De actieradius en de laadtijd zijn de twee belangrijkste knelpunten die motorrijders ervan weerhouden om een elektrische motorfiets te kopen. Nu komen Ducati en het Finse Verge met ‘solid state’-batterijen. Die zouden deze punten weleens kunnen ontwarren.
Actieradius en laadtijd zijn qua acceptatie onlosmakelijk met elkaar verbonden. Elke honderd kilometer moeten laden is niet prettig, maar als dat laden dan ook nog uren duurt, dan is dat voor allesbehalve stadsverkeer een vette no-no. Als je de batterij in vijf minuten kunt snelladen, dan wordt het al een ander verhaal. En als je 400 km op een lading kunt halen en dan twee uur moet laden, dan gaat het ook. Koffie en lunch en je kunt weer. Het vergt een relaxte state of mind, maar à la. Het wordt pas echt mooi als je na 400 km in vijf minuten kunt laden. Helaas was dat laatste tot nu toe een utopie. Dat zou veranderen met de solid state-batterij, maar dat leek lange tijd een soort onbereikbare Heilige Graal. De laatste tien jaar zou hij over drie jaar klaar zijn voor productie. En dat is tien jaar zo gebleven. Tot nu, want op de IAA Mobility stond Ducati op de Volkswagen-stand met hun e-racer, voorzien van solid state-batterij. Ook het Finse Verge zegt over deze batterij te beschikken, gemaakt door Donut Lab.
Elektrochemie
Voor de capaciteit van een batterij zijn er twee belangrijke eigenschappen: de hoeveelheid actief materiaal die je kunt meenemen en de spanning die een bepaalde combinatie van materialen kan opleveren. Daarbij hebben we het in eerste instantie over metalen: ze kunnen ietwat oplossen in een vloeistof of reageren met deeltjes in die vloeistof. Die deeltjes zijn dan afkomstig van zuren of zouten. Dat ontdekte geneeskundige Luigi Galvani per ongeluk in 1786, toen hij anatomische proeven deed met dode kikkers. Hij hing ze op aan een metalen draad en ontdekte dat ze bewogen wanneer je ze met een staaf van een ander metaal aanraakte. Hij dacht dat hij een biologisch fenomeen had ontdekt, maar graaf Alessandro Giuseppe Antonio Anastasio Volta had door dat het om een elektrochemische reactie ging. Die ontdekking leidde tot de eerste echte batterij, die in 1836 door John Daniell werd gebouwd. Hij zette een staaf zink in een stenen pot met zwavelzuur en zette dat geheel in een koperen vat met kopersulfaat. De stenen pot hield de vloeistoffen gescheiden, maar kon wel elektrisch geladen waterstofdeeltjes – zogenaamde ‘ionen’ – doorlaten. Het werkte dus als een membraan. De zinkstaaf kreeg een negatieve spanning, de koperstaaf een positieve. Dat werkt bij meerdere metalen: je kunt dit fenomeen ook zelf thuis uitproberen door een koperen en een zinken staaf (of een gegalvaniseerde spijker) in een citroen te prikken. Daarmee haal je 0,9 Volt tussen de twee ‘elektroden’.
Onomkeerbaar
De elektrochemische reactie – ook een redoxreactie genoemd, van ‘reductie’ en ‘oxidatie’ – treedt dus bij meer metalen en vloeistoffen op. Het voltage dat daarbij ontstaat, is afhankelijk van de gebruikte materialen en de vloeistof of de elektrolyt. Het Daniell-element leverde bijvoorbeeld 0,8 tot 1,1 Volt. Een gewone zink-koolbatterij, waarbij zink en koolstof in een oplossing van salmiak zitten, levert 1,5 Volt. Diezelfde spanning krijg je met een alkalinebatterij: die heeft een anode van zinkpoeder (Zn) en een kathode van mangaandioxide (MnO2) met grafiet. Maar deze batterijen hebben een nadeel: de chemische reactie is niet omkeerbaar, waardoor je ze dus niet kunt opladen. Je moet ze vervangen als ze zijn uitgeput.
