Batterij

Een batterij slaat energie op in chemische vorm en zet die om in elektriciteit. Elke cel heeft twee elektroden, een positieve (kathode) en een negatieve (anode),  gescheiden door een elektrolyt. Bij ontladen bewegen ionen door de elektrolyt van de anode naar de kathode, terwijl de elektronen via het externe circuit stromen en zo stroom leveren. Bij opladen keert dit proces om. In een lithium-ion batterij zijn het lithium-ionen die heen en weer bewegen tussen de elektroden.

De cel is de kleinste, zelfstandig functionerende eenheid van een batterij. Eén cel bevat de basiscomponenten: anode, kathode, elektrolyt en separator. Het levert een relatief lage spanning (bij lithium-ion doorgaans 3 à 4 volt). Om bruikbare spanning en capaciteit te bereiken worden meerdere cellen samengevoegd tot modules, en modules tot een batterijpack. Een Batterij Management Systeem (BMS) bewaakt en stuurt dit geheel aan.

Batterijen worden meestal ingedeeld naar hun chemie. Verreweg het meest gebruikt is de lithium-ion familie, met kathode-varianten zoals NMC (nikkel-mangaan-kobalt) en LFP (lithium-ijzerfosfaat): LFP scoort goed op veiligheid en levensduur en bevat geen kobalt, terwijl NMC een hogere energiedichtheid biedt. Vastestof (solid-state) batterijen zijn in feite lithium-ion met een vaste in plaats van vloeibare elektrolyt, wat voordelen biedt op veiligheid en energiedichtheid. Natrium-ion is een andere chemie die opkomt vanwege kosten en grondstofbeschikbaarheid. Flow-batterijen werken volgens een heel ander principe, energie in vloeibare elektrolyten in externe tanks, en zijn geschikt voor stationaire opslag.

Batterijtechnologie wordt gebruikt in (zwaar) transport, NRMM (Niet-weggebonden mobiele machines), maritiem, stationaire energieopslag, luchtvaart en drones.

Een Batterij Management Systeem (BMS) is de elektronica die een batterijpakket continu bewaakt en aanstuurt, het meet onder andere spanning, stroom en temperatuur en beschermt zo de prestaties en veiligheid. Wil de transitie naar schone energie slagen, dan zijn er betrouwbare en veilige batterijen nodig. Om die betrouwbaarheid en veiligheid te waarborgen wordt elk batterijpakket gemonitord door een BMS.

In het kader van het NEXTBMS-project ontwikkelt TNO de volgende generatie BMS, die moet zorgen voor nog betere batterijprestaties. Momenteel zijn de meeste BMS-systemen gebaseerd op eenvoudige algoritmen die werken op basis van conservatieve informatie, meestal afkomstig van datasheets of simpele modellen. Dit levert beperkingen op voor de prestaties van de batterij en kan soms nog tot onveilige situaties leiden. Bij het NEXTBMS-project richten we ons vooral op het modelleren van het interne gedrag van de batterij en passen we deze modellen toe in het BMS zelf. Samen met cloud-gebaseerde, data-gestuurde methoden willen we een BMS bouwen waarmee netopslag en elektrische auto’s een beter bereik, een langere levensduur en gegarandeerde veiligheid krijgen.

De levensduur van een batterij hangt sterk af van hoe hij gebruikt wordt: laadsnelheid, temperatuur en het laad-/ontlaadpatroon hebben grote invloed op de veroudering. Door deze factoren slim te sturen valt de levensduur aanzienlijk te verlengen.

VITALISE streeft ernaar om de levensduur van de batterij te verlengen door een strategie voor vlootbeheer te ontwikkelen. Deze strategie zal acties ondernemen op basis van batterijstatus en baterijschema om de levensduur van de batterij te verlengen. Voorbeelden van acties zijn het aanpassen van de laadsnelheid of het wijzigen van de accutemperatuur.

De verlenging van de levensduur van de batterij zal worden gedemonstreerd in een proefproject waarbij de strategie wordt toegepast op een deel van de elektrische bus fleet van Arriva. Om de verlenging van de levensduur van de batterij te demonstreren, zijn de ontwikkeling van een diagnostisch hulpmiddel voor de batterij, CheckUp Tool genaamd, en een bidirectionele lader noodzakelijk.

De veelgebruikte LFP-batterijen in elektrische auto’s bevatten kritieke en strategische materialen zoals lithium, fosfor, aluminium en koper. Deze grondstoffen zijn van strategisch belang voor Nederland en Europa, juist vanwege de schaarste eraan.

