Accutechnologie voor elektrische voertuigen en de intralogistiek

De accu is het hart van elk elektrisch voertuig: hier wordt de energie opgeslagen die nodig is voor de aandrijving. Hoe dit in detail gebeurt, hangt af van de accutechnologie in kwestie – er zijn mechanische, elektrochemische en elektrische opslagsystemen voor energie. In dit artikel leest u welke accutechnologie het meest geschikt is voor elektrische voertuigen en welke technologie het meeste potentieel heeft voor de toekomst.

Welke accutechnologieën zijn er momenteel?

Om te beginnen: de accu’s die we in dit artikel bespreken zijn zogenaamde secundaire accu’s, die na ontlading weer kunnen worden opgeladen. Primaire batterijen zijn alleen geschikt voor eenmalig gebruik en zijn daarom niet geschikt voor gebruik in elektrische voertuigen.

De huidige accutechnologie voor elektromobiliteit is gericht op elektrochemische energieopslag: er wordt elektrische energie in de batterij opgeslagen in de vorm van elektrochemische processen tussen twee elektroden (anode en kathode). In dit omkeerbare proces wordt de energie beschikbaar gemaakt voor het voertuig.

Naast de elektroden bestaan de accu’s ook uit de geleidende elektrolyt, de separator en verschillende behuizingen. De specifieke samenstelling bepaalt de essentiële eigenschappen van de accu, zoals de energiedichtheid, de efficiëntie en de levensduur. Momenteel zijn er vijf verschillende accutechnologieën beschikbaar:

• Loodzuur- en loodgelaccu’s
• Nikkel-cadmium-accu’s
• Nikkel-metaalhydride-accu’s
• Natrium-nikkelchloride-accu’s op hoge temperatuur
• Lithium-ion-accu’s

Vanwege de bovengenoemde verschillen geldt dat niet elke accutechnologie geschikt is voor de aandrijving van elektrische auto’s. Dit heeft te maken met het feit dat elektromobiliteit in het algemeen, maar ook specifieke elektrische voertuigen, speciale eisen stellen aan een accusysteem. Het speelt bijvoorbeeld een rol of de voertuigen bedoeld zijn voor transport op de weg of voor intralogistiek. Een hoog aantal mogelijke laadcycli en een lange levensduur zijn bijvoorbeeld belangrijk voor de accu’s in hefvoertuigen, terwijl de accutechnologie in een auto vooral lange rijafstanden en korte laadtijden mogelijk moet maken.

De verschillende accutechnologieën en hun geschiktheid voor elektromobiliteit en intralogistiek

Doorslaggevende criteria voor de beoordeling van verschillende accutechnologieën zijn:

• Energiedichtheid
• Vermogensdichtheid
• Levensduur
• Kosten
• Veiligheid
• Milieuvriendelijkheid

Er is (nog) geen technologie die in alle categorieën uitstekend presteert. Dit komt doordat een bepaalde eigenschap vaak alleen kan worden verbeterd ten koste van een andere eigenschap. Zo leidt het verhogen van de capaciteit van een accu over het algemeen tot een kortere levensduur en omgekeerd. Voor gebruik in de intralogistiek en elektromobiliteit is het daarom zaak om de accutechnologie te kiezen die het beste voldoet aan de eisen voor de toepassing in kwestie.

Loodzuur- en loodgelaccu‘s

Loodaccu’s worden al heel lang gebruikt als startaccu’s in gemotoriseerde voertuigen en zijn een van de meest gebruikte accutechnologieën. Dit komt door de lage kosten en de goed ontwikkelde infrastructuur voor de aanschaf en recycling van loodaccu’s.

Een opgeladen accu bestaat uit een loodanode en een loodoxidekathode. De gebruikte elektrolyt bestaat ofwel uit vloeibaar, verdund zwavelzuur (loodzuuraccu) of uit een gelpasta die wordt gemaakt door kiezelzuur toe te voegen aan het vloeibare zwavelmengsel (loodgelaccu). Dit heeft een positief effect op de onderhoudskosten: bij loodzuuraccu’s moet u het vloeistofniveau regelmatig controleren en bijvullen, wat bij loodgelaccu’s niet nodig is.

Vergeleken met andere technologieën hebben loodaccu’s een lage capaciteit en een korte levensduur. Dankzij hun ontwerp zijn ze daarentegen zeer robuust en veilig. Dit maakt ze over het algemeen een geschikte accu voor elektromobiliteit.

