Irreversibel capaciteitsverlies: waarom een batterij nooit zijn volledige capaciteit terugkrijgt
Stel je een jerrycan voor die je voor het eerst vult met benzine. Een deel van die brandstof verdampt meteen, of blijft aan de wanden plakken, en is voorgoed verloren voordat je er iets mee kunt doen. Bij een lithium-ion batterij gebeurt iets vergelijkbaars tijdens de allereerste keer opladen: een deel van de energie die erin gestopt wordt, komt er nooit meer uit. Dat verschijnsel heet irreversibel capaciteitsverlies.
Het klinkt als een defect, maar het is grotendeels een normaal en onvermijdelijk onderdeel van hoe een batterij werkt. Elke lithium-ion batterij — van je telefoon tot een elektrische auto — verliest bij de eerste oplaadbeurt een stukje van zijn theoretische capaciteit, en tijdens de rest van zijn leven gaat er geleidelijk nog meer verloren. Voor ingenieurs is dit een van de hardnekkigste hindernissen bij het ontwerpen van betere batterijen: hoe zorg je dat zo min mogelijk van die kostbare energieopslag onherroepelijk wegvalt?
Wat is het precies?
Een lithium-ion batterij bestaat grofweg uit twee elektroden — de kathode en de anode — met daartussen een vloeistof, de elektrolyt, waar lithium-ionen doorheen kunnen bewegen. Tijdens het opladen verhuizen lithium-ionen van de kathode naar de anode, meestal gemaakt van grafiet (een vorm van koolstof). Tijdens het ontladen gaan ze weer terug, en die heen-en-weer beweging levert de stroom die je apparaat gebruikt.
Bij de allereerste oplaadcyclus gebeurt er iets extra's. Het oppervlak van de anode reageert met de elektrolyt en vormt een dun laagje, de SEI (Solid Electrolyte Interphase, letterlijk: vaste grenslaag tussen elektrode en elektrolyt). Die laag is eigenlijk nuttig: hij beschermt de anode tegen verdere afbraakreacties en maakt de batterij op de lange termijn stabieler. Het probleem is dat de vorming van die SEI-laag lithium-ionen verbruikt die daarna niet meer vrij door de batterij kunnen bewegen. Ze zitten letterlijk vastgebakken in de beschermlaag.
Dat verbruikte lithium is het irreversibele capaciteitsverlies: energie die er in theorie in zit, maar er nooit meer uit komt. Bij gangbare grafietanodes gaat het doorgaans om een beperkt maar merkbaar deel van de totale capaciteit, voornamelijk gedurende die eerste cyclus. Bij nieuwere anodematerialen, met name silicium, is het probleem groter. Silicium kan in theorie veel meer lithium opslaan dan grafiet — wat mooi zou zijn voor de energiedichtheid — maar het zet daarbij ook fors uit en krimp weer in, telkens opnieuw bij elke cyclus. Die beweging breekt de SEI-laag telkens weer open, waarna er weer nieuwe SEI moet worden gevormd en er dus weer meer lithium verloren gaat. Silicium-anodes hebben daardoor doorgaans een aanzienlijk hoger irreversibel capaciteitsverlies dan grafiet.
Wat wil men ermee bereiken?
Het uiteindelijke doel is simpel te omschrijven, ook al is de uitvoering lastig: zoveel mogelijk van de theoretische energie-inhoud van een batterij daadwerkelijk bruikbaar maken. Elk procent capaciteit dat verloren gaat aan onomkeerbare chemische reacties, is een procent minder rijbereik voor een elektrische auto, minder gebruiksduur voor een telefoon, of minder opslagvermogen voor een thuisbatterij.
Dit vraagstuk is vooral urgent geworden doordat de batterij-industrie op zoek is naar anodematerialen die meer energie kunnen opslaan dan het gangbare grafiet. Silicium is daarvan de meest onderzochte kandidaat, maar zolang het irreversibele capaciteitsverlies bij silicium hoog blijft, gaat een groot deel van dat theoretische voordeel verloren voordat de batterij ooit wordt gebruikt. Onderzoekers proberen dit op te lossen door bijvoorbeeld vooraf extra lithium toe te voegen (zogeheten pre-lithiëring), door de samenstelling van de elektrolyt aan te passen, of door beschermende coatings op de deeltjes aan te brengen die minder snel breken.
Daarnaast speelt levensduur een rol die verder gaat dan alleen die eerste cyclus. Ook bij elke volgende laad- en ontlaadbeurt gaat een klein beetje capaciteit irreversibel verloren, door slijtage-mechanismen die met SEI-groei, structuurveranderingen in de elektrodes en andere neveneffecten te maken hebben. Het verminderen van dat sluipende verlies is minstens zo belangrijk voor de vraag hoe lang een batterij bruikbaar blijft.
