Kathode-additief: het kleine ingrediënt dat batterijen langer en veiliger maakt
Een kathode-additief is een kleine hoeveelheid extra stof die fabrikanten toevoegen aan de kathode van een batterij, de positieve elektrode. Het gaat vaak om minder dan een paar procent van het totale gewicht, maar het effect op de prestaties van de batterij kan groot zijn. Vergelijk het met een snufje zout in een groot brood: de hoofdingrediënten bepalen wat het brood in essentie is, maar dat ene extra ingrediënt bepaalt of het brood lang mals blijft of snel taai wordt.
In batterijen speelt zich iets vergelijkbaars af. De kathode bestaat grotendeels uit een actief materiaal dat lithium-ionen kan opslaan en weer afgeven, zoals lithium-nikkel-mangaan-kobaltoxide (afgekort NMC) of lithium-ijzerfosfaat (LFP). Door dit materiaal te combineren met een additief, bijvoorbeeld een dun beschermlaagje of een stofje dat extra lithium levert, kan een batterij langer meegaan, sneller opladen of veiliger worden zonder dat de hele batterijchemie op de schop hoeft. Juist omdat het om kleine, behapbare aanpassingen gaat, zijn kathode-additieven een van de manieren waarop batterijen jaar na jaar geleidelijk beter worden.
Wat is het precies?
Om te begrijpen wat een kathode-additief doet, helpt het om eerst te weten hoe een kathode wordt gemaakt. Poeder van het actieve materiaal wordt gemengd met geleidend koolstof (dat elektronen laat stromen) en een bindmiddel (dat alles bij elkaar houdt), en dit mengsel wordt als een dunne laag op aluminiumfolie aangebracht. Een additief kan op verschillende plekken in dit proces worden toegevoegd, en er zijn grofweg vier categorieën.
De eerste categorie is de coating: een oneindig dun laagje metaaloxide, bijvoorbeeld aluminiumoxide of zirkoniumoxide, wordt rond elk afzonderlijk deeltje actief materiaal aangebracht. Dit laagje werkt als een soort jas die voorkomt dat het actieve materiaal rechtstreeks in contact komt met de elektrolyt, de geleidende vloeistof tussen de elektroden. Zonder die jas kunnen er ongewenste chemische reacties optreden die de batterij sneller laten verouderen.
De tweede categorie is doping: hierbij worden vreemde atomen letterlijk in het kristalrooster van het kathodemateriaal ingebouwd. Dit klinkt ingrijpend, maar het gaat om piepkleine hoeveelheden die de kristalstructuur stabieler maken, waardoor deeltjes minder snel scheuren tijdens het herhaaldelijk laden en ontladen.
De derde categorie is misschien wel de meest opvallende: prelithiatie-additieven, ook wel offer-additieven genoemd. Bij de allereerste keer opladen van een nieuwe batterij verbruikt een deel van het lithium zich onherroepelijk aan de anodekant, waar een beschermend laagje ontstaat dat de solid electrolyte interphase (SEI) wordt genoemd. Dat kost bruikbare capaciteit. Een prelithiatie-additief is een extra, lithiumrijke verbinding die aan de kathode wordt toegevoegd en die tijdens die eerste cyclus als het ware zichzelf opoffert: het levert precies het lithium dat anders verloren zou gaan, zodat de batterij per saldo meer bruikbare capaciteit overhoudt.
De vierde categorie zijn geleidende additieven, zoals koolstofzwart, koolstofnanobuisjes of grafeen, die het elektrisch contact tussen de deeltjes onderling verbeteren zodat stroom er gemakkelijker doorheen kan lopen.
Wat wil men ermee bereiken?
Achter al deze varianten schuilen een paar heldere doelen. Ten eerste levensduur: elke keer dat een batterij wordt op- en ontladen, slijt het materiaal een beetje. Additieven die scheurvorming of ongewenste reacties tegengaan, zorgen ervoor dat een batterij na honderden of duizenden cycli nog steeds een groot deel van zijn oorspronkelijke capaciteit heeft.
Ten tweede energiedichtheid: hoe meer bruikbare capaciteit uit hetzelfde gewicht of volume te halen valt, hoe verder een elektrische auto op één acculading kan rijden. Prelithiatie-additieven zijn hier een direct voorbeeld van, omdat ze capaciteit terugwinnen die anders verloren zou gaan.
Ten derde veiligheid: een goed beschermd kathodeoppervlak reageert minder heftig bij oververhitting, wat het risico op thermal runaway verkleint, de kettingreactie waarbij een batterij oncontroleerbaar heet wordt en kan gaan branden.
