Batterijen dekken de lading in de energieopslag 

Batterijen zijn inrichtingen die energie kunnen opslaan en op verzoek vrijgeven. Waar gewone batterijen elektriciteit opwekken door de directe omzetting van chemische energie, illustreert de pompcentrale Nant de Drance het energieconcept heel duidelijk als “waterbatterij”. Gelegen op grote hoogte in de Zwitserse Alpen heeft de centrale een elektrische opslagcapaciteit van meer dan 400.000 elektrische-autobatterijen.

Deze waterbatterij maakt gebruik van hydroelektrische generatoren en twee reservoirs, een hoger en een lager gelegen. Tijdens piekuren wordt er water van het hoger gelegen reservoir gebruikt voor het opwekken van elektriciteit. Als er te veel elektriciteit wordt geproduceerd, wordt het water teruggepompt en opgeslagen voor toekomstig gebruik. 

Hoewel het een boeiend model is, verschilt de waterbatterij van gewone, draagbare batterijen voor het leveren van een aanzienlijk deel van het alledaagse moderne leven. Conventionele batterijen zijn elektrochemische cellen of een aantal cellen die elektrische stroom kunnen produceren. 

Er zijn weinig technologieën belangrijker bij de behoefte van de industrie om kooldioxide-emissies te reduceren dan elektrochemische batterijen. Ze drijven elektrische voertuigen aan, slaan elektriciteit van zonnepanelen en windturbines op en stabiliseren het elektriciteitsnet. Bij de laatste twee toepassingen zijn batterijen essentieel voor het economisch opschalen van hernieuwbare energiebronnen. 

Door de unieke milieu-effecten van batterijen, inclusief de winning, afvoer en de gehele levenscyclus van het product is een grondige analyse vereist. Dit voorkomt dat door de energietransitie niet het ene pakket problemen voor het milieu wordt vervangen door een ander dat net zo slecht is.

Elektrochemische celbatterijen worden in drie hoofdklassen ingedeeld: primair, secundair en tertiair, met verschillende celconstructies binnen deze brede categorieën. Het gebruik van verschillende metalen en elektrolyten binnen deze classificaties levert eigenschappen die geschikt zijn voor diverse soorten eindgebruik.

Primaire celbatterijen zijn batterijen voor eenmalig gebruik, die niet opnieuw kunnen worden opgeladen en na gebruik moeten worden weggegooid. Deze worden vaak gebruikt in draagbare apparaten zoals zaklampen en andere grote elektronische toestellen. Voorbeelden zijn droge cellen, alkalinebatterijen, zink-koolstofcellen en primaire lithiumcellen.

Alkalinebatterijen zijn de meest populaire batterijen voor eenmalig gebruik. Als meest economische categorie behouden deze niet-oplaadbare batterijen een consistente ontladingssnelheid tijdens hun levensduur en leveren ze betrouwbare prestaties. Hoewel ze makkelijk zijn, zijn alkalinebatterijen niet milieuvriendelijk doordat ze slechts voor eenmalig gebruik zijn.

Oplaadbare batterijen, ook wel secundaire batterijen genoemd, kunnen talloze keren opnieuw worden opgeladen en gebruikt. In tegenstelling tot primaire batterijen die voor eenmalig gebruik zijn bedoeld, maken ze gebruik van een extern elektrisch potentieel om de chemische ontlaadreactie om te keren, waardoor ze vaker kunnen worden gebruikt. Deze cellen zijn er in diverse chemische configuraties, zoals lood-zuur, nikkel-cadmium (Ni-Cd), nikkel–metaalhydride (Ni-MH) en lithium-ion (Li-ion). Oplaadbare batterijen zijn doorgaans duurder dan primaire batterijen en een aantal zijn gevoelig voor oververhitting, waardoor brand of een explosie zou kunnen ontstaan.

Tertiaire batterijen zijn het minst bekende type batterij. In tegenstelling tot primaire en secundaire batterijen zijn hun cellen gescheiden van andere componenten totdat ze gebruikt gaan worden. De elektrolyt is de meest geïsoleerde component.

Reservebatterijen elimineren effectief de mogelijkheid van zelfontlading en minimaliseren chemische achteruitgang. De meeste reservebatterijen zijn van het thermische type en worden vrijwel uitsluitend voor militaire toepassingen gebruikt.

In dit artikel gaat de aandacht naar oplaadbare lithium-ion (Li-ion) batterijen, die het meest worden gebruikt.

Li-ion-batterijen wordt het meest gebruikt in velerlei toepassingen vanwege hun lange levensduur, hoge energiedichtheid en gunstige spanningseigenschappen. De lange lijst bevat onder andere hoorapparaten, mobiele telefoons, computers, e-bikes, elektrische voertuigen en zelfs energieopslag voor elektriciteitsnetten op grote schaal.

Voor Li-ion-batterijen worden doorgaans verschillende materialen gebruikt voor de anode (negatieve electrode) en kathode (positieve elektrode). Als elektrode kan elk geleidend materiaal worden gebruikt, zoals bijvoorbeeld metalen, halfgeleiders, grafiet of geleidende polymeren.

