The New Motion

De batterij is het kloppend hart van de elektrische auto. Je wilt natuurlijk dat wanneer je een elektrische auto koopt, het hartje zo lang mogelijk meegaat. Maar, zoals met alles in het leven, veroudert een batterij. In deze blog aandacht voor dit verouderingsproces: wat gebeurt er nu precies, wat zijn de gevolgen en is er een Oil of Olaz om veroudering tegen te gaan?

 

Batterij: een reactievat voor lithium-ionen

In een vorige blogpost is globaal uitgelegd hoe de batterij functioneert. Hierbij hebben we gezien dat er in een batterij een actieve stof – in de veelgebruikte litium-ion batterijen is dit dus het lithium-ion (Li+) – tussen de negatieve (anode) en positieve elektrode (kathode) heen en weer stromen. Er vinden chemische reacties plaats bij beide polen waardoor Li+ zich los maakt uit de anode en zich aan de kathode-zijde juist weer bindt. Het overschot aan de ene kant en tekort aan de andere kant van Li+ zorgt ervoor dat de Li+ zich door het elektrolyt van de anode naar de kathode stroomt. Tegelijkertijd zullen er elektronen buitenom stromen, om het ladingsverschil weer te compenseren. Dit is de elektrische stroom waarop je dus een elektromotor kunt aansluiten. Bij het opladen wordt Li+ weer uit de kathode getrokken, richting anode.

Veroudering: ongewenste, onomkeerbare reacties

Helaas is het zo dat naast de reacties die ervoor zorgen dat er een stroom gaat lopen er ook reacties optreden die je liever niet wilt. Dit zorgt ervoor dat er steeds minder actief materiaal overblijft en dat het reactieoppervlak steeds kleiner wordt. Naarmate een batterij ouder wordt, wordt er dus minder Li+ heen en weer geslingerd tussen de polen en kan het Li+ ook minder makkelijk met de polen reageren. Dit heeft tal van effecten op de batterij: verlies aan energieopslag-capaciteit, meer interne weerstand en dus minder vermogen. De gebruiker kan dus minder ver rijden en minder snel optrekken.

Veroudering speelt zich vooral af in de polen van de batterij. De belangrijkste processen die tot veroudering leiden worden hieronder pool-voor-pool op een rijtje gezet.

De anode: beschermend laagje wordt obstakel

De anode bestaat uit koolstof, waarin het Li+ opgenomen kan worden. Maar, koolstof is naast een buffer voor Li+ ook een goedje dat snel reageert met van alles en nog wat. Het koolstof reageert met het elektrolyt, waardoor er een laagje vormt rondom de pool: het Solid Electrolyte Interface (SEI). Dit laagje beschermt het koolstof, maar zorgt er ook voor dat het Li+ minder makkelijk in en uit de pool kan bewegen. Naarmate de batterij ouder wordt, wordt het SEI steeds dikker en wordt het daarmee steeds moeilijker voor het Li+ om in/uit de anode te komen. Daarnaast wordt bij het vormen van het SEI ook Li+ gebruikt, waardoor er dus minder ‘vrij’ Li+ overblijft. De batterij gaat minder goed werken: minder Li+ betekent minder capaciteit en een moeilijker bewegen door het SEI betekent meer interne weerstand en dus minder vermogen. Ook kan er gasvorming plaatsvinden door de reacties in/aan het SEI. Dit geeft fysieke stress op de pool en kan leiden tot beschadiging.

Maar de anode heeft meer kritieke punten dan alleen dit beschermingslaagje. Door het massaal opnemen en van Li+ blaast de anode zich bij het laden telkens een beetje op, waardoor de anode langzamerhand uit elkaar valt. Dit zorgt ervoor dat het voor zowel de elektronen als Li+ moeilijker wordt zich te bewegen. Daarnaast kan contactverlies optreden, bijvoorbeeld tussen de koolstofdeeltjes onderling en tussen het contactpunt en de pool. Dit leidt dan weer tot meer interne weerstand van de batterij. Ook corrodeert (soort roesten) het Li+ in de anode en slaat lithium metaal neer op de anode, wat lithium-plating wordt genoemd. Corrosie en lithium-plating zorgen beide voor meer weerstand en minder ‘vrije’ Li+, dus minder capaciteit.

Kathode: instabiliteit van metaaloxiden

De positieve pool bestaat uit een mix van metaal-oxiden, waarin het Li+ erg goed wordt opgenomen. Maar, hoe mooi dit mechanisme ook werkt, deze metaaloxiden zijn tegelijkertijd ook instabiel en veroorzaken daarom veroudering van de kathode. Dit verouderingsproces gebeurt vooral bij hogere temperaturen en bij hoge of juist lage spanning (dus bij volledig opgeladen of ontladen batterijen).

