Waar zijn batterijen voor elektrische auto's van gemaakt?

De meeste batterijen voor elektrische auto's zijn gemaakt van verschillende hoeveelheden lithium-ion, kobalt, nikkel, mangaan, silicium en elektrolyten. Daarbinnen zitten batterijcellen, die bestaan uit de anode en kathode, de separator, de elektrolyt en de positieve en negatieve stroomverzamelaars (denk aan de platte kant en de kant met de bobbel in een AA-batterij). Maar wat betekent dat precies? Waarom lithium? Welke ionen? Vrees niet — we zijn hier om uit te leggen waar batterijen voor elektrische auto's van gemaakt zijn.

Om te beginnen, laten we vaststellen dat, hoewel een Tesla-batterij en een Chevrolet Bolt-batterij beide lithium-ionbatterijen zijn, dat niet betekent dat ze op dezelfde manier zijn gemaakt. De chemie van de batterij heeft een enorme impact op de manier waarop een batterijpakket oplaadt en ontlaadt, hoe het warmte beheert, hoeveel energie elke cel in het batterijpakket kan opslaan en wat elke cel kost. Daarom proberen batterijfabrikanten zoals Panasonic, CATL, Samsung SDI en LG altijd hun chemie te tweaken om de beste prestaties en de laagste kosten te krijgen.

De exacte recepten voor de batterijcellen van de meeste fabrikanten zijn geen openbare informatie, aangezien elk bedrijf zijn eigen formule heeft. Toch zijn de basisingrediënten min of meer hetzelfde, dus laten we opsplitsen wat ze zijn en wat ze doen, te beginnen met lithium.

Lithium

Het lithium in een lithium-ion ("Li-ion" voor kort) batterij vormt de kathode en anode, oftewel de positieve en negatieve kanten van een batterijcel. De lithiumionen bewegen zich in de positieve kant van de cel (kathode) en genereren elektronen die, negatief geladen, naar de negatieve kant (anode) van de batterij willen, maar dat niet kunnen vanwege de separator tussen de kathode en anode. Dit betekent dat de elektronen uit de positieve kant van de batterij stromen, door uw apparaat, het van stroom voorzien, en dan terug naar de anode.

Het lithium in de cel is geen puur elementair lithium, omdat het veel te reactief is met andere elementen om veilig te zijn. In plaats daarvan wordt het gebruikte lithium gebruikt in de vorm van een lithiummetaaloxide, dat het mengsel stabiliseert. In de meeste gevallen gebruiken fabrikanten lithiumkobaltoxide aan de kathodekant van de batterij en lithium-koolstofverbindingen aan de anode.

Kobalt

Kobalt wordt in batterijen gebruikt om twee hoofdredenen. Ten eerste biedt het een uitstekende energiedichtheid, wat betekent dat hoe meer kobalt een batterijcel gebruikt (tot op zekere hoogte), hoe meer elektriciteit deze kan opslaan. Het andere voordeel is dat kobalt de thermische stabiliteit van een batterijcel verhoogt. Waarom is thermische stabiliteit belangrijk? In ons gerelateerde artikel over branden in elektrische auto's merkten we op dat hoe minder een batterij reageert op temperatuurveranderingen, hoe minder vatbaar deze is voor thermische runaway, en dus minder vatbaar is voor het uitbarsten in een moeilijk te blussen lithiumbrand.

De overmatige afhankelijkheid van kobalt heeft wel zijn nadelen. Kobalt wordt beschouwd als een zeldzaam aardelement, en zoals de naam al aangeeft, komt het niet erg vaak voor. Dat maakt het duur om te verkrijgen. Het wordt ook vaak aangetroffen in regio's die te lijden hebben onder veel politieke en maatschappelijke instabiliteit, wat kan leiden tot wilde prijsschommelingen en aanzienlijke mensenrechtenschendingen door mijnbouwbedrijven en de landen waarin ze actief zijn.