De materialen van de positieve elektrode zijn van grote invloed op de prestaties, cyclus en levensduur van Li-ioncellen. De elektrolyt transporteert positief geladen lithium-ionen tussen anode en kathode, terwijl de separator de stroom elektronen in de batterij blokkeert, zodat de lithium-ionen kunnen passeren.

Bij de negatief geladen anode vindt een oxidatiereactie plaats waarbij elektronen vrijkomen die in de richting van het externe gedeelte van het circuit bewegen. Bij de meeste lithium-ion-batterijen wordt een grafietmix als anodemateriaal gebruikt — een combinatie van natuurlijk grafiet gewonnen uit de aarde en synthetisch grafiet, dat wordt verkregen door het verhitten van petroleumcokes. Dit mengsel heeft een gelaagde structuur, waardoor de lithiumionen de lagen kunnen binnendringen tijdens het laden en verlaten tijdens het ontladen.

De kathode is de positieve elektrode van een cel waar een reductieve chemische reactie plaatsvindt. Bij Li-ion-batterijen worden diverse materialen voor de kathode gebruikt, waaronder lithiumkobaltoxide, lithiumijzerfosfaat en lithiumnikkelmangaankobaltoxide. Deze materialen kunnen lithiumionen in hun kristalstructuur aannemen en afgeven tijden laad- en ontlaadcycli.

Fabrikanten van Li-ion-batterijen moeten mineralen van hoge kwaliteit en uitzonderlijkheid gebruiken. Zodoende komt meer dan de helft van de kosten voor het vervaardigen van Li-ion-batterijen voor rekening van de kathode en anode. Voor het monteren van de kathode, separator, anode en stroomcollectors moet ook zeer nauwkeurig te werk worden gegaan, onder andere bij het aanbrengen van afzonderlijke lagen en wikkelen.

Li-ion-batterijen bestaan nu ongeveer 30 jaar en hebben in deze periode een exponentiële groei doorgemaakt.

Andere chemische samenstellingen van oplaadbare batterijen, zoals lood-zuur, Ni-Cd en Ni-MH, bestaan echter al meer dan honderd jaar. Elke heeft haar eigen voordelen en nadelen, zoals hierna wordt toegelicht.

Lood-zuurbatterijen bestaan al sinds het eind van de 19e eeuw en worden nog steeds veel gebruikt. Deze batterijen zijn rendabel, recycleerbaar en hebben geen complexe batterijbeheersystemen nodig voor onderhoud. Ze hebben echter een lage energiedichtheid en een beperkte levensduur vergeleken met andere typen. Lood-zuurbatterijen worden gebruikt voor aandrijving van rolstoelen, golfcarts, noodverlichting en auto's met verbrandingsmotor. Doordat ze lood bevatten, een bekende giftige stof, moeten ze professioneel worden afgevoerd aan het eind van hun levensduur.

Ni-Cd-batterijen bestaan uit nikkeloxidehydroxide, metallisch-cadmium-elektroden en een alkalinekaliumhydroxide-elektrolyt. Een van de primaire voordelen is de mogelijkheid van het snelladen, maar het nadeel is de ermee gepaard gaande hoge zelfontlading. Bovendien is cadmium, net als lood, giftig.

Ni-MH-batterijen leveren marginale verbeteringen ten opzichte van Ni-Cd, onder andere een stijging van 30% in ladingsdichtheid per volume en een veel lagere zelfontlading. Ze hebben wel meer tijd nodig om op te laden en als ze vaker worden opgeladen gaat de capaciteit achteruit.

Vergeleken met de chemische samenstellingen van andere secundaire batterijen zijn Li-ion-batterijen een moderne oplaadbare ontwikkeling. Ze zijn een ongeëvenaarde combinatie van hoge energiedichtheid en vermogensdichtheid alsmede een superieure energie-gewichtsverhouding vergeleken met de drie voorgaande typen. Li-ion-batterijen zijn echter zeer brandgevaarlijk, waardoor een beschermingscircuit en voorzichtige omgang vereist is.

Nieuwe generaties van geavanceerde Li-ion-batterijen zijn in ontwikkeling. Bijvoorbeeld lithium-zwavel-batterijen, waarbij de lithiumanode wordt verbruikt en zwavel wordt omgezet in diverse chemische verbindingen. Vastestofbatterijen hebben ook potentieel, maar dit concept moet eerst uit het laboratorium komen voordat het commercieel haalbaar is.

In onze grote energietransitie raakt de toekomst van batterijen ons allemaal. Dit betreft de gebruikte materialen, waar de metalen worden gewonnen en gedolven en hoe deze mineralen worden afgevoerd of, bij voorkeur, worden hergebruikt. Bij de duurzame batterij-ontwikkeling moet rekening worden gehouden met de delicaatheid van grondstoffen en goed worden nagedacht over de winning, verwijdering en het uiteindelijke hergebruik van deze mineralen.