Plug & Drive

Binnenkort zijn ze te koop: auto’s die tanken uit het stopcontact. Alleen zijn de batterijen nog niet goed genoeg. Michiel van Nieuwstadt

Vanaf het stoplicht trekt Sjef Peeraer snel én stil op met zijn elektrische scooter. “Je laat de brommers achter in het kabaal en de rook”, zegt hij. Elektrische voertuigen hebben nu nog een slecht imago wegens de beperkte actieradius en het idee dat ze langzaam en sloom zijn. “Ze worden geassocieerd met invalidenwagentjes”, zegt Peeraer. “Maar dat zal veranderen.”

Peeraer preekt voor eigen parochie, hij importeert oplaadbare batterijen (accu’s) voor voertuigen. Maar hij heeft wel gelijk: de elektrische auto heeft de wind mee. Grote fabrikanten buitelen over elkaar heen met productieplannen. BMW, General Motors, Honda, Mercedes en Volkswagen werken allemaal aan zogeheten plug-in hybriden. Een hybride auto is een auto met een verbrandingsmotor én een elektromotor aan boord. Een plug-in hybride heeft een grote batterij die kan worden opgeladen met een stekker in het stopcontact. Dat is een groot verschil met een hybride auto als de Toyota Prius die al sinds 1997 op de markt is: die kan zijn batterij alleen tijdens het rijden opladen.

De hoge olieprijs en de klimaatverandering verklaren deels de dadendrang van autofabrikanten. Een elektrisch voertuig tank je al voor een paar euro vol. En elektrische aandrijving is zuinig. Net als de benzine- of dieselmotor zal de elektromotor zijn energie gewoonlijk uit fossiele brandstof halen, maar de route van de oliebron naar de rijdende wielen verloopt wel twee keer zo efficiënt als bij verbranding van benzine onder de motorkap. In een elektriciteitscentrale wordt aardgas met een efficiëntie van maximaal 60 procent verbrand. Bij het op- en ontladen van een batterij en bij het omzetten in bewegingsenergie gaat van deze elektriciteit minder dan 20 procent verloren. Een benzinemotor haalt een rendement van circa 25 procent.

alliantie

Batterijen waren altijd de belangrijkste sta-in-de-weg voor stratenvol elektrische auto’s. In de aankondigingen van elektrische modellen als de Chevy Volt (General Motors) of de Smart ForTwo (Daimler Benz) hebben fabrikanten van oplaadbare batterijen dan ook een prominente plaats. “Bijna elke grote autofabrikant is intussen een alliantie aangegaan met een fabrikant van batterijen”, zegt Peter Notten, hoogleraar elektrochemische energieopslag aan de TU Eindhoven.

“Iedereen doet mee”, zegt Tim de Lange, universitair docent aan de TU Delft. “Als je nu een nieuwe dieselauto aankondigt, val je uit de toon.” De Lange presenteerde vorige maand op het circuit van Zandvoort een knaloranje elektrische Lotus Elise – door hem persoonlijk omgebouwd. Zelf rijdt hij in een Daihatsu Cuore met een batterij die hem “zelfs bij tegenwind” nog van Delft naar Den Helder brengt.

De batterijmakers hebben ons al flinterdunne mobieltjes en steeds lichtere laptops bezorgd. Nu hebben ze hun zinnen gezet op de auto.

Nanotechnologie is het toverwoord (zie volgende pagina). Dat betekent in de praktijk toepassing in de batterijelektroden van minuscule kristalkorrels, kleiner dan honderd nanometer (een nanometer is een miljoenste millimeter). Een materiaal dat is opgedeeld in kleine brokjes reageert sneller dan een materiaal en bloc. Een scheut suikerkorrels verdwijnt sneller in de thee dan een suikerklontje. Elektroden met kleine deeltjes hebben voor reacties relatief veel oppervlak beschikbaar. Daardoor kunnen de ionen en elektronen die stroom moeten leveren snel reageren. Dat betekent weer dat batterijmakers materialen kunnen toepassen die vroeger niet in aanmerking kwamen. Het belangrijkst is lithiumijzerfosfaat ter vervanging van het lithiumkobaltoxide, dat nu nog in driekwart van de laptops en mobiele telefoons zit.

struikelblok

Maar nanotechnologie in batterijen heeft ook bezwaren: het maakt de batterijen niet veiliger. Dat betekent dat die efficiënte, veelvuldig herlaadbare en veilige batterijen er bijna zijn. Maar nog altijd net niet helemaal.