Loodaccu
Er zijn materiaalcombo’s waarbij de reactie wel teruggedraaid kan worden. Zo bestaat onze gewone startbatterij bijvoorbeeld uit platen lood en platen looddioxide in een bak met verdund zwavelzuur. Om kortsluiting tussen de platen te voorkomen, zijn de platen van elkaar gescheiden door polyestermatjes, waarin het zwavelzuur vrij kan doordringen. Het lood reageert met zwavelzuur tot loodsulfaat en houdt daarbij twee negatief geladen elektronen over (Pb + H2SO4 = PbSO4 + 2H+ + 2e-). Het looddioxide reageert met de vrijgekomen waterstof en het aanwezige zwavelzuur tot water en loodsulfaat, waarbij het twee elektronen moet afstaan (PbO2 + 2H+ + H2SO4 + 2e- = PbSO4 + 2H2O). De loodplaat wordt dus negatief en de looddioxideplaat positief. Het spanningsverschil tussen de positieve en negatieve platen is bij een zuurconcentratie van 1,28 kg/l en een temperatuur van 25°C exact 2,12 Volt. Door een ‘batterij’ van zes van deze accumulatorcellen achter elkaar in serie te schakelen, telt dat op tot 12,72 Volt. Het geval dat dus in jouw motorfiets zit, is strikt genomen een batterij van accumulatoren. Puristen spreken dan ook niet over ‘een startaccu’, maar over een startbatterij.
Ni-cad
Er zijn in de loop der tijd meerdere soorten oplaadbare batterijen ontwikkeld, zoals de nikkel-cadmiumbatterij. Maar die is niet zo geschikt voor elektrisch vervoer. NiCd-batterijen kunnen weliswaar hoge stroomsterktes leveren, maar hebben een lage energiedichtheid. Cadmium is bovendien nogal giftig. Ook hebben NiCd-batterijen last van het beruchte geheugen- of memory-effect: als ze worden geladen voordat ze helemaal zijn ontladen, dan blijft een deel van de resterende lading ‘in het geheugen’. Dat deel is dan niet meer te ontladen en de batterij verliest capaciteit. NiCd’s moeten daarom altijd helemaal worden ontladen voor ze weer worden opgeladen. Dat heeft het fabeltje in de hand gewerkt dat dit voor alle oplaadbare batterijen geldt en dat is zeker niet waar. Andere soorten sloop je juist door ze helemaal te ontladen, net zoals de loodaccu en de accu in je laptop.
Techniek Hypermilen: zo haal je de meeste kilometers uit een liter benzine
Nikkel-metaal
Nikkel-metaalhydridebatterijen hebben geen memory-effect. Deze batterijen hebben een elektrolyt van kaliumhydroxide (KOH) en een anode van nikkelhydride (Ni(OH)2). De kathode is van een metaallegering, waarvoor diverse soorten metalen gebruikt worden. Deze accu’s kunnen al veel beter tegen diep ontladen dan een loodaccu. Toch wordt ook de levensduur van een NiMH korter naarmate hij vaker diep wordt ontladen. Voordeel van de NiMH-accu’s is dat ze in vergelijking met loodaccu’s vrij hoge vermogens kunnen leveren en dat ook de energiedichtheid, de energie die per kilo accugewicht kan worden geleverd, een factor twee hoger ligt. In basis levert een cel 1,2 Volt, waardoor er veel cellen in serie geschakeld moeten worden om de hoge spanning te kunnen leveren die voor een elektrische motorfiets nodig is. Of er moet een omvormer aan te pas komen. NiMH-accu’s werden onder andere gebruikt in de elektrische Vectrix-motorscooter.
Lithium-ion
De laatste jaren is de lithium-ionbatterij populair. Van alle materialen die er op de aardbol zijn, heeft lithium zo ongeveer de hoogst mogelijke ‘redox-potentiaal’, dat is de spanning die je tussen de twee elektroden krijgt. De lithium-ionaccu, zoals die in 1991 door Sony werd geïntroduceerd, werkt met een anode van lithium-kobaltdioxide (LiCoO2) en grafiet. Bij het ontladen migreren de lithium-ionen van deze anode door een elektrolyt naar de kathode, die van grafiet (LixC6) is gemaakt. Dat geeft een celspanning van 3,7 Volt. Maar de stabiliteit van dit element is niet zo goed. Bij temperaturen boven de 50°C dreigt brand- en ontploffingsgevaar. Goede koeling is dus essentieel, terwijl de cellen tijdens het ontladen niet te koud mogen worden, want dan gaat de energieopbrengst flink omlaag. Een ander probleem van deze batterij is de levensduur: die daalt als de batterij vaak diep wordt ontladen of te vol wordt geladen. Bij elektrische auto’s en motorfietsen worden ze vaak maar tot 40% ontladen en tot 80% geladen. Je gebruikt dus maar 40% van de capaciteit. De batterij van de Zero DRS-X kun je volgens het dashboard trouwens opladen tot 110%. Dat is 10% meer dan van de versie met de kleinere range. Geen 110% van de mogelijke capaciteit natuurlijk. Zero stretcht de werkelijk gebruikte capaciteit van de batterij en zoekt de grenzen dus iets meer op.
