Onderzoek nodig naar alternatieven voor batterijen met schaarse grondstoffen

Gepubliceerd op 27 juni 2019

Als we van automobilisten verwachten dat ze overschakelen van fossiele brandstoffen naar elektrisch rijden, dan stuiten we al snel op een groot probleem: belangrijke grondstoffen voor autobatterijen – zoals kobalt – worden steeds schaarser. Recycling wordt cruciaal.


Tekst Arjen van der Sar

Fotografie headerfoto Maarten Noordijk

Erik Kelder

Erik Kelder

Erik Kelder is universitair hoofddocent aan de faculteit Toegepaste Natuurwetenschappen van de TU Delft. Kelder verricht zijn werk in de sectie Storage of Electrochemical Energy van de afdeling Radiation Science & Technology.

We weten het al sinds de Club van Rome z’n visie lanceerde. Met de groei van de wereldbevolking en de welvaart neemt ook de behoefte aan primaire grondstoffen toe. De relatieve schaarste, met stijgende prijzen, geldt nog nadrukkelijker voor grondstoffen die een rol spelen in de technologie van nu. Dat gold al voor coltan, gebruikt in smartphones, maar zeker ook voor kobalt, een grondstof die in de snelgroeiende industrie van autobatterijen wordt gebruikt. Kobalt, dat onder meer in centraal Afrika wordt gewonnen, is nu al schaars, maar hoe moet het straks als de wereld op grote schaal overschakelt op elektrisch rijden? Erik Kelder, hoofddocent en batterij-expert aan de Technische Universiteit Delft, plaatst meteen een kanttekening bij ‘schaars’.

“Stoffen als kobalt zijn niet zo schaars als men wil doen geloven. Alsof Congo de enige plek op aarde is waar deze grondstof is te vinden. De realiteit is dat kobalt op verschillende plaatsen gedolven werd. Veel mijnen, onder meer in Australië en Canada hebben hun deuren gesloten, omdat ze niet konden concurreren met Congo. Dat komt voor een belangrijk deel doordat het in Afrika (het moet gezegd worden) onder voor mensen ongunstige omstandigheden en voor een prikkie wordt gedolven. Als de schaarste toeneemt en de prijs stijgt, verwacht ik dat andere mijnen weer opengaan.”

“Stoffen als kobalt zijn niet zo schaars als men wil doen geloven”

Wat is de functie van kobalt in batterijen?

“Het is een zogeheten overgangsmetaal dat in staat is lading op te slaan in de vorm van elektronen. Er zijn veel meer overgangsmetalen die dat kunnen, zoals titaan, mangaan en nikkel. Dat zijn metalen die beter beschikbaar zijn en een betere prijs hebben. Gelukkig staren fabrikanten zich niet blind op kobalt – er zijn al batterijsystemen op basis van lithium ijzerfosfaten. Die werken waarschijnlijk net zo goed, maar de productie is nog iets duurder dan bijvoorbeeld die van lithium-ion batterijen die inmiddels gemeengoed zijn. Ook is de techniek minder getest, waardoor de automotive sector het nog niet als volwaardig alternatief kan inzetten. We weten bijvoorbeeld niet hoe lang de nieuwe batterijtypen mee gaan. Het zal nog jaren van testen kosten voordat we ze mogelijk in auto’s gaan terugzien.”

Hoe snel gaan de ontwikkelingen voor de nieuwe batterijtechnieken?

“Gelukkig zijn er veel interessante ontwikkelingen. Er worden bijvoorbeeld ook mangaanoxides in nieuwe batterijconcepten toegepast, waaraan een kleine hoeveelheid nikkel is toegevoegd. De grote vraag is of zulke stoffen zich eenvoudig laten stabiliseren. De zoektocht naar alternatieven voor kobaltoxide in elektrische voertuigen is ook ingegeven door veiligheidsoverwegingen. Bij brand kan kobalt snel verder reageren en de situatie laten escaleren, reden waarom sommige fabrikanten graag een veiliger alternatief zouden hebben.”

Hoeveel vaart zet de auto-industrie achter de ontwikkeling?