Deze problemen hebben batterijfabrikanten ertoe aangezet om te proberen de hoeveelheid kobalt in hun chemie te verminderen. Ze compenseren het kobalt met nikkel, dat aanzienlijk goedkoper en minder zeldzaam is, maar ook zijn nadelen heeft.

Nikkel

Nikkel wordt in batterijen gebruikt om de energiedichtheid van een cel te verhogen, vergelijkbaar met kobalt. In tegenstelling tot kobalt kan nikkelrijke batterijcellen echter problemen hebben met microcracks op het oppervlak van de kathode. Dit kan leiden tot prestatieverlies in een kortere tijd dan een batterij met minder nikkel en meer kobalt.

Er zijn nog steeds veel voordelen aan het gebruik van nikkel. Ten eerste wordt het verkocht voor ongeveer $18.000 tot $21.000 per ton, vergeleken met kobalt, dat regelmatig voor meer dan $30.000 per ton gaat en grotere prijsschommelingen heeft. Vervolgens kunnen die microcracks die prestatieverlies veroorzaken, worden verminderd door een "gradiënt" in de kathodeconstructie te gebruiken. Dit betekent dat het midden van de kathode voornamelijk nikkel is, en dat er vervolgens andere metalen met verschillende prestatiekenmerken overheen worden gelaagd.

Mangaan

Het derde hoofdingrediënt in veel batterijchemie is mangaan. Terwijl nikkel en kobalt samenwerken met lithium om de energieopslag te verhogen, houdt mangaan alles bij elkaar en stabiel. Het is een structurele toevoeging en wordt als zodanig in kleinere percentages gebruikt dan nikkel of kobalt.

Silicium

Silicium wordt in de anode gebruikt naast lithium en koolstof om de energiedichtheid te verhogen. Wanneer u de energiedichtheid aan de positieve kant van de cel verhoogt met nikkel en kobalt, hebben die elektronen een plek nodig om naartoe te gaan na hun reis door de motoren van uw EV. Silicium is geweldig omdat het stabiel, goedkoop is en ongeveer 10 keer zoveel elektronen kan bevatten als grafiet.

Elektrolyt

Zonder een elektrolyt in een batterijcel zou er geen manier zijn voor elektronen om van de anode naar de kathode te bewegen tijdens het opladen. Het is de geheime saus die de hele batterij laat werken. Er zijn verschillende soorten elektrolyten en de chemie kan complex worden, maar ze vallen uiteen in een paar verschillende families.

Waterige oplossingen zijn vloeibaar, terwijl niet-waterige oplossingen dat niet zijn. Dan hebben we ionische vloeistoffen, die temperatuurstabieler zijn en betere overdrachtseigenschappen hebben dan organische waterige en niet-waterige oplossingen. Vervolgens zijn er polymerelektrolyten, die kunststoffen als bindmiddel gebruiken. Ten slotte hebben we hybride elektrolyten, die hybriden zijn van de andere typen.

Separator

De hoofdtaak van de separator in een cel is om kortsluiting te voorkomen door de kathode en anode te scheiden. De separator is meestal gemaakt van microporeus plastic en laat een zekere elektronenstroom van de kathode rechtstreeks naar de anode toe, wat bekend staat als zelfontlading. Dit is normaal, maar wanneer een cel te heet wordt, fungeert de separator als een soort zekering voor de cel. Het plastic in de separator smelt en die microporiën sluiten zich, waardoor de ene kant van de cel volledig wordt afgescheiden van de andere en hopelijk een vervelende brand wordt voorkomen.

Edmunds zegt

Er gebeurt veel geavanceerde chemie in de batterij van een elektrische auto. Omdat veel EV-batterijen afhankelijk zijn van zeldzame aardmetalen, vormen ze het duurste onderdeel van het voertuig en zijn ze een van de redenen waarom de adviesprijzen hoog blijven.