LiFePO4
De laatste jaren zien we ook de lithium-polymeerbatterij: dat is ook een lithium-ionbatterij, maar met een polymeer- of gel-elektrolyt. Deze versie is licht, maar heeft een kortere levensduur en een hoger brandrisico. Je ziet ze in drones en smartphones, eigenlijk niet in voertuigen. Je ziet in voertuigen wel steeds vaker een lithium-ijzerfosfaatbatterij (LiFePO4). Die heeft een lagere energiedichtheid, maar is stabieler. In auto’s vinden we vaak NMC-batterijen (nikkel-mangaan-kobalt). Dat laatste geeft een betere capaciteit. De capaciteit daarvan kan verder worden vergroot door de toevoeging van lithium. Kobalt wordt ook steeds vaker vervangen door andere elementen. Eerst was de verhouding kobalt, nikkel en mangaan gelijk (1-1-1), nu meer nikkel en minder mangaan en kobalt (8-2-2). Maar dat geeft steeds minder thermische stabiliteit.
Snelladen
Een probleem van al deze batterijsystemen is dat ze niet zo goed tegen snelladen kunnen. Het actieve materiaal kan maar beperkt lading opnemen of afstaan. Als je het te snel doet, krijg je weerstand en een hoge temperatuur. Daarmee kun je een accu beschadigen. De elektronica moet hem daartegen beschermen. Nu kun je de constructie van de batterij daar wel op aanpassen. Bij lithium-batterijen is het materiaal vaak op een folie aangebracht. Door het materiaal dunner op te brengen en meer laagjes toe te passen, heb je een groter contactoppervlak en kun je dus meer chemische reacties tegelijkertijd krijgen. Een hogere laadstroom dus. Maar door de extra laagjes heb je meer folie in je batterij en dus minder actief materiaal. Je hebt dus een kortere actieradius. Het is dus een trade-off. Hetzelfde geldt als je het actieve materiaal aanpast. Voor een betere stroomverdeling wordt er geleidende koolstof aan het kathodemateriaal toegevoegd. Maar dat kan geen lithium opslaan en dus heb je weer minder actief materiaal in je batterij. Een andere stap is om aan de anodekant nanodeeltjes silicium toe te voegen. Dat kan veel lithiumdeeltjes aanhechten. Het bedrijf Leyden Jar (Leidse fles) in Eindhoven/Leiden is dit nu aan het ontwikkelen.
Techniek Smart Theft Control: diefstalbeveiliging wordt “smart”
Solid State
Als je een grotere energie-inhoud wilt, moet je proberen om zoveel mogelijk actief materiaal in de beschikbare ruimte te stoppen en zo weinig mogelijk inactief materiaal. Gewone lithium-batterijen hebben anodes en kathodes op een folie, met daartussen een membraan en een elektrolyt. Dat neemt ruimte in en vertraagt de migratie van ionen. Bij een solid state-batterij zijn alle materialen als coatings op elkaar aangebracht, zonder vloeistof of gel. Dat vraagt andere productiemethoden, maar de winst is enorm: je kunt dan probleemloos naar de dubbele actieradius. Een ander voordeel van solid state is dat het conventionele elektrolyt brandbaar is en dat het brandgevaar met solid state dus sterk wordt verminderd. Er worden vaak keramische of sulfide-elektrolyten gebruikt die een hogere ionengeleiding mogelijk maken. Snelladen behoort dus in theorie tot de mogelijkheden, maar in de praktijk levert het nog problemen op. Het grote voordeel is op korte termijn alleen de hogere actieradius.
Ducati en Verge
Er zijn de afgelopen jaren veel start-ups geweest die met solid state aan de slag zijn gegaan. Autofabrikanten investeren ook in die bedrijven. QuantumScape ging een samenwerking met VW aan. Het is dus niet zo verrassend dat Ducati – dat eigendom is van Audi en daarmee van de Volkswagen Groep – met de solid state-batterij van QS komt. Ook Verge komt met een elektrische motorfiets, met een solid state-batterij van Donut Lab. Die heeft 400 Wh per kilo, met een levensduur van 100.000 cycli. Hij zou ook nog goedkoper zijn dan lithium-ion. De Verge zou er een actieradius van 600 km mee hebben en volledig opgeladen kunnen zijn in 10 minuten. Daarmee zou het alle benzinemotoren de loef afsteken en zou range anxiety tot het verleden behoren.
Foto’s: Peter Aansorgh