“Er wordt serieus aan gewerkt, dat is zeker. Als je de eerste bent met technologie, dan loop je risico’s. Blijkt je product goed te werken, dan kan je als fabrikant een voorsprong hebben, zoals Tesla die met zijn batterijen heeft. Tesla kan de vraag niet aan.”

Intussen zullen we het ook van recycling van autobatterijen moeten hebben.

“Een batterijpakketje bestaat uit eenheden – cellen – van 18 millimeter bij 6,5 centimeter in een metalen behuizing. Om te recyclen moet je die uit elkaar halen, wat niet eenvoudig is. De praktijk is dat de cilinders bij bedrijven als Umicore in België de smelter ingaan, waarbij verschillende grondstoffen worden teruggewonnen. Een duur proces, maar de opbrengst is de moeite waard – het gaat om kobalt. Het wordt anders als we op den duur overstappen op een ander, goedkoper overgangsmetaal. Het is de vraag of recycling dan nog net zo aantrekkelijk is.”

Een Chinees onderzoeksteam meldde onlangs trots dat het een nieuwe calcium-ionenbatterij heeft ontwikkeld die mogelijk de alomtegenwoordige lithium-ion batterij kan vervangen. De betrokken wetenschappers zeggen dat hun calcium-ion batterij lagere productiekosten, een hogere power density en een langere levensduur heeft. Is dit echt een doorbraak?

“Dit is niet nieuw. Wij zijn in Delft volgens hetzelfde principe bezig met een magnesium-ion batterij en het verder verbeteren van Li-ionbatterijen. Net als de calcium-ion batterij kunnen deze systemen een iets hogere energiedichtheid hebben, met betere eigenschappen. Dat maakt het mogelijk om een aantal inactieve materialen weg te laten, waardoor de batterij ook lichter wordt. Daarmee kan je rond twintig procent capaciteit winnen. Helaas zal deze batterij de eerstvolgende twintig jaar nog niet breed worden toegepast. Doorontwikkelen kost tijd en daarna moet de batterij nog talloze testprogramma’s doorlopen. Autofabrikanten willen geen tweede Galaxy S7, de smartphone die in brand kon vliegen, op hun geweten hebben.”

Er lijkt dus nog volop ontwikkelruimte voor batterijen.

“Zeker, en dat moet ook, willen we elektrisch rijden daadwerkelijk verder brengen. Om die reden heeft de EU ook terecht aangestuurd op een gezamenlijke Europese research ontwikkeling op het gebied van batterijen. Een belangrijke stap. Daarmee toont Brussel, met het initiatief voor een Europabreed onderzoeksprogramma, meer visie dan de Nederlandse overheid. Ik moet eerlijk zeggen dat ik daar behoorlijk gefrustreerd over ben.”

“Ik pleit ervoor dat Nederland de zoektocht naar elektriciteitsopslag verheft tot hoofdzaak in plaats van bijzaak”

Hoe dat zo?

“Op de Nederlandse wetenschapsagenda heeft, ondanks veel goede wil van wetenschappers en ondernemers, het batterijonderzoek geen prioriteit, terwijl er grote kansen liggen voor de hightech industrie in Nederland. Een aanvraag om een voorstel daartoe te mogen indienen is door reviewers van NWO, de Nederlandse Organisatie voor Wetenschappelijk Onderzoek, terzijde geschoven. Een aanvraag van verschillende universiteiten, ondersteund met geld uit de industrie! De aanvragers kregen te horen dat ze hun idee maar beter niet konden indienen. Een enorme dwaling en een gemiste kans, wat mij betreft. Batterijen zijn wereldwijd een hot topic, maar niet in Nederland.”

“Ik pleit ervoor dat Nederland de zoektocht naar elektriciteitsopslag verheft tot hoofdzaak in plaats van bijzaak. Er is capaciteit, kennis en ervaring, er zijn ideeën voor batterijen die minder beroep doen op schaarse grondstoffen zoals kobalt. En: er is steun van het bedrijfsleven. Het momentum is er. Niet alleen voor elektrische auto’s, maar ook voor grootschalige opslagprojecten. Daar zouden wij graag energie in stoppen. Letterlijk.”