Ten vierde kosten en grondstoffen: sommige additieven maken het mogelijk om met minder kobalt toe te kunnen, een duur en omstreden metaal waarvan een groot deel van de wereldwijde winning uit Congo komt onder vaak problematische arbeidsomstandigheden. Voor autofabrikanten en batterijproducenten is dit een belangrijke drijfveer om te blijven investeren in additieftechnologie, ook al is het geen spectaculaire doorbraaktechnologie maar eerder gestage optimalisatie.
Voorbeelden uit de praktijk
Coatings op kathodedeeltjes zijn inmiddels een vrij ingeburgerde industriepraktijk. Materiaalproducenten als Umicore (België) en BASF (Duitsland) leveren al sinds het midden van de jaren 2010 NMC- en NCA-kathodematerialen met dunne oxidecoatings aan grote batterijfabrikanten, als onderdeel van hun standaardaanbod voor de auto-industrie.
Bij Argonne National Laboratory in de Verenigde Staten wordt in de CAMP-faciliteit (Cell Analysis, Modeling and Prototyping) al jarenlang onderzoek gedaan naar geavanceerde coatingtechnieken, waaronder atomic layer deposition, een methode waarbij coatinglaagjes atoom voor atoom worden opgebouwd voor extreme precisie.
De onderzoeksgroep van batterijwetenschapper Jeff Dahn aan Dalhousie University in Canada, die sinds 2016 een langlopende onderzoekssamenwerking met Tesla heeft, publiceert regelmatig over additieven die de levensduur van cellen verlengen; hun werk richt zich deels op de elektrolyt en deels op het kathode-elektrolytgrensvlak.
De Chinese batterijgigant CATL, wereldwijd de grootste producent van batterijcellen, heeft in de context van zijn natrium-ionbatterijen, voor het eerst aangekondigd in 2021, gewerkt aan technieken om het capaciteitsverlies in de eerste cyclus te compenseren; de precieze details van dergelijke additieftechnologie maakt het bedrijf zoals gebruikelijk niet volledig openbaar, dus harde technische specificaties zijn van buitenaf lastig te verifiëren.
In de opkomende wereld van vaste-stofbatterijen experimenteren ontwikkelaars zoals QuantumScape (Verenigde Staten) met coatings en tussenlagen rond het kathodemateriaal om het contact met de vaste elektrolyt te verbeteren, een heel ander soort probleem dan bij vloeibare elektrolyten, en dit onderzoek bevindt zich nog nadrukkelijk in de ontwikkelfase.
Hoe ver is de techniek?
Het beeld is gemengd, en dat is precies waarom kathode-additieven zelden in de schijnwerpers staan: het is geen technologie met één duidelijk omslagpunt. Coatings en dopants zijn grotendeels volwassen en worden al standaard toegepast in de meeste moderne kathodematerialen die in elektrische auto's terechtkomen; dit is eerder verfijning dan doorbraak.
Prelithiatie-additieven staan minder ver. Veel van de lithiumrijke verbindingen die hiervoor gebruikt worden, zijn instabiel in lucht of vocht, wat ze lastig maakt om op grote schaal te verwerken in fabrieken zonder dure, extra beschermende procesomgevingen. Ook is het economisch rendement soms marginaal: de winst in capaciteit moet opwegen tegen de extra kosten en complexiteit, en dat is niet in elke toepassing vanzelfsprekend.
Voor vaste-stofbatterijen is het kathode-additiefonderzoek nog relatief pril, simpelweg omdat de hele vaste-stoftechnologie zelf nog in ontwikkeling is en de industrie nog volop zoekt naar wat wel en niet werkt. Over het geheel genomen gaat de vooruitgang in kleine, gestage stappen: geen jaarlijkse doorbraak, maar een optelsom van procenten winst in levensduur, energiedichtheid of veiligheid die zich langzaam opstapelt.
Wie werken eraan?
De grote batterijfabrikanten, waaronder CATL en BYD uit China, LG Energy Solution en Samsung SDI uit Zuid-Korea en Panasonic uit Japan, ontwikkelen eigen additieftechnologie, vaak in nauwe samenwerking met gespecialiseerde materiaalleveranciers zoals Umicore, BASF, het Zuid-Koreaanse L&F en het Japanse Sumitomo Metal Mining.
Op onderzoeksgebied spelen instituten als Argonne National Laboratory in de Verenigde Staten en de groep van Jeff Dahn aan Dalhousie University in Canada een prominente rol, naast diverse Chinese universiteiten die fundamenteel onderzoek doen naar nieuwe additiefchemie. In Europa loopt onder meer het initiatief Battery 2030+ dat batterijonderzoek, waaronder materiaaladditieven, over landsgrenzen heen probeert te bundelen.
Geografisch is China dominant in de productie van kathodematerialen inclusief additieven, terwijl Zuid-Korea, Japan, de Verenigde Staten en de Europese Unie vooral inzetten op onderzoek en op het opbouwen van een eigen productiecapaciteit om minder afhankelijk te worden van Chinese toeleveringsketens.