Interne weerstand: de onzichtbare rem in elke batterij
Stel je een tuinslang voor. Hoe nauwer de slang en hoe langer het traject, hoe moeilijker het water erdoorheen stroomt en hoe warmer de slang wordt als je de kraan helemaal opendraait. Iets vergelijkbaars gebeurt binnenin een batterij. Elke batterij heeft een eigen "nauwe doorgang" voor elektrische stroom, en die weerstand tegen de stroom noemen we de interne weerstand. Hoe lager die weerstand, hoe makkelijker energie erin en eruit kan stromen zonder dat er veel warmte en verlies ontstaat.
Dit klinkt misschien als een detail voor natuurkundigen, maar interne weerstand bepaalt in de praktijk hoe snel je telefoon of elektrische auto kan opladen, hoeveel vermogen een accu kan leveren, en hoe warm een batterijpakket wordt tijdens gebruik. In het zoeken naar snellere oplaadtijden, krachtigere elektrische auto's en veiligere batterijen is het verlagen van interne weerstand een van de belangrijkste, maar minst zichtbare, technische gevechten in de batterij-industrie.
Wat is het precies?
Een batterij bestaat grofweg uit twee elektroden (de plus- en minpool, ook wel kathode en anode genoemd), gescheiden door een elektrolyt: een vloeistof, gel of vaste stof waardoorheen geladen deeltjes (ionen) kunnen bewegen. Tijdens het opladen en ontladen verplaatsen deze ionen zich tussen de elektroden, terwijl de elektronen via de externe stroomkring lopen, bijvoorbeeld door de motor van een auto.
Interne weerstand ontstaat op meerdere plekken in dit proces. Ten eerste is er de ionische weerstand: het elektrolyt biedt altijd enige weerstand aan bewegende ionen, vergelijkbaar met hoe stroperige vloeistof moeilijker door een buis stroomt dan water. Ten tweede is er contactweerstand, die ontstaat op de raakvlakken tussen materialen, bijvoorbeeld tussen de elektrode en de metalen stroomafnemer erachter. Ten derde bestaat er ladingsoverdrachtsweerstand: de weerstand die optreedt op het exacte grensvlak waar een ion zijn lading afgeeft aan of opneemt van de elektrode.
Al deze weerstanden samen worden gemeten in ohm, meestal in milliohm (duizendste delen van een ohm) omdat de waarden klein zijn. Volgens de bekende natuurkundige wet van Ohm zorgt weerstand bij stroomdoorgang voor warmteontwikkeling: hoe hoger de stroom en de weerstand, hoe meer warmte er vrijkomt. Dit verklaart waarom batterijen warm worden tijdens snel laden of hard optrekken, en waarom batterijmanagementsystemen in elektrische auto's actief moeten koelen.
Interne weerstand is niet constant. Ze neemt toe bij lage temperaturen, omdat ionen dan trager bewegen door het elektrolyt, en ze stijgt geleidelijk naarmate een batterij veroudert door chemische bijreacties en slijtage aan het materiaal. Dit is een belangrijke reden waarom een oude telefoonbatterij niet alleen minder capaciteit heeft, maar ook sneller leegloopt bij zwaar gebruik, zoals gamen of navigeren.
Wat wil men ermee bereiken?
Het verlagen van interne weerstand raakt bijna elk kenmerk waar gebruikers om geven. Minder weerstand betekent dat een batterij sneller kan worden opgeladen zonder oververhitting, omdat er minder warmte per geleverde hoeveelheid stroom ontstaat. Het betekent ook dat een accu meer vermogen kan afgeven op het moment zelf, wat relevant is voor de acceleratie van elektrische auto's of de piekbelasting van elektrisch gereedschap.
Daarnaast verbetert een lagere interne weerstand de energie-efficiëntie: er gaat minder energie verloren als nutteloze warmte, wat de effectieve actieradius van een elektrische auto vergroot bij gelijke accugrootte. Minder interne warmteontwikkeling betekent bovendien minder mechanische stress op de batterij, wat de levensduur ten goede komt en de behoefte aan zware, dure koelsystemen vermindert.
Tot slot speelt interne weerstand een rol bij veiligheid. Overmatige interne warmteopbouw is een van de factoren die kunnen bijdragen aan het zogeheten "thermal runaway", een gevaarlijke kettingreactie waarbij een batterijcel zichzelf steeds verder opwarmt tot brand of explosie. Fabrikanten van nieuwe batterijtechnologie, zoals vastestofbatterijen, presenteren een lagere interne weerstand daarom vaak ook als een veiligheidsvoordeel, naast de prestatiewinst.
