Batterijtechnologie; 4 ontwikkelingen volgens het batterijlab

Welke vier ontwikkelingen in batterijtechnologie zijn er?

1. Snel valideren en testen
2. Strengere veiligheidseisen en realistische gasanalyse
3. Krachtigere batterijsystemen met hogere voltages
4. Dieper begrip van chemische processen

1. Groeiend aantal batterijtoepassingen vraagt om snel valideren en testen

"Doordat batterijen in de loop van de jaren steeds beter en goedkoper zijn geworden, zien we hele nieuwe toepassingsgebieden ontstaan," vertelt Jan-Willem. Dit zie je bijvoorbeeld terug bij drones. "Vroeger was een drone een kinderspeeltuigje waar je niet veel meer dan 5 minuten mee kon vliegen," legt Jan-Willem uit. "Tegenwoordig is een drone een serieus agrarisch of filmtechnisch object waar grote gewichten en lange vliegtijden mee gemaakt kunnen worden."

Die nieuwe toepassingsgebieden brengen eigen uitdagingen mee. Zo hebben drones andere veiligheidseisen dan batterijen voor elektrisch transport of maritieme toepassingen. "We bewegen richting andere mobiliteitstoepassingen van batterijen, waardoor er een steeds grotere diversiteit aan producten met eigen kenmerken en eisen moet worden getest," aldus Jan-Willem.

Die groeiende diversiteit vraagt om flexibiliteit in het batterijlab: nieuwe componenten, batterijmodules of -packs moeten snel getest kunnen worden. Daarom werkt TNO aan prototyping-faciliteiten om nieuwe concepten snel te kunnen valideren. “Hiermee kunnen we innovaties snel in een prototype brengen en aantonen of het gewenste resultaat behaald wordt," legt Erik uit.

2. Strengere veiligheidseisen en realistischere gasanalyse

Naast een grotere diversiteit in toepassingen, zien de experts van TNO een verschuiving in het type testvragen dat binnenkomt. Erik legt uit: "We krijgen steeds meer vragen over veiligheidstesten, vooral uit de luchtvaartsector. Denk hierbij aan fabrikanten van drones en kleine vliegtuigen. In die sector zijn de veiligheidseisen typisch nog strenger dan bijvoorbeeld in de automotive industrie."

Die verschuiving heeft een duidelijke oorzaak: nieuwe EU-regelgeving zorgt dat de industrie op een andere manier moet gaan testen. Voor bepaalde toepassingen moeten batterijfabrikanten aan kunnen tonen welke specifieke gassen in welke mate vrijkomen tijdens een thermal runaway - een oncontroleerbare kettingreactie waarbij een oververhitte batterij steeds warmer wordt en uiteindelijk kan openbarsten of vlam vatten.

In het batterijlab speelt TNO in op deze specifieke behoefte. "In ons lab kunnen we batterijen in een veilige omgeving in thermal runaway brengen en tijdens dit proces gasanalyses doen, ook voor grotere systemen," legt Erik uit. De waarde zit in de combinatie: veilig thermal runaway (en de propagatie daarvan) kunnen testen én meteen een gedetailleerde analyse doen van welke gassen vrijkomen. "Die combinatie is commercieel niet of nauwelijks beschikbaar," aldus Erik.

3. Krachtigere batterijsystemen met hogere voltages

"De voltages waar systemen op werken - vooral in voertuigen, maar ook in stationaire systemen - worden hoger en hoger," ziet Jan-Willem in de testvragen die binnenkomen. Batterijen met hogere voltages zijn efficiënter; ze hebben lagere stromen nodig voor hetzelfde vermogen.

Veel automerken maken bijvoorbeeld de overgang van 400 volt naar 800 volt, en bieden al elektrische voertuigen (EV's) aan met 800-volt batterijsystemen. Voor zware voertuigen kunnen batterijen zelfs boven de 800 volt uitkomen. Deze ontwikkeling stelt nieuwe eisen aan testfaciliteiten; testapparatuur moet kunnen omgaan met hogere voltages.

TNO anticipeert hierop door de testcapaciteit van het batterijlab uit te breiden naar "significant boven de 1.000 volt," want de verwachting is dat batterijen alleen maar krachtiger zullen worden. "We moeten daarmee proberen om voor te blijven lopen op de markt, zodat we de beschikbare systemen kunnen blijven testen," benadrukt Jan-Willem.

4. Shift naar dieper begrip van chemische processen

Tot slot zien de experts binnen het batterijlab van TNO een fundamentele verschuiving in hoe batterijen worden getest. "De industrie wil niet meer alleen kijken naar hoe een batterij zich gedraagt, maar ook begrijpen waaróm hij zich zo gedraagt, wat er chemisch gebeurt binnen in de batterij,” aldus Erik.

"Het probleem met traditioneel testen is dat je elke nieuwe batterij opnieuw moet testen. Dat kost veel tijd," legt Erik uit. "Als je begrijpt wat er op componentniveau gebeurt, kun je veel sneller voorspellingen doen." Dit kan met fysische modellen die het elektro-chemische proces beschrijven. In plaats van alleen van buitenaf observeren, wordt gekeken naar wat er werkelijk gebeurt met de elektroden en andere componenten in de batterij.

TNO investeert daarom in apparatuur om batterijen uit elkaar te halen en de afzonderlijke onderdelen te analyseren. Erik: "Door te begrijpen hoe elektroden en andere componenten reageren, kunnen we modellen maken die veel sneller betrouwbare levensduurvoorspellingen geven.”

Aansluiten op vragen uit de markt

Gasanalyse, hogere voltages, prototyping, componentanalyse - vier verschillende ontwikkelingen die één ding gemeen hebben: ze laten zien hoe belangrijk het is om mee te bewegen met een snel veranderende industrie. Van nieuwe veiligheidseisen tot onverwachte toepassingsgebieden.

"We proberen zo dicht mogelijk te blijven bij de onderzoeksvragen die er liggen,” zegt Jan-Willem. Maar wat die vragen morgen zullen zijn, is niet altijd te voorspellen in een industrie die zo snel beweegt. Daarom kijkt TNO ook naar de markt zelf voor richting. “Input over wensen uit de markt is zeer welkom,” benadrukt Erik. Het batterijlab van TNO kijkt graag samen met (nieuwe) partners wat er mogelijk is om toekomstige investeringen zo goed mogelijk bij de markt te laten aansluiten.