Lithiumtitanaat: de batterij-anode die kiest voor snelheid en levensduur boven bereik
Een gewone oplaadbare batterij in een laptop of elektrische auto bestaat uit twee elektroden: een positieve (kathode) en een negatieve (anode), met daartussen een vloeistof waar lithiumionen doorheen bewegen. Bij vrijwel alle gangbare lithium-ionbatterijen is die anode gemaakt van grafiet, een vorm van koolstof. Lithiumtitanaat, vaak afgekort als LTO (van de chemische formule Li4Ti5O12), is een ander materiaal dat in plaats van grafiet als anode kan dienen. Het levert geen batterij met meer energie op, maar wel een batterij die veel sneller kan opladen, veel langer meegaat en veiliger is.
Een vergelijking maakt het concreet. Stel je een grafiet-anode voor als een parkeergarage met smalle vakken: lithiumionen "parkeren" er tijdens het opladen, maar bij te snel laden verdringen ze elkaar en kan er metallisch lithium op het oppervlak neerslaan, een proces dat de batterij kan beschadigen of zelfs brandgevaarlijk maakt. Een LTO-anode heeft bredere, stabielere "parkeervakken": ionen kunnen er sneller en met minder risico in en uit. De prijs die je daarvoor betaalt, is dat de garage zelf meer ruimte inneemt per geparkeerde auto — oftewel: minder energie per kilogram batterij.
Wat is het precies?
Om te begrijpen wat lithiumtitanaat bijzonder maakt, moet je eerst weten wat een anode doet. Tijdens het opladen van een batterij bewegen lithiumionen van de kathode naar de anode, waar ze zich tussen de atomen van het materiaal nestelen. Bij het ontladen gebeurt het omgekeerde. Hoe gemakkelijker en stabieler dat proces verloopt, hoe beter de batterij presteert op het gebied van snelheid, levensduur en veiligheid.
Lithiumtitanaat heeft een zogeheten spinelstructuur, een type kristalrooster waarin de atomen in een regelmatig, kooiachtig patroon liggen. Dat rooster is opvallend stevig: wanneer lithiumionen er in- en uitstromen, verandert het volume van het materiaal nauwelijks. Vakmensen noemen dit een "zero-strain" materiaal (letterlijk: zonder spanning). Bij grafiet zwelt en krimpt de anode telkens een beetje tijdens het laden en ontladen, wat op termijn microscheurtjes en slijtage veroorzaakt. Omdat LTO nauwelijks vervormt, houdt de batterij dit proces veel vaker vol voordat de capaciteit merkbaar afneemt.
Een tweede belangrijk verschil zit in de elektrische spanning van het materiaal. LTO heeft een elektrodepotentiaal van ongeveer 1,55 volt ten opzichte van zuiver lithiummetaal, terwijl grafiet dicht bij 0 volt zit. Dat klinkt als een nadeel — en dat is het deels ook, want de volledige batterijcel levert daardoor een lagere spanning (rond 2,4 volt in plaats van de gebruikelijke 3,6 tot 3,7 volt). Maar het heeft een belangrijk voordeel: bij die hogere potentiaal is er geen risico dat er metallisch lithium op de anode neerslaat, ook niet bij zeer snel laden. Dat neerslaan (lithium-plating) is bij grafiet-anodes een van de belangrijkste oorzaken van kortsluiting en brand. LTO-batterijen gelden daarom als inherent veiliger en beter bestand tegen extreem snel laden.
De keerzijde is de energiedichtheid: de hoeveelheid energie die in een bepaald gewicht of volume batterij past. Omdat LTO een lagere celspanning geeft en zelf ook relatief zwaar is, bevat een LTO-batterijpak voor dezelfde hoeveelheid opgeslagen energie meer massa en volume dan een vergelijkbaar pak met een grafiet-anode. Voor toepassingen waar gewicht en ruimte cruciaal zijn, zoals personenauto's met een groot bereik, is dat een reëel nadeel.
Wat wil men ermee bereiken?
De ontwikkeling van lithiumtitanaat draait niet om een batterij die verder rijdt op één lading, maar om drie andere eigenschappen: laadsnelheid, levensduur en veiligheid. LTO-batterijen kunnen doorgaans binnen enkele minuten tot een groot deel worden opgeladen, zonder dat dit ten koste gaat van de levensduur — iets wat bij grafiet-anodes juist een probleem is, omdat snel laden daar de veroudering versnelt.
Wat betreft levensduur is het verschil groot. Waar een gangbare lithium-ionbatterij met een grafiet-anode na zo'n 1.000 tot 2.000 volledige laadcycli (een cyclus is één keer volledig op- en ontladen) een merkbaar verlies aan capaciteit vertoont, kunnen LTO-cellen vaak 10.000 tot 20.000 cycli of meer aan voordat ze in vergelijkbare mate zijn verslechterd. Voor toepassingen die dagelijks meerdere keren worden op- en ontladen, zoals stadsbussen of industriële systemen, scheelt dat enorm in de totale levensduurkosten, ook al is de aanschafprijs van de batterij zelf hoger.