Bij batterijrecycling worden gebruikte batterijen gedemonteerd, waarna de waardevolle materialen en metalen worden gescheiden en teruggewonnen voor hergebruik. De uitdaging is dat de grondstoffen in zo’n batterij relatief goedkoop zijn, waardoor recycling lastig rendabel te maken is. SusPhos en TNO werken daarom binnen het TKI-programma ‘Green Chemistry and Circularity’ aan een economisch haalbaar recyclingproces. Daarbij combineren ze de technologie van SusPhos om fosfaten uit afvalwaterstromen te winnen met de technologie van TNO om metalen uit (elektronische) afvalstromen terug te winnen — wat resulteert in een circulairder proces met minder afval en een hogere economische haalbaarheid.

Het marktaandeel van batterijen in elektrische voertuigen is de afgelopen vijf jaar verdubbeld tot meer dan 40%, vooral door de sterke groei van EV-verkoop in de VS en Europa. Tot 2030 kan het aantal elektrische auto’s nog meer dan verviervoudigen, wat de vraag naar batterijen verder opdrijft. Dat leidt op termijn tot een enorme afvalstroom, waardoor het terugwinnen van de kritieke materialen uit LFP-batterijen cruciaal wordt.

1. De groeiende diversiteit aan toepassingen vraagt om flexibiliteit in het Batterij lab: 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.
2. 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 Batterij lab 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. 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.
3. De voltages waar systemen op werken - vooral in voertuigen, maar ook in stationaire systemen - worden steeds hoger. 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.
4. Experts binnen het Batterij lab 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. Het probleem met traditioneel testen is dat je elke nieuwe batterij opnieuw moet testen. Dat kost veel tijd. 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. Door te begrijpen hoe elektroden en andere componenten reageren, kunnen we modellen maken die veel sneller betrouwbare levensduurvoorspellingen geven.

5. Een belangrijke stap voorwaarts in de ontwikkeling van Nederlandse batterijtechnologie is de oprichting van het Open Battery Industrialization Center (OBIC) in Helmond, een gezamenlijk initiatief van TNO, VDL ETS en het BCC-NL. Deze pilotproductiefaciliteit, met een jaarlijkse capaciteit van 2–4 MWh, is ontworpen om batterij-innovaties op te schalen en de kloof tussen laboratorium en markt te overbruggen.

De toepassingen voor batterijen lopen sterk uiteen, van zwaar transport en maritiem tot stationaire opslag, luchtvaart en drones. en dat vraagt om flexibiliteit in het Batterij lab. Nieuwe componenten, modules of packs moeten snel getest kunnen worden. TNO werkt daarom aan prototyping-faciliteiten waarmee nieuwe concepten snel gevalideerd worden, zodat innovaties snel in een prototype komen en we kunnen aantonen of het gewenste resultaat wordt behaald.

Nieuwe EU-regelgeving verplicht fabrikanten voor bepaalde toepassingen om aan te tonen welke gassen, en 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 Batterij lab kunnen we batterijen in een veilige omgeving in thermal runaway brengen en tegelijk de vrijkomende gassen analyseren, ook voor grotere systemen. Juist die combinatie,  veilig testen én meteen een gedetailleerde gasanalyse, is commercieel nauwelijks beschikbaar.

Batterijen met een hogere spanning zijn efficiënter: ze hebben lagere stromen nodig voor hetzelfde vermogen. Veel automerken maken daarom de overstap van 400 naar 800 volt, en bij zware voertuigen kan het daar nog boven uitkomen. Een bijkomend voordeel zit in snelladen: bij een hogere spanning hoeft er minder stroom door de laadkabel, waardoor er minder koeling nodig is. Deze ontwikkeling stelt nieuwe eisen aan testapparatuur; TNO breidt de testcapaciteit van het batterijlab daarom uit tot significant boven de 1.000 volt, omdat de verwachting is dat batterijen alleen maar krachtiger worden.

Bij traditioneel testen moet je elke nieuwe batterij opnieuw volledig doormeten, wat veel tijd kost. De industrie wil daarom niet alleen weten hóé een batterij zich gedraagt, maar ook wat er chemisch ín de batterij gebeurt. TNO combineert daarvoor metingen op celniveau met analyse op componentniveau, waarbij batterijen uit elkaar worden gehaald en de afzonderlijke onderdelen worden onderzocht. Juist die combinatie, vertaald naar fysische modellen die het elektrochemische proces beschrijven, maakt het mogelijk om veel sneller betrouwbare levensduurvoorspellingen te doen.

Het OBIC in Helmond is een gezamenlijk initiatief van TNO, VDL ETS en BCC-NL en een belangrijke stap voor de Nederlandse batterijtechnologie. Deze pilotproductiefaciliteit heeft een jaarlijkse capaciteit van 2–4 MWh en richt zich specifiek op innovaties in batterijproductie: het opschalen en industrialiseren van nieuwe productieprocessen en celconcepten, om zo de kloof tussen laboratorium en markt te overbruggen.