Doorbraak in batterijtechnologie: Chinese natriumaccu haalt Tesla-niveau in tests

Natrium-ionbatterijen sluiten de kloof met de lithium-iontechnologie die vandaag de dag in de meeste elektrische auto’s zit. Dat is de conclusie van een onderzoek van de RWTH Aachen University in Duitsland waarbij 120 natriumcellen van de Chinese fabrikant Hina Battery werden getest onder een breed scala aan omstandigheden. 

De bevindingen wekken de suggestie dat natrium-iontechnologie een serieuze, goedkopere concurrent kan worden voor bepaalde toepassingen, al zijn er nog duidelijke beperkingen te overwinnen.

Onderzoeker Moritz Schütte en zijn collega’s analyseerden de batterijcellen met impedantie spectroscopie, een niet-destructieve methode om de uniformiteit van cellen te meten. 

Vervolgens testten ze de prestaties bij verschillende stroomsterktes en temperaturen variërend van min 20 tot plus 45 graden Celsius.

Bij lagere temperaturen worden prestaties slechter

Röntgenopnames en fysieke ontmanteling van de cellen gaven aanvullend inzicht in de elektrodenopbouw, materiaalsamenstelling en microscopische structuurkenmerken. Een opvallende ontdekking was het ontwerp van de cel met een tabloze, dubbellaagse aluminium stroomafnemer.

Die configuratie vermindert elektrische weerstand en zorgt voor een meer gelijkmatige temperatuurverdeling door de cel. De onderzoekers merkten op dat dit ontwerp sterk lijkt op de architectuur die Tesla gebruikt in zijn huidige batterijgeneratie. 

“We waren positief verrast door hoe uniform de cellen zijn,” aldus Schütte.

Het vermogensprofiel van de natrium-ionbatterij viel beter uit dan verwacht voor een vroeg commercieel product. Maar er zijn ook duidelijke zwakke punten. Het laden bij lage temperaturen is een probleem. 

Artikel gaat verder onder de afbeelding.

Wanneer de buitentemperatuur daalt verslechtert de laadprestatie aanzienlijk wat voor toepassingen in koudere klimaten extra aandacht vereist voor thermisch management. Schütte stelt dat dit voor regelmatig laden in de kou een serieus aandachtspunt blijft.

Verder ontdekten de onderzoekers onverwacht hoge concentraties koper in bepaalde zones van de kathode met een ongelijkmatige verdeling. De rol van dat koper in de prestaties en veroudering van de cel is nog niet volledig begrepen maar werpt interessante onderzoeksvragen op over de langetermijnstabiliteit van het materiaal.

De kernbelofte van natrium-iontechnologie zit in de grondstof. Natrium is een van de meest voorkomende elementen op aarde in tegenstelling tot lithium dat in beperkte geografische concentraties voorkomt en waarvan de winningsketen gepaard gaat met geopolitieke en ecologische risico’s. 

Artikel gaat verder onder de afbeelding.

Goedkopere en beter beschikbare grondstoffen kunnen de productiekosten structureel verlagen, wat interessant is voor prijsgevoelige marktsegmenten. Schütte plaatst de technologie in een specifiek toepassingsdomein. 

“De combinatie van goede uniformiteit, hoog vermogen en sterke prestaties bij lage temperaturen onder belasting, maakt deze cellen aantrekkelijk voor stationaire opslag, netdiensten en kortebereikvoertuigen.”

“Of commerciële voertuigen waarbij lagere kosten en grondstofbeschikbaarheid belangrijker zijn dan maximaal rijbereik.”

De energiedichtheid van huidige natrium-ioncellen blijft lager dan die van de beste lithium-ionalternatieven.

Technologie geschikter voor thuisopslag

Dat maakt de technologie minder geschikt voor premium elektrische personenwagens die een lange actieradius vereisen, maar potentieel interessant voor stadsbussen, bestelwagens en stationair gebruik zoals thuis- of netwerkopslag.

Vervolgonderzoek richt zich op verbeteringen in het laden bij temperaturen onder het vriespunt en op optimalisatie van de materialen met name de hardekoololanode en de elektrolytformulering.

Schütte verwacht dat vooruitgang op die gebieden de toepasbaarheid van natrium-iontechnologie verder zal verbreden.

Voor de bredere elektrische automarkt is natrium-ion voorlopig nog geen directe concurrent van lithium-ion in het hogere segment, maar als technologie die goedkopere elektrische mobiliteit voor een bredere markt mogelijk kan maken, zal de relevantie gestaag groeien.