Voorbeelden uit de praktijk
Verschillende bedrijven en laboratoria werken concreet aan dit probleem, elk vanuit een andere invalshoek.
Sila Nanotechnologies, een Amerikaans bedrijf, ontwikkelt siliciumhoudend anodemateriaal dat is ontworpen om de volume-uitzetting van silicium beter op te vangen, met als doel het irreversibele verlies te beperken terwijl de hogere energiedichtheid behouden blijft. Het bedrijf werkt samen met autofabrikanten om dit materiaal in productiebatterijen te krijgen.
Group14 Technologies ontwikkelt een silicium-koolstofcomposiet als vervanger voor grafiet, met een vergelijkbaar doel: meer energiedichtheid zonder het capaciteitsverlies onbeheersbaar te maken.
Amprius Technologies richt zich op anodes met een zeer hoog siliciumgehalte, vooral voor toepassingen waar gewicht cruciaal is, zoals drones en luchtvaartelektronica, en werkt intensief aan technieken om de bijbehorende capaciteitsverliezen te compenseren.
QuantumScape ontwikkelt vaste-stofbatterijen, waarbij de vloeibare elektrolyt wordt vervangen door een vast materiaal. Dat verandert de manier waarop de grenslaag tussen anode en elektrolyt zich vormt, wat in potentie het irreversibele verlies anders (en mogelijk kleiner) maakt dan bij klassieke vloeibare elektrolyten — al is dit nog volop onderwerp van onderzoek en discussie.
Argonne National Laboratory, een Amerikaans overheidslaboratorium, onderzoekt via zijn batterijfaciliteiten al jaren pre-lithiëringstechnieken en nieuwe elektrolytformuleringen om de eerste-cyclusverliezen bij zowel grafiet- als siliciumanodes te verkleinen.
Hoe ver is de techniek?
Dit is geen veld met een enkele doorbraak die het probleem in één klap oplost; het is een langzaam, incrementeel verbeteringsproces. Een paar zaken zijn al gangbare praktijk, andere zijn nog experimenteel.
Kleine hoeveelheden silicium bijmengen in overwegend grafiet-anodes — vaak enkele procenten — wordt al toegepast in sommige commerciële batterijen, onder meer in bepaalde elektrische auto's, omdat dit een bescheiden energiedichtheidswinst oplevert zonder het capaciteitsverlies onbeheersbaar te maken. Volledig op silicium gebaseerde anodes, met veel hogere siliciumgehaltes, zijn daarentegen nog grotendeels in ontwikkeling en worden vooral ingezet in niche-toepassingen waar het prijskaartje en de resterende technische onzekerheden minder zwaar wegen, zoals hoogwaardige drones.
Pre-lithiëring op grote industriële schaal blijft technisch en economisch lastig: het proces is duur, vraagt zorgvuldige procesbeheersing, en het extra lithium moet op een veilige manier worden toegevoegd zonder de productie te vertragen. Vaste-stofbatterijen, die mogelijk een deel van de SEI-problematiek anders aanpakken, bevinden zich nog vooral in de fase van proefproducties en kleine testseries; grootschalige, betaalbare productie is er nog niet.
Kortom: er wordt gestage vooruitgang geboekt, met stapsgewijze verbeteringen van enkele procenten per generatie materiaal, maar een wondermiddel dat het irreversibele capaciteitsverlies laat verdwijnen, bestaat vooralsnog niet. De verwachting binnen de sector is dat verdere winst vooral komt uit een combinatie van betere materialen, slimmere additieven en verfijnde productieprocessen, niet uit één enkele uitvinding.
Wie werken eraan?
Het onderzoek naar irreversibel capaciteitsverlies is verspreid over batterijfabrikanten, materiaalbedrijven, universiteiten en nationale laboratoria, vooral in de Verenigde Staten, Zuid-Korea, Japan, China en Europa.
Naast de eerder genoemde bedrijven Sila Nanotechnologies, Group14 Technologies, Amprius Technologies en QuantumScape spelen grote Aziatische batterijproducenten als CATL, LG Energy Solution, Panasonic en Samsung SDI een rol, omdat zij de materialen die uit onderzoekslabs komen uiteindelijk in massaproductie moeten brengen.
Op onderzoeksgebied zijn Amerikaanse nationale laboratoria als Argonne National Laboratory, Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) en het National Renewable Energy Laboratory (NREL) belangrijke spelers, vaak gefinancierd door het Amerikaanse ministerie van Energie. In Duitsland doet het Forschungszentrum Jülich gedegen fundamenteel onderzoek naar elektrodematerialen en grenslaagvorming. Ook universiteiten als MIT, Stanford en het Lawrence Berkeley National Laboratory publiceren regelmatig over dit onderwerp, meestal in vaktijdschriften gericht op elektrochemie en energieopslag.