“Het belangrijkste struikelblok is en blijft de veiligheid”, zegt Notten. Batterijonderzoeker Erik Kelder van de TU Delft is het met hem eens. Hij heeft eerder geprobeerd autofabrikanten warm te krijgen voor hoogvoltage batterijen met nikkel en lithiummangaanoxide. “De fabrikanten willen een veiligheidsgarantie en die valt moeilijk te geven”, zegt hij.

Tim de Lange van de TU Delft heeft laten zien dat een auto met de juiste batterijen nu al een aardig bereik kan hebben. Zijn elektrische Lotus Elise heeft een actieradius van 325 kilometer. Maar hij geeft toe: “Als je veiligheid en energiedichtheid wilt combineren, dan zijn we er nog niet helemaal.”

Oplaadbare batterijen waarin lithium wordt toegepast, domineren de consumentenelektronica. Het populairst is de batterij met één elektrode van lithiumkobaltoxide en één van koolstof. Bij het opladen of gebruiken van de batterij pendelen lithiumionen tussen de twee elektroden heen en weer.

Als de lithiumionen in het kristalrooster van een van de twee elektroden terechtkomen, nemen ze een elektron op. Die elektronen kunnen energie leveren als ze een elektrisch circuit doorlopen.

De capaciteit van batterijen met lithiumkobaltoxide is ruim verdubbeld sinds ze begin jaren negentig op de markt kwamen. De beste batterijen in laptops of mobieltjes slaan per kilogram 200 wattuur aan energie op. Een loodzwavelzuur accu haalt 40 wattuur per kilogram. Met een energiedichtheid van 200 wattuur heb je een aardige autobatterij. Een kleine personenwagen verbruikt volgens Peeraer 15 tot 20 kilowattuur per honderd kilometer. Grofweg zou een auto met laptopbatterijen dan een bereik kunnen halen van een kilometer per kilogram batterij. Daarbij is van belang dat je een batterij die je lang wilt gebruiken niet helemaal moet ontladen. Zo’n 15 procent van de energie-inhoud wordt daarom niet gebruikt.

kratje bier

Met het energiebedrijf Essent en de importeur van Lotus wil De Lange in Nederland ook Volkswagens tot volledig elektrische auto’s gaan ombouwen, auto’s zonder verbrandingsmotor dus. Het allerliefst zou hij het probleem van de beperkte batterijcapaciteit omzeilen met een veel zuiniger auto. De Lange won met de Nuna Solar Car vier keer een internationale race voor auto’s die rijden op zonne-energie. “Ons karretje reed 103 kilometer per uur met een vermogen van 1,8 kilowatt”, zegt hij. “Natuurlijk zit je dan niet comfortabel. En je wilt ook nog een kratje bier kunnen vervoeren. Maar de autofabrikanten hebben de stroomlijn nu helemaal uit het oog verloren. We willen auto’s met een leuk neusje en kontje, maar dat moet wel door de lucht gesleept worden.

Her en der rijden intussen al elektrische voertuigen rond in Nederland: brommers en scooters, bestelwagentjes en zelfs een enkele vrachtwagen. In deze voertuigen wordt meestal nog geen lithium gebruikt, maar de traditionele loodzwavelzuur batterijen.

Het Californische bedrijf Tesla pronkt op zijn website met de Roadster, een elektrische auto die dik 320 kilometer kan rijden op een volle batterij van 450 kilogram. De auto zou zijn uitverkocht, maar het is onduidelijk of hij al werkelijk aan iemand is geleverd. In de Roadster zitten 6800 kleine batterijelementen met lithiumkobaltoxide, ook geschikt voor een laptop. Daarin wijkt de Roadster niet af van de meeste experimentele elektrische personenwagens, zegt Sjef Peeraer: “Die kleine batterijen leveren een spanning van zo’n 3,5 volt, dus je hebt er zeker honderd nodig om te komen tot de benodigde spanning van 300 à 400 volt. Om voldoende stroom te genereren, moet je er dan ook nog eens zestig of zeventig parallel zetten.”