De relatief lange oplaadtijden en de lage energiedichtheid zorgen ervoor dat loodaccu’s vooral geschikt zijn voor interne transportmiddelen, zoals elektrische palletwagens, die niet continu in ploegendiensten worden gebruikt en na werktijd in het laadstation kunnen worden opgeladen.

Nikkel-cadmium-accu‘s

Nikkel-cadmium-accu’s met een elektrolyt van kaliumhydroxide-oplossing werden lange tijd beschouwd als een krachtig en duurzaam alternatief voor loodaccu’s. Deze accu’s werden veel gebruikt in huishoudens en bedrijven, omdat ze kunnen worden opgeladen voor ze volledig leeg zijn.

In 2006 besloot het Europees Parlement het gebruik van cadmium te verbieden als het meer dan 0,002 procent van het totale gewicht uitmaakt. Het gebruik van hogere concentraties cadmium geldt als te gevaarlijk, omdat het een zeer giftig en kankerverwekkend metaal is. Aangezien NiCd-accu’s tot 20 procent uit cadmium bestaan, is deze technologie is niet meer op de markt.

Nikkel-metaalhydride-accu’s

Deze accu’s zijn te beschouwen als een verdere stap in de ontwikkeling van de NiCd-technologie. Ze beschikken over een indrukwekkend hoge energiedichtheid bij gemiddelde levensduur. Er zijn echter aanzienlijke nadelen: afgezien van de hoge aanschafkosten is er sprake van aanzienlijke zelfontlading wanneer de batterij niet wordt gebruikt. Bij kamertemperatuur kan er binnen een maand tot wel 30% energieverlies optreden.

Over het algemeen worden nikkel-metaalhydride-accu’s gekenmerkt door een hoge veiligheid en een hoge vermogensdichtheid, waardoor ze uitermate geschikt zijn voor elektrische auto’s of elektrische vorkheftrucks die continu worden gebruikt. Vanwege de kosten en de hoge zelfontlading is het niet de moeite waard om deze accu’s in voertuigen te plaatsen die zelden worden gebruikt.

Natrium-nikkelchloride-accu‘s

Deze accutechnologie heeft nogal bijzondere eigenschappen. Ten eerste bevinden zowel de kathode als de anode zich in vloeibare toestand. Ze worden gescheiden door een semi-permeabele keramische wand die alleen natriumionen doorlaat en als elektrolyt dient. De elektrochemische reacties voor het opwekken van energie vereisen een temperatuur van ongeveer 300 °C, die te allen tijde moet worden gehandhaafd. Als de batterij in gebruik is, wordt de temperatuur automatisch in stand gehouden dankzij de thermische isolatie van de cel. Als de accu echter niet in gebruik is, is extra verwarming nodig, waarvoor de energie meestal uit de cel zelf wordt gehaald. Dit resulteert in een extreem hoge ontlading wanneer de batterij niet gebruikt wordt: in één dag is tot 10% energieverlies mogelijk.

Ondanks de zeer hoge energiedichtheid, lange levensduur en milieuvriendelijke eigenschappen is deze batterijtechnologie fundamenteel ongeschikt voor elektromobiliteit. De zelfontlading is eenvoudigweg te hoog, en daarbij zijn de aanschafkosten aanzienlijk. Het belangrijkste toepassingsgebied van de natrium-nikkelchloride-accu is het gebruik als stationaire accu met externe voeding.

Lithium-ion-accu‘s

Lithium-ion-accu’s zijn momenteel de wijdverspreide standaard voor e-mobiliteit en intralogistiek. Ze combineren een hoog rendement, korte oplaadtijden en een zeer hoge vermogensdichtheid. Bovendien kan de werking van de lithium-ion-accu worden aangepast voor specifieke toepassingen door de materialen van de elektrodes te veranderen. Het opladen van lithium-ion-accu’s is daarnaast gebruiksvriendelijk: tussentijds opladen is op elk moment mogelijk en heeft geen invloed op de levensduur van de accu, omdat er geen significant geheugeneffect is.

De productie van de batterijen is echter zeer complex, wat leidt tot relatief hoge aanschafkosten. Bovendien moeten er adequate veiligheidsmaatregelen worden getroffen bij de opslag en het recyclen van lithium-ion-accu’s. Desondanks zijn lithium-ion-accu’s op de lange termijn enorm voordelig: de accu’s hoeven niet onderhouden te worden en vereisen geen speciale geventileerde laadstations. De levensduur, die tot drie keer hoger is dan die van andere accutechnologieën, bespaart u uiteindelijk ook kosten.

