Cost, volumetric energy density, and fast-charging projections of Na-ion and Li-ion batteries from a European perspective

De elektrische voertuigen die langzaam onze wegen hervormen, vertrouwen op één enkele, cruciale component: de batterij. Al meer dan een decennium wordt de industrie gedomineerd door lithium-ionbatterijen, die energie opslaan in cellen gemaakt van specifieke metalen zoals lithium, kobalt en nikkel. Deze batterijen zijn krachtig en efficiënt, maar ze zijn afhankelijk van materialen die duur en soms moeilijk te verkrijgen zijn. Terwijl de wereld ernaar kijkt om meer van haar transport te elektrificeren, zijn wetenschappers en ingenieurs begonnen met het zoeken naar een back-upplan. Een veelbelovend alternatief is de natrium-ionbatterij. In plaats van zeldzaam lithium gebruiken deze cellen natrium, een veelvoorkomend element dat in zout wordt gevonden, gecombineerd met andere overvloedige metalen zoals ijzer en mangaan. Het idee is dat als we batterijen kunnen bouwen van materialen die overal aanwezig en goedkoop zijn, we onze auto's voor minder geld kunnen aandrijven. Echter, alleen omdat een materiaal goedkoop is, betekent dit niet dat het eindproduct beter zal zijn. De echte test ligt in de vraag of deze nieuwe batterijen genoeg energie kunnen opslaan om een auto een lange afstand te laten rijden en snel genoeg kunnen opladen om in een druk leven te passen, terwijl ze tegelijkertijd minder kosten dan de lithiumversies die ze hopen te vervangen.

Een team van onderzoekers van Volkswagen en het Karlsruhe Institute of Technology in Duitsland besloot deze vraag te testen met een grondige, computergestuurde onderzoeksmethode. Ze hebben geen enkele fysieke batterij gebouwd in een laboratorium; in plaats daarvan construeerden ze een gedetailleerd digitaal model van het gehele productieproces. Ze simuleerden de creatie van bijna 4.500 verschillende batterijcelontwerpen, waarbij ze diverse materialen en productiemethoden combineerden en matchen om te zien hoe ze in de echte wereld zouden presteren. Hun doel was om het perfecte evenwicht te vinden tussen drie concurrerende factoren: de kosten voor het maken van de batterij, de hoeveelheid energie die het in een bepaalde ruimte kan bevatten, en hoe snel het kan worden opgeladen. Ze richtten zich specifiek op twee soorten batterijen: de huidige standaard, die een lithium-gebaseerd materiaal gebruikt genaamd LFP, en de opkomende uitdager, de natrium-ionbatterij, die een gelaagd metaaloxide en een hard koolstofmateriaal gebruikt voor de negatieve zijde.

De onderzoekers voerden hun simulaties uit over drie verschillende productiescenario's om te begrijpen hoe geografie de uitkomst beïnvloedt. Ze modelleerden een scenario waarin alles in China wordt gemaakt, een scenario waarin de grondstoffen uit China komen maar de uiteindelijke assemblage in Europa plaatsvindt, en een scenario waarin de volledige toeleveringsketen binnen Europa is opgebouwd. Deze aanpak was cruciaal omdat de kosten van energie, arbeid en grondstoffen aanzienlijk variëren tussen deze regio's. De resultaten schetsen een duidelijk, zij het enigszins complex, beeld. De simulaties lieten zien dat natrium-ionbatterijen inderdaad zo gemaakt kunnen worden dat ze evenveel kosten als de beste lithium-ionbatterijen, maar alleen als de prijs van lithiumcarbonaat aanzienlijk stijgt of als de natriumbatterijen verdere verbeteringen ondergaan. In de huidige markt, waar de lithiumprijzen zijn gedaald, hebben de natriumbatterijen geen natuurlijk kostenvoordeel.

Toen de onderzoekers naar de fysieke prestaties van deze gesimuleerde cellen keken, was een afweging onvermijdelijk. Om de natrium-ionbatterijen goedkoop genoeg te maken om te kunnen concurreren, moest het ontwerp ruimte en snelheid opofferen. De natriumcellen waren in staat om de kosten van hun lithiumrivalen te evenaren, maar ze konden niet evenveel energie in hetzelfde volume verpakken. Dit betekent dat een auto die deze batterijen gebruikt, ofwel zwaarder zal zijn, ofwel een korter rijbereik heeft voor dezelfde grootte van de batterijset. Bovendien waren de oplaadtijden langer. Het materiaal dat voor de negatieve zijde van de natriumbatterij wordt gebruikt, bekend als hard koolstof, heeft een structuur die het moeilijker maakt voor ionen om er snel doorheen te bewegen in vergelaging met het grafiet dat in lithiumbatterijen wordt gebruikt. Dit creëert een flessenhals tijdens het snel opladen, waardoor de batterij langzamer moet worden opgeladen om schade te voorkomen. De studie vond dat zelfs met geavanceerde ontwerpen, de natriumbatterijen moeite hadden om de snelle oplaadsnelheden te bereiken die moderne bestuurders van elektrische voertuigen verwachten.

