Natrium-ionbatterijen zouden eind dit jaar al een plaatsje op de batterijmarkt kunnen veroveren. Volgens de Massachusetts Institute of Technology Review, het tijdschrift van de roemrijke technische universiteit MIT, kunnen ze de kosten van elektrische wagens enorm drukken. Hoe zit dat?
De batterijmarkt wordt gedomineerd door lithium-ionaccu’s. Ze zitten in de meeste smartphones, laptops en elektrische voertuigen. Naarmate de vraag naar elektrische wagens toeneemt, wordt verwacht dat er de komende decennia grote lithiumtekorten zullen ontstaan. Daarom wordt almaar nadrukkelijker in de richting gekeken van een uitdager voor lithium (Li): natrium (Na). Natrium-ionbatterijen zouden veel kosteneffectiever zijn. Trends vroeg aan Jonas Mercken, doctoraatsstudent aan de UHasselt en medewerker van Energyville, wat daarvan aan is.
JONAS MERCKEN. “Natrium-ion kan kosteneffectiever beschouwd worden op basis van de hoeveelheid natrium aanwezig in de aardkorst. Voor natrium is dat 2,83 procent versus ‘maar’ 0,01 procent voor lithium. Verder is natrium meer verspreid aanwezig over de aardkorst en is het minder afhankelijk van geopolitiek (er zijn geen hotspots voor natrium zoals bijvoorbeeld de ABC-driehoek voor lithium in Zuid-Amerika). Een andere belangrijke reden, wat deels het gevolg is van het voorgaande, is dat het startmateriaal voor de productie van de Na-componenten (Na2CO3) veel goedkoper is. Li2CO3 kost 66.150 euro per ton, tegenover 390 euro per ton voor Na2CO3 (op basis van gegevens van Feb 2023).
“Natrium-ionbatterijen kunnen dus kosteneffectiever beschouwd worden in vergelijking met lithium. Een belangrijke kanttekening daarbij is dat ook de elementen die gebruikt worden voor de cathodes en de anodes in rekening gebracht moeten worden (onder meer vanadium en ijzer). In dat geval wordt de kosteneffectiviteit complexer.”
“Natrium is in sommige opzichten vergelijkbaar met lithium, en cellen die met dat materiaal zijn gemaakt kunnen een vergelijkbare spanning bereiken als lithium-ioncellen (wat betekent dat de chemische reacties die de batterij aandrijven bijna net zo krachtig zijn)”, schrijft MIT Review. In 2022 was de energiedichtheid van natrium-ionbatterijen ongeveer gelijk aan die van sommige goedkopere lithium-ionbatterijen tien jaar geleden – toen de eerste commerciële elektrische wagens, zoals de Roadster van Tesla, al op Amerikaanse wegen pronkten. Volgens prognoses van databureau BloombergNEF kunnen natrium-ionaccu’s tegen 2025 een energiedichtheid van bijna 150 wattuur per kilogram bereiken. De beste lithium-ionbatterijen hebben echter een energiedichtheid van 265 wattuur per kilogram.
Kortom: hoewel nog niet gelijkaardig aan lithium-ionbatterijen, neemt de energiedensiteit van natrium-ionbatterijen wel toe. Zullen ze ooit die eerste overtreffen?
MERCKEN. “Een hogere energiedichtheid voor natrium-ionbatterijen zou theoretisch niet verwacht worden, integendeel. De standaardreductiepotentiaal in absolute waarde van natrium (-2.71 V) is namelijk lager dan die van lithium (-3.04 V), en de massa van natrium is hoger dan die van lithium. Vooral bij de vergelijking van analoge actieve materialen (bijvoorbeeld NaFePO4 versus LiFePO4), zal het lithiumhoudende materiaal theoretisch een hogere capaciteit hebben. Standaard presteren natriumhoudende actieve materialen ongeveer 10 procent lager dan de lithiumhoudende. Het kan natuurlijk altijd nog gebeuren dat er natirumactieve materialen ontdekt worden die geen (bekende) lithium-analoog hebben, maar dat kan niet met zekerheid voorspeld worden.
“We zien soms ook dat men in batterijchemie appelen met peren vergelijkt, en zo dus een ‘zwak’ lithium actief materiaal vergelijkt met een ‘sterk’ natrium actief materiaal. Dan zou je kunnen zeggen dat de natrium-ionbatterij een hogere energiedichtheid heeft, maar dat vinden wij wetenschappelijk niet de meest correcte manier van vergelijken.”
Hoe ver zitten we af van een wijdverbreide implementatie? Welke bedrijven wereldwijd gaan er al mee aan de slag?
MERCKEN. “Volgens rapporten van BYD en CATL wordt verwacht in het tweede deel van dit jaar te beginnen met de commercialisering van de natrium-ionbatterij op grote schaal. De batterijen die ze in een eerste fase willen gebruiken, zullen een combinatie zijn van lithium- en natrium-ionbatterijen voor elektrische wagens. Andere bedrijven actief in het veld van de natrium-ionbatterij zijn Tiamat, HiNa Battery en Faradion. Verder zullen natrium-ionbatterijen vooral gebruikt worden als stationaire batterijen.”
Zijn er nog andere lithiumloze batterij-innovaties?
MERCKEN. “Andere voorbeelden van lithiumloze batterij-innovaties bevinden zich vooral in de onderzoeksfase. Enkele voorbeelden zijn magnesium-ion-, calcium-ion-, aluminium-ion- en zink-ionbatterijen.”
