16/10/2023
Door Liam van Koert
Een nieuw milieurapport van de Fraunhofer FFB gaat over natrium-ion-accu's als alternatieve accutechnologie. Onderzocht worden zowel de technologische eigenschappen van de accu als het in kaart brengen van de productie van materialen en cellen en de opkomst van gebruikersmarkten. Het milieurapport is opgesteld als onderdeel van het overkoepelende "FoFeBat"-project dat wordt gefinancierd door de BMBF.
De vraag naar lithium-ionbatterijen (LIB) groeit snel. Volgens een studie van het Fraunhofer Institute for Systems and Innovation Research ISI zal de jaarlijkse vraag tegen 2040 naar verwachting stijgen tot 6.000 GWh per jaar. Om aan deze enorme vraag naar batterijopslagcapaciteit of batterijcellen te kunnen voldoen, is niet alleen een groot aantal batterijcelfabrieken nodig, maar ook een zekere, economische en duurzame aanvoer van grondstoffen. Met het oog op de grote vraag naar lithium en de daarmee samenhangende uitdagingen bij de aanschaf, is de vraag naar alternatieve batterijtechnologieën waarvoor geen lithium nodig is, uiterst relevant.
In de zoektocht naar alternatieven zijn uitgebreide activiteiten in onderzoek en industrie vooral duidelijk met betrekking tot natrium-ion batterijen (NIB of natrium-ion batterijen, SIB). Hierin wordt het zeldzame lithium vervangen door natrium, dat wereldwijd ruim beschikbaar is. Verschillende nieuwe industriële spelers, ook bekend van de LIB-productie, produceren al prototypes of zijn al begonnen met de NIB-productie. Volgens de celfabrikanten bedraagt de wereldwijd aangekondigde productiecapaciteit voor NIB-cellen 75 GWh tegen 2030.
In het onlangs gepubliceerde milieurapport, dat is opgesteld in samenwerking met het Fraunhofer Institute for Production Technology IPT, de leerstoel PEM van de RWTH Aachen University en het Fraunhofer Institute for Systems and Innovation Research ISI, worden eerst de huidige onderzoeksactiviteiten en bijbehorende patenten en publicaties in Europa en wereldwijd onderzocht. Het rapport richt zich vervolgens op de kenmerken van de industriegroepen (1) grondstofwinning en materiaalontwikkeling of -productie, (2) celontwikkeling en -productie, en (3) toepassingen en integratieconcepten. Voor elke groep worden de huidige innovaties of doelstellingen, de O&O-uitdagingen en de onderzoeks- en industriële spelers in het veld geanalyseerd. De mate waarin de verschillende innovatiepaden van de Fraunhofer FFB de industrie kunnen ondersteunen bij het oplossen van O&O-uitdagingen op de drempel van industriële toepasbaarheid van procestechnologieën kan ook worden getraceerd in het rapport.
Waarin verschillen NIB-cellen van LIB-cellen?
NIB-cellen worden gekenmerkt door een goede beschikbaarheid van grondstoffen, veiligheid en mogelijkheid tot diepe ontlading. Wat materialen betreft, is natrium in Duitsland in bijna onbeperkte hoeveelheden en dus tegen lage kosten beschikbaar, bijvoorbeeld in de vorm van natriumchloride, d.w.z. keukenzout, of natriumcarbonaat (soda). De grotere beschikbaarheid van natrium als grondstof (in vergelijking met lithium) maakt het dus een gemakkelijk toegankelijke en potentieel schaalbare uitgangsgrondstof voor energieopslagsystemen. Natrium heeft echter niet zo'n hoge energiedichtheid als lithium. Dit betekent dat de NIB-cel minder energie kan leveren dan een vergelijkbare LIB-cel. Daarom is het onderzoek momenteel gericht op het verhogen van de energiedichtheid.
Welke toepassingsgebieden zijn mogelijk voor NIB-cellen?
De reeks marktvoorspellingen voor NIB die in het milieurapport is geanalyseerd, is zeer breed. De technologische vooruitgang is voor een groot deel te danken aan Aziatische bedrijven. Op de middellange termijn zullen NIB's de prestatiekenmerken van LIB's niet evenaren. Ze kunnen echter wel hun kracht tonen, vooral op het gebied van stationaire energieopslag en cilindrische batterijcellen die worden gebruikt voor kleinere apparaten en elektrisch gereedschap. "De lithium-ionbatterijen die al klaar zijn voor de markt hebben een aanzienlijk hogere massagerelateerde energiedichtheid, dus ze kunnen een breder scala aan toepassingen aan. De twee technologieën concurreren echter geenszins met elkaar, maar bedienen synergetisch een sterke groeimarkt. Vooral voor stedelijke mobiliteitsoplossingen en thuisopslag kunnen natrium-ion accu's een aantrekkelijke oplossing zijn vanwege hun potentieel lagere prijs," legt Dr. Moritz Schaefer, onderzoeksmedewerker in de groep "Materials" bij Fraunhofer FFB, uit.
Samenwerking Europese industrie en onderzoeksinstellingen noodzakelijk
Dr. Florian Degen, divisiemanager voor strategie en bedrijfsontwikkeling bij Fraunhofer FFB, wijst op de noodzaak van verdere financiering en uitbreiding van O&O-activiteiten om de toegang tot een onafhankelijke Europese markt mogelijk te maken: "In Duitsland en Europa zijn de voorwaarden voor het succes van natrium-ion accu's aanwezig. Hoe de prijzen en de toeleveringsketen voor LIB-materialen zich in de toekomst ontwikkelen, zal doorslaggevend zijn voor de ontwikkeling van een NIB-industrie. Het is nu des te belangrijker om de samenwerking tussen industrie en onderzoek te bevorderen, zodat Duitse fabrikanten al in een vroeg stadium kunnen beginnen met de productie van natrium-ion-accu's en deze technologie als aanvulling kan dienen op de batterijmarkt."