De locatie van productie speelde een enorme rol in de definitieve cijfers. De meest betaalbare optie in elke simulatie was om de volledige toeleveringsketen in China te produceren en de afgewerkte cellen naar Europa te importeren. Het verplaatsen van de uiteindelijke assemblage van de batterijcellen naar Europa, terwijl de grondstoffen nog steeds worden geïmporteerd, verhoogde de kosten met ongeveer tien tot veertien procent. Als Europa zou proberen een volledig onafhankelijke toeleveringsketen op te bouwen, waarbij alle materialen lokaal worden gewonnen en verwerkt, zou de kostprijs met bijna vijfentwintig procent stijgen. Deze hoge kosten worden gedreven door de hogere prijzen voor energie en arbeid in Europa, evenals het gebrek aan een gevestigd industrieel netwerk voor deze specifieke materialen. De studie suggereert dat Europa, om op kosten te kunnen concurreren met Chinese importen, ofwel hogere prijzen moet accepteren, ofwel een manier moet vinden om haar eigen productiekosten drastisch te verlagen.

De onderzoekers keken ook nauwgezet naar de materialen zelf om te ontdekken waar het geld aan wordt uitgegeven. Ze ontdekten dat de harde koolstof die in de natriumbatterijen wordt gebruikt, momenteel een belangrijke kostenfactor is. Hoewel het vaak wordt gepresenteerd als een goedkoop alternatief voor grafiet, zijn de specifieke soorten harde koolstof die in deze simulaties worden gebruikt, vaak afgeleid van kokosnootschillen geïmporteerd uit Zuidoost-Azië, duur om te verwerken en te zuiveren. De simulaties gaven aan dat, tenzij Europa of China in staat is om grootschalige, lokale productie van harde koolstof te ontwikkelen uit goedkopere, binnenlandse bronnen zoals houtafval of bamboe, het kostenvoordeel van natriumbatterijen een illusie zal blijven. Daarnaast gebruikt de positieve zijde van de natriumbatterij nikkel, een metaal dat onderhevere staat aan dezelfde prijsvolatiliteit als het lithium in traditionele batterijen. Dit betekent dat de belofte dat natriumbatterijen immuun zijn voor schommelingen in de grondstofprijzen niet geheel waar is; ze wisselen simpelweg het ene dure metaal in voor het andere.

Ondanks deze hindernissen sluit de studie de toekomst van natrium-iontechnologie niet uit. De simulaties toonden aan dat als de prijs van lithium weer zou stijgen naar de niveaus van voorgaande jaren, natriumbatterijen onmiddellijk de goedkopere optie zouden worden. Bovendien identificeerden de onderzoekers dat het verbeteren van de energiedichtheid van de natriumcellen — het maken van ze in staat om meer vermogen in minder ruimte op te slaan — hen veel concurrerender zou maken, vooral in Europese fabrieken waar de productiekosten hoog zijn. De studie suggereert dat Europa potentieel een voet aan de grond kan krijgen in deze technologie door gebruik te maken van haar bestaande expertise in de productie van andere soorten batterijen en die lijnen aan te passen voor natrium-ionproductie. Deze weg vereist echter aanzienlijke investeringen en een bereidheid om te accepteren dat de technologie nog geen perfecte 'drop-in replacement' is voor de huidige lithiumstandaard.

Uiteindelijk biedt het werk een realistisch stappenplan voor de volgende tien jaar van batterijontwikkeling. Het bevestigt dat hoewel natrium-ionbatterijen een levensvatbaar en noodzakelijk onderdeel zijn van de toekomstige energiemix, ze geen magische oplossing zijn die onmiddellijk de kosten of prestaties zal verbeteren. Het zijn andere instrumenten met verschillende sterktes en zwaktes. Om de technologie te laten slagen, moeten fabrikanten de uitdagingen van de productie van harde koolstof oplossen en de snelheid verbeteren waarmee deze cellen kunnen opladen. Totdat die technische problemen zijn opgelost, blijft de lithium-ionbatterij de dominante kracht, met natrium-ion in de wachtkamer, klaar om in te springen als de economie van de markt verschuift of als de technologie voldoende volwassen is om het gat te dichten. De studie dient als een herinnering dat er in de wereld van batterijtechnologie geen afkortingen bestaan, alleen zorgvuldige afwegingen tussen kosten, energie en snelheid.