De lithium-ion-technologie is momenteel het populairst, omdat deze het beste voldoet aan de eisen van elektromobiliteit. Daarom is een groot deel van het onderzoek en de ontwikkeling van toekomstige accutechnologieën gericht op het verbeteren van lithium-ion-accu’s.

Accutechnologie: een vergelijking

Voor een handig overzicht van alle huidige batterijtechnologieën hebben we een vergelijkende tabel voor u samengesteld met alle relevante kenmerken:

Nieuwe batterijtechnologie: de toekomst van elektromobiliteit

Elektromobiliteit is de toekomst. Hoe snel het gebruik van elektrische voertuigen zich verspreidt, hangt echter af van factoren als de actieradius van de voertuigen, de oplaadtijden en de aanschafkosten. Daarom is het verbeteren van bestaande technologie en het ontwikkelen van nieuwe batterijtechnologieën een belangrijk onderzoeksgebied. Het meeste onderzoek richt zich momenteel op twee gebieden:

• (Verdere) ontwikkeling van vastestofbatterijen
• Alternatieven voor lithium-ion-accu’s

1. Vastestofbatterijen

In tegenstelling tot de bekende lithium-ion-technologie wordt bij vastestofbatterijen een vaste elektrolyt gebruikt. Dit kan glas of keramiek zijn, maar ook polymeren en andere hybride materialen komen hiervoor in aanmerking. Dit betekent dat er ook verschillende materialen gebruikt kunnen worden voor de elektrodes. Terwijl de anode meestal gemaakt is van het metaal lithium, worden voor de kathode stoffen met een hoger elektrochemisch potentiaal gebruikt, wat een positief effect heeft op de eigenschappen van de accu.

De belangrijkste voordelen van vastestofaccu’s zijn:

• Hogere energiedichtheid
• Grotere actieradius voor voertuigen
• Kortere oplaadtijden
• Verbeterde veiligheid
• Lange levensduur
• Gemakkelijke opslag

Zelfs als de batterij beschadigd is, is er geen risico dat de elektrolyt lekt of vlam vat. Dit betekent dat de extra veiligheidsmaatregelen die vereist zijn voor de opslag en het transport van lithium-ion-accu’s grotendeels wegvallen.

2. Alternatieven voor lithium-ion-accu’s

Een andere reden voor het onderzoek naar alternatieve batterijtechnologieën is dat de lithiumvoorraden op aarde zeer beperkt zijn en tot geopolitieke afhankelijkheden leiden. Om dit te vermijden, richt men zich steeds meer op het ontwikkelen van nieuwe batterijtechnologieën zonder lithium. Andere voordelen zijn dat het productieproces wordt vereenvoudigd zonder het gebruik van lithium en dat de aanschafkosten van de accu’s lager worden.

Noemenswaardige accutechnologieën die momenteel in ontwikkeling zijn:

• Metaal-lucht-accu’s bereiken een hoge energiedichtheid en vergroten daarom de actieradius van elektrische auto’s. Zink-lucht-accu’s zijn hier een voorbeeld van, hoewel ze momenteel nog niet in oplaadbare vorm beschikbaar zijn.
• Metaal-zwavel-accu’s zijn voordelig te produceren en veilig qua gebruik, maar zijn nog niet in staat om lithium-ion-accu’s te evenaren wat betreft levensduur. Er wordt momenteel onderzoek gedaan naar magnesium-zwavel-accu’s, maar hiervan bestaan tot nu toe slechts prototypes.
• Bij metaal-ion-accu’s wordt lithium vervangen door een ander metaal. Het onderzoek richt zich momenteel op aluminium en natrium, omdat deze het beste voldoen aan de eisen van elektromobiliteit en bovendien duurzamer zijn, minder grondstoffen verbruiken en voordeliger zijn. De natrium-ion-technologie wordt al gebruikt in elektrische tweewielers en kleine auto’s op de Aziatische markt en wordt binnenkort wereldwijd gecommercialiseerd.
• Ook accu’s die functioneren op hoge temperatuur, zoals de hierboven beschreven natrium-nikkelchloride-accu, zijn nog steeds onderwerp van wetenschappelijk onderzoek. Het belangrijkste doel hiervan is om energieverlies te reduceren en om verwarmingsmethoden voor mobiel gebruik te vinden.

Veelgestelde vragen over accutechnologieën

Bron afbeelding:
© Jungheinrich AG