Het toepassen van duizenden kleine batterijen in een sportauto heeft voordelen, zegt Peeraer. “Door de batterijen slim te stapelen, kun je prachtig de curve volgen van je auto.”

Maar er zijn ook belangrijke nadelen. Het managen van een groot aantal batterijen tezamen is lastig, zegt Notten van de TU Eindhoven: “Als je één batterij op een tafel zet, dan is het niet zo moeilijk om die in tien minuten te laden, maar een paar honderd batterijen op een kluitje, dat is een ander verhaal. Je moet rekening houden met de uitstraling van warmte, want temperatuur heeft een belangrijke invloed op alle processen in je batterij.”

Exploderende laptop- of telefoonbatterijen waren de laatste jaren meer dan eens in het nieuws. Een van de problemen van de lithiumkobaltoxide-batterijen, zegt batterijonderzoeker Kelder, is dat de chemische bindingen van de elektrolyt niet sterk genoeg zijn. Als de batterij te warm wordt, ontleedt de elektrolyt in kleine organische gasmoleculen. “Door deze nevenreacties kan er van alles misgaan. De elektrolyt kan gaan koken, er kunnen brandbare gassen vrijkomen en de zaak kan exploderen.”

Een ander probleem van de ‘laptopbatterij’ is de duurzaamheid. Elke keer als lithium wordt opgenomen in het kristalrooster van kobaltoxide, zet het metaalrooster een beetje uit. En als het lithium loskomt, krimpt het rooster weer. Op de lange termijn gaat de elektrode daardoor achteruit.

De toepassing van lithiumijzerfosfaat kan een oplossing zijn voor de problemen met lithiumkobaltoxide. Die batterijen zijn inherent veiliger, zo vertelt Peter Notten van de TU Eindhoven, omdat ze werken bij een lager voltage. Dat verklaart ook waarom deze batterijen een lagere energiedichtheid hebben. De hoeveelheid wattuur die een batterij per kilogram kan bevatten is immers het product van de stroom die wordt gegenereerd, de duur en het voltage.

geleiding

“Het belangrijkste nadeel van lithiumijzerfosfaat is dat het slecht geleidt”, zegt Kelder. “Maar dat probleem is een jaar of vier geleden opgelost door Michel Armand.” Armand, verbonden aan de Université de Picardie in Amiens, zorgde voor een doorbraak toen hij aantoonde dat een koolstofcoating op lithiumijzerfosfaat de elektrische geleiding enorm verbetert.

Peeraers Britse leverancier, het Britse Amberjac, bouwt lithiumijzerfosfaat batterijen in bestaande modellen van de Toyota Prius. Deze Prius kan zo 50 kilometer afleggen met een batterij van 80 kilogram. De gewone Prius heeft ook een batterij, maar komt daarmee niet verder dan 1,5 kilometer. “Die batterij werkt eigenlijk als een soort elektrisch vliegwiel dat de auto weer op gang helpt als je hebt geremd of hebt stil gestaan voor een stoplicht”, zegt Peeraer. “Dat is zuiniger in de file of de stad.”

De Lange gebruikt in zijn Lotus Elise lithiumkobaltoxide, zegt concurrent Peeraer. Volgens De Lange halen de nieuwe batterijen van lithiumijzerfosfaat een energiedichtheid van maar 80 wattuur per kilogram. “Veel te zwaar voor een aardig bereik.”

Peeraer schat de prestaties van lithiumijzerfosfaat hoger in. Hij is bovendien kritisch over lithiumkobaltoxide: “Het is leuk voor de korte termijn, maar ik vind het niet verantwoord. Als er een ongeluk gebeurt met autobatterijen, dan gaan we meteen een paar jaar terug in de tijd.” De Lange is niet van plan zich erdoor te laten weerhouden: “Natuurlijk moeten we uitgebreide crash tests uitvoeren met de elektrische auto’s die wij op de markt willen brengen. Maar we moeten niet overdrijven. Een tank vol benzine kan óók ontploffen.”