Voorbeelden uit de praktijk
Het Amerikaanse bedrijf QuantumScape ontwikkelt al jaren een vastestofbatterij, waarbij het vloeibare elektrolyt wordt vervangen door een vaste, keramische scheidingslaag (separator). In 2023 en 2024 rapporteerde het bedrijf resultaten van testcellen die duizenden laadcycli doorstonden met behoud van capaciteit, wat het toeschrijft aan de lagere weerstand en stabielere grensvlakken van dit vaste materiaal. QuantumScape werkt samen met Volkswagens batterijtak PowerCo aan verdere opschaling.
Toyota kondigt al langer aan te werken aan een eigen vastestofbatterij, met als publiek streven commerciële toepassing rond 2027-2028. Het bedrijf claimt dat deze techniek laadtijden fors kan verkorten dankzij lagere interne weerstand, al zijn eerdere tijdspaden van Toyota voor deze technologie meermaals opgeschoven.
Het Chinese CATL, 's werelds grootste batterijproducent, presenteerde in 2023 zijn zogenoemde "condensed matter battery", een halfvaste batterijchemie gericht op hogere energiedichtheid met beperktere interne weerstand, vooral bedoeld voor toepassingen zoals elektrische vliegtuigen.
Tesla introduceerde vanaf 2020 de 4680-cel, een grotere cilindrische batterijcel met een zogeheten "tabless" ontwerp: in plaats van dunne stroomafnemertjes aan één kant, loopt de stroom via de volle breedte van de elektrode. Dit verkort de af te leggen weg voor elektronen aanzienlijk en verlaagt daarmee de interne weerstand, wat volgens Tesla bijdraagt aan snellere lading en minder warmteontwikkeling. Vanaf 2022-2024 werd de productie van deze cellen geleidelijk opgeschaald.
Het Israëlische StoreDot demonstreerde tussen 2021 en 2023 herhaaldelijk prototypecellen met een siliciumrijke anode, gericht op extreem snel laden, met als slogan "100 kilometer in 5 minuten". Deze aanpak vermindert specifiek de weerstand die optreedt bij zeer hoge laadstromen, al betreft het tot dusver vooral labo- en demonstratietests.
Hoe ver is de techniek?
De meeste elektrische auto's en consumentenelektronica gebruiken vandaag nog steeds lithium-ionbatterijen met een vloeibaar elektrolyt, waarbij verlaging van interne weerstand vooral incrementeel gebeurt: betere elektrodesamenstelling, dunnere scheidingslagen, en slimmer celontwerp zoals bij Tesla's 4680-cel. Deze verbeteringen zijn al in productie en leveren geleidelijk snellere laadtijden op.
Vastestofbatterijen, die in theorie de grootste sprong in lagere interne weerstand en veiligheid beloven, bevinden zich grotendeels nog in de fase van proefproductie en kleinschalige testcellen. Meerdere fabrikanten, waaronder Toyota en Samsung SDI, mikken op commerciële introductie ergens tussen 2027 en 2030, maar dergelijke tijdlijnen zijn in het verleden herhaaldelijk uitgesteld vanwege uitdagingen rond productiekosten, materiaalstabiliteit en opschaling naar massaproductie.
Extreem snel laden, zoals StoreDot nastreeft, is technisch aangetoond in demonstraties, maar grootschalige, betaalbare toepassing in massaproductieauto's is per 2025-2026 nog niet gerealiseerd. Onafhankelijke, langdurige levensduurtests van deze nieuwe technologieën onder realistische omstandigheden zijn bovendien schaarser dan de marketingclaims van fabrikanten, dus enige voorzichtigheid bij het interpreteren van aangekondigde doorbraken is op zijn plaats.
Wie werken eraan?
Naast de eerder genoemde QuantumScape, Toyota, CATL, Tesla en StoreDot werken ook Samsung SDI en LG Energy Solution (beide Zuid-Korea) aan vastestofbatterijen met als doel lagere interne weerstand en hogere energiedichtheid. Het Amerikaanse Factorial Energy en Sila Nanotechnologies richten zich eveneens op nieuwe elektrode- en elektrolytmaterialen met dit doel.
Op onderzoeksniveau doen instituten als het Argonne National Laboratory (verbonden aan het Amerikaanse ministerie van Energie), MIT en Stanford University fundamenteel onderzoek naar ionengeleiding en grensvlakchemie in batterijen. In Duitsland speelt het Fraunhofer-Institut een vergelijkbare rol in toegepast batterijonderzoek. Binnen de Europese Unie stimuleert de European Battery Alliance onderzoek en productiecapaciteit op dit gebied, waarbij ook Nederlandse kennisinstellingen zoals de TU Delft en de TU Eindhoven bijdragen aan onderliggend materiaalonderzoek, al is hun rol doorgaans gericht op fundamentele wetenschap eerder dan op commerciële productontwikkeling.
Geografisch is de ontwikkeling geconcentreerd in de Verenigde Staten, China, Japan, Zuid-Korea en Duitsland, met China als grootste producent van batterijcellen wereldwijd en de VS en de EU die via subsidies en onderzoeksprogramma's proberen minder afhankelijk te worden van Aziatische toeleveringsketens.