Hoewel men het verouderingsproces nog niet helemaal begrijpt, en dit ook per type kathode flink kan verschillen, weet men al wel dat er bij de meeste types li-ion kathodes drie verouderingsprocessen plaatsvinden. De eerste is structurele verandering in de kathode. Het kristal waaruit de kathode is opgebouwd, vervormt als het ware: er komen verontreinigingen in door ongewenste reacties, waardoor de ordelijkheid van het kristal afneemt. Een minder ordelijk kristal neemt minder makkelijk Li+ op waardoor de capaciteit van de batterij afneemt. De tweede is het oplossen van metalen uit de kathode in het elektrolyt. Dit gebeurt vooral bij de mangaan-spinel batterij, die veel toegepast wordt in elektrische auto’s (zie eerdere blog). Dit metaal reageert met het elektrolyt, waardoor actieve Li+ verloren gaat en er bijproducten ontstaan waardoor de weerstand van de batterij groter wordt. De derde is veranderingen aan het SEI, net zoals dat bij de anode gebeurt.

t, T, SOC/DOD en P zijn de belangrijkste factoren

Veroudering van de batterij is dus een optelsom van verschillende ongewenste reacties aan beide polen. Deze reacties worden weer getriggered door verschillende factoren, waarvan de belangrijkste de volgende zijn:

• Tijd (t): Tijd is een belangrijke factor in het verouderingsproces (nogal wiedes!). Als je een batterij op de plank legt en er niets mee doet, zal hij toch nog verouderen. De reacties die veroudering veroorzaken zullen doorgaan, ook al gebruik je de batterij niet. Het gaat dan allemaal wel een stuk langzamer dan wanneer je de batterij gebruikt.
• Temperatuur (T): Misschien wel de belangrijkste parameter. Net zoals melk buiten de koelkast sneller verzuurt, werkt hoge temperatuur als een katalysator op de verouderingsreacties in de batterij. Het is dus van groot belang dat een batterij in een auto niet te warm wordt. Dit wordt geregeld door het batterij management systeem (BMS).
• State-of-Charge (SOC) en depth-of-discharge (DOD): De hoeveelheid lading in de batterij speelt ook een grote rol, vooral voor veroudering van de kathode. Het is niet zo goed voor een batterij om constant compleet opgeladen of ontladen te zijn. Door de hoge of juist lage spanning in de polen vindt er meer corrosie plaats. Dit is de reden dat li-ion batterijen nooit 100% van hun werkelijke capaciteit gebruiken. Daar merk je als gebruiker overigens niets van: het bovenste en onderste stuk van de capaciteit wordt door het BMS afgeschermd voor de gebruiker. Half opgeladen is de batterij het best in balans; de veroudering is dan minimaal.
• Vermogen (P): Tot slot is het trekken van veel vermogen ook een belangrijke factor voor veroudering. Dit speelt vooral bij de mangaan spinel batterij, die veel toegepast wordt in elektrische auto’s. Ook hier geldt dat het BMS er altijd voor zorgt dat het maximale vermogen dat je uit een batterij kunt trekken, begrensd is.

Wat doen we eraan?

Simpel: gebruik een nieuwe batterij, zorg dat hij niet te warm wordt, houd hem op 50% geladen en trek nooit te veel vermogen. Maar ja… je zult dan ook niet heel vele rijplezier beleven. Gelukkig zorgt het BMS ervoor dat temperatuur, hoe vol de batterij is en het vermogen dat je trekt, altijd binnen een bepaalde ‘veilige’ range blijft. Maar, wat nu precies veilig is, weet men eigenlijk niet. Dat hangt er natuurlijk vanaf hoe lang je met een batterij wilt doen. Als hij maar een jaar mee hoeft, kun je hem flink belasten. Wil je dat hij 5 tot 10 jaar meegaat, dan zal je het rustiger aan moeten doen.

Dat is precies de reden dat we met batterijmonitoring zijn begonnen. Door continue te meten hoe de batterij wordt gebruikt, leren we wat nu eigenlijk normaal gebruik is (en abnormaal!) en hoe de capaciteit van de batterij daarop reageert door de tijd. Zodra we weten welke gebruiksfactoren voor een bepaalde berijder nu het meest bijdragen aan veroudering van een batterij, kunnen we haar of hem gericht advies geven over hoe de levensduur van de batterij te verlengen. Ga je zuinig om met de batterij, dan wordt de restwaarde van de auto beter. Lease je een auto, dan zou je korting moeten krijgen op het lease bedrag. Dat is hoe wij erover denken in ieder geval.

Wij zullen binnenkort in meer detail ingaan op het batterijmonitoringsproject, want dat is onlangs van start gegaan!