Daarnaast presteert LTO relatief goed bij lage temperaturen, terwijl grafiet-anodes bij kou juist gevoeliger worden voor het eerdergenoemde lithium-plating. Dat maakt LTO interessant voor gebruik in koude klimaten of voor toepassingen waar temperatuurschommelingen lastig te beheersen zijn.
Kortom: dit onderzoeksveld bestaat niet om de energiedichtheid-records van batterijen te verbreken, maar om batterijen te maken die extreem betrouwbaar, snel oplaadbaar en langdurig inzetbaar zijn — eigenschappen die vooral tellen in vervoer met vaste routes, netstabilisatie en industriële systemen, en minder in de zoektocht naar een elektrische auto met maximaal bereik.
Voorbeelden uit de praktijk
Het bekendste commerciële voorbeeld is de SCiB (Super Charge ion Battery) van het Japanse Toshiba, die het bedrijf sinds het midden van de jaren 2000 op de markt brengt. Toshiba noemt de cel expliciet vanwege de combinatie van snelladen, lange levensduur en veiligheid, en heeft de technologie onder meer toegepast in elektrische bussen en in enkele personenauto's, waaronder naar verluidt varianten van de Honda Fit EV en modellen van Mitsubishi.
In de Verenigde Staten leverde het bedrijf Altairnano (ook bekend als Altair Nanotechnologies) rond 2010-2013 LTO-cellen voor enkele van de vroege snellaadbussen van busbouwer Proterra, die op sommige Amerikaanse buslijnen binnen enkele minuten bij een halte konden bijladen.
In China gebruiken diverse fabrikanten van elektrische stadsbussen LTO-technologie, onder meer het bedrijf Yinlong (Zhuhai Yinlong / Yinlong New Energy), dat bussen met snellaadmogelijkheden op basis van titanaat-chemie heeft ingezet in Chinese steden.
Het Zwitserse bedrijf Leclanché heeft zich eveneens gericht op snellaadbare celchemieën, onder meer voor maritieme toepassingen zoals elektrische en hybride veerboten, waar betrouwbaarheid en snel bijladen tussen overtochten belangrijker zijn dan een zo licht mogelijk batterijpak.
Verder wordt LTO ingezet in stationaire opslagsystemen die helpen bij het stabiliseren van het elektriciteitsnet, bijvoorbeeld om plotselinge schommelingen in vraag en aanbod op te vangen — een taak waarbij duizenden snelle laad- en ontlaadcycli per jaar heel gewoon zijn.
Hoe ver is de techniek?
Lithiumtitanaat is geen labcuriositeit meer, maar een volwassen, commercieel verkrijgbare technologie die al zo'n twee decennia in productie is. Toshiba produceert de SCiB-cellen op industriële schaal en levert ze wereldwijd voor diverse toepassingen.
Toch is LTO binnen de bredere lithium-ionmarkt een nichetechnologie gebleven. De twee dominante chemieën in respectievelijk goedkope en hoogwaardige toepassingen — lithium-ijzerfosfaat (LFP) en nikkel-mangaan-kobalt (NMC) — zijn goedkoper per kilowattuur opslagcapaciteit en/of bieden een hogere energiedichtheid. Daardoor wint LTO het vooral in specifieke niches waar laadsnelheid, levensduur en veiligheid zwaarder wegen dan prijs en gewicht, en niet in de massamarkt van consumentenelektronica of personenauto's met groot bereik.
De belangrijkste obstakels blijven de hogere kostprijs per kilowattuur en de lagere energiedichtheid, wat resulteert in grotere en zwaardere batterijpakketten voor dezelfde opslagcapaciteit. Omdat de afzetmarkt relatief klein is, profiteert LTO ook minder van de schaalvoordelen die LFP en NMC de afgelopen jaren goedkoper hebben gemaakt. Onderzoekers werken aan verbeterde titanaat-varianten en aan nanostructurering van het materiaal — het bewerken van het materiaal op nanometerschaal om meer oppervlak en dus meer capaciteit te creëren — om de energiedichtheid te verhogen, maar een doorbraak die LTO concurrerend maakt voor de massamarkt is er vooralsnog niet.
Wie werken eraan?
Toshiba (Japan) geldt als de belangrijkste commerciële producent van LTO-batterijen met zijn SCiB-lijn. Altairnano was in de Verenigde Staten een vroege pionier op dit gebied. Het Zwitserse Leclanché richt zich op snellaadbare celchemieën voor onder meer maritieme en industriële toepassingen. In China zijn verschillende batterij- en busfabrikanten actief met titanaat-technologie, waaronder Yinlong.
Daarnaast lopen er wereldwijd aan universiteiten en onderzoeksinstituten materiaalkundige studies naar verbeterde titanaat-anodes, gericht op het verhogen van de energiedichtheid zonder de kenmerkende veiligheid en levensduur te verliezen. Batterijonderzoek in bredere zin wordt in Europa mede gefinancierd via programma's als Horizon Europe en het samenwerkingsverband Batteries Europe, al richt lang niet al dat onderzoek zich specifiek op lithiumtitanaat.