoe ver is de techniek?
Commerciële lithium-ionbatterijen met NMC-chemie, zoals veel gebruikt in smartphones en auto's, halen doorgaans tussen de 500 en 1.500 volledige cycli voordat ze onder 80 procent capaciteit zakken, afhankelijk van laadgedrag en temperatuur. LFP-batterijen, goedkoper en met minder energiedichtheid maar chemisch stabieler, halen vaak 2.000 tot 4.000 cycli en soms meer.
Vaste-stofbatterijen gelden als veelbelovend omdat ze in theorie zowel meer energie kunnen opslaan als langer meegaan, doordat de vloeibare elektrolyt — vaak de zwakke schakel bij veroudering — wordt vervangen door een vaste stof. In de praktijk blijkt dit lastig te fabriceren op grote schaal: het contact tussen vaste elektrolyt en elektrode is kwetsbaar, temperatuurschommelingen kunnen scheurtjes veroorzaken, en dendrietvorming blijft ook hier een risico. Vrijwel alle indrukwekkende cijfers over vaste-stofbatterijen komen tot nu toe uit laboratoria, niet uit fabrieken.
Een eerlijke kanttekening: fabrikanten testen cyclusleven niet allemaal op dezelfde manier. Verschillen in temperatuur, laadsnelheid en ontladingsdiepte tijdens het testen maken het lastig om claims van verschillende bedrijven rechtstreeks met elkaar te vergelijken. De vooruitgang in het veld verloopt bovendien geleidelijk — met jaarlijkse verbeteringen van enkele procenten in energiedichtheid en cyclusleven samen — eerder dan met plotselinge doorbraken, ondanks de regelmatig grote aankondigingen in de pers.
Wie werken eraan?
China speelt een dominante rol in de wereldwijde batterijproductie, met CATL en BYD als grootste spelers. Zuid-Korea is sterk vertegenwoordigd via LG Energy Solution, Samsung SDI en SK On. Japan brengt onder meer Panasonic (langjarige batterijleverancier van Tesla) en Toyota in, dat fors investeert in vaste-stoftechnologie.
In de Verenigde Staten werken naast Tesla ook gespecialiseerde bedrijven als QuantumScape en Form Energy aan nieuwe celchemieën, terwijl het Argonne National Laboratory fundamenteel batterijonderzoek verricht voor het Amerikaanse ministerie van Energie. Op universitair niveau geldt de groep van Jeff Dahn aan de Dalhousie University in Canada als toonaangevend op het gebied van cyclusleven-onderzoek.
In Europa richt het Duitse Fraunhofer-instituut zich op batterijmaterialen en -recycling, en doet het Nederlandse onderzoeksinstituut TNO onderzoek naar energieopslag en batterijveroudering, mede in het kader van de bredere Europese ambitie om minder afhankelijk te worden van Aziatische batterijproductie.