Wil jij snel de belangrijkste zaken van batterijen voor elektrische vrachtwagens leren? Dan is dit het blog dat je moet lezen!
Vooraf
Ik wil beginnen met een waarschuwing. Batterijen zijn heel complex. Ik heb dat zelf ook weer gemerkt tijdens het schrijven van dit artikel. Bovendien is batterijtechniek constant in ontwikkeling. Daarom is het verstandig op hoofdlijnen wat over batterijen te leren, maar je niet direct in de details vast te bijten. Dat gezegd hebbende, batterijen! Lithium-Ion batterijen!
Opkomst van lithium-ion batterijen
Met de opkomst van mobiele telefoons en laptops begin deze eeuw, kreeg ook de ontwikkeling van lithium-ion batterijen een geweldige stimulans. Makers van mobiele telefoons vonden het niet erg om veel geld te moeten betalen voor een kWh aan batterijcapaciteit. Een telefoon heeft toch maar een heel klein batterijtje en de consument is bereid om ervoor te betalen.
Zo schoot de vraag naar Li-ion batterijen omhoog. Doordat batterij fabrieken ineens veel meer batterijen moesten gaan produceren, konden ze dat op grotere schaal gaan doen. Productieprocessen werden efficiënter en er werd meer geld gestoken in het ontwikkelen van goedkopere batterijen. Als gevolg daarvan ging de prijs voor een kWh batterij omlaag.
Meer toepassingen
Doordat de prijs van een kWh naar beneden ging, werd de Li-ion batterij interessant voor andere toepassingen waarvoor die eerder nog te duur waren. Denk aan elektrisch handgereedschap en elektrische fietsen. De batterijen in die toepassingen zijn groter dan in mobiele telefoons en laptops. Het gevolg: nog meer productiecapaciteit was nodig voor het produceren van batterijen. Meer schaalgrootte betekent een hogere productie-efficiëntie en dus…. Weer een lagere prijs.
Dat proces herhaalde zich nog een keer bij elektrische personenwagens tot dat we op een punt komen dat ook batterijen voor elektrische vrachtwagens (qua prijs) interessant worden.
Gewicht batterijen
Parallel aan de prijsontwikkeling ontwikkelde ook het gewicht van de batterijen. Ze werden lichter en lichter. Of zoals het in vakjargon wordt genoemd, de batterij kreeg een hogere energiedichtheid. Woog een batterij in 2010 nog 12kg per kWh, in 2022 is dat al minder dan de helft: 5,5kg per kWh.
Laadcycli
Daarnaast verbeterd ook de ‘houdbaarheid’ van batterijen. Deze drukken we uit in het aantal laadcycli. Met andere woorden, hoe vaak kunnen we een batterij volledig laden en ontladen. Daarbij maakt het niet uit of de laadcycli van 0% - 100% - 0% gaat, of dat we 30% - 80% - 30% - 80% - 30% als patroon aanhouden. 1 laadcycli is 100% van de capaciteit gebruiken, of dat nu met tussenlading is of niet. We vinden dat een batterij versleten is als hij nog 80% van zijn originele capaciteit over heeft. Een batterij is dus niet kapot, hij werkt nog wel, alleen kan hij nog maar 80% van de energie opslaan als het begin van zijn levensduur.
Te verwachten ontwikkelingen
Al deze drie zaken ontwikkelen zich de ‘goede’ kant op: batterijen worden goedkoper, batterijen worden lichter en batterijen gaan langer mee. Wetenschappers verwachten dat het einde van deze ontwikkelingen nog lang niet in zicht is. Prijzen voor truck batterijen kunnen nog met 70% zakken tot 2030.
Gewicht kan nog met 35% zakken tot 2030.
Laadcycli kunnen nog oplopen tot boven de 10.000 tot 2030.
Verschillende smaakjes
Maar een Li-ion batterij is niet zomaar een Li-ion batterij. Er zijn verschillende ‘smaakjes’. Zo’n smaakje komt tot stand door het gebruik van de materialen in de batterijen. De belangrijkste smaken die we op dit moment kennen zijn:
NMC NCA
LFP
Waarbij de letters staan voor de gebruikte materialen in de batterij: NMC – Nickel Manganese Cobalt, NCA – Nickel Cobalt Aluminium en LFP Lithium Ferro Phosphate (Lithium IJzer Fosfaat). Binnen deze drie smaakjes zijn ook nog weer verschillende specificaties mogelijk. Die zullen we ook even kort behandelen.
Laten we ze alle drie even langs lopen:
Nickel – Manganese – Cobalt / Nikkel Mangaan Cobalt
NMC is een veel gebruikte batterij-chemie. Tot voor kort de verreweg het meest toegepaste batterij chemie. Als je NMC vergelijkt met NCA en LFP is NMC het gemiddelde broertje van de drie. Het heeft een goede energiedichtheid, wat betekent dat de NMC veel wordt toegepast in toepassingen waar volume en gewicht belangrijk zijn. Op dit moment heeft NMC een energiedichtheid van 250Wh/kg op cell niveau. De verwachting is dat dit de aankomende jaren gaat oplopen naar 300Wh/kg. Maar ook 400Wh/kg per kg is niet uitgesloten. NMC is duurder dan LFP, en ongeveer net zo duur als NCA.
Voor het aantal laadcycli geldt min of meer hetzelfde. Minder dan LFP maar meer dan NCA.
NMC batterijen kunnen meer dan 2.000 laadcylci mee voordat ze minder dan 80% van hun originele capaciteit bereiken. Bij een actieradius van 350km komt dat dus neer op een kilometrage van 700.000km.
Binnen NMC zijn er ook nog weer verschillende samenstellingen. Denk aan NMC111, NMC 432, NMC 532m, NMC622 en NMC811. De cijfers achter de letters geven een indicatie hoe de gebruikte materialen zich tot elkaar verhouden. Dus bij NMC111 wordt er evenveel nikkel als mangaan en cobalt gebruikt. Terwijl bij het veel moderne NMC811 het aandeel nikkel 8 keer zo groot is als de aandelen van zowel mangaan als cobalt.
Onder andere Mercedes-Benz gebruikt NMC(811) batterijen voor haar eActros en eEconic.
Nikkel
NCA is -net als NMC- een batterij samenstelling met een hoog nikkel gehalte, ook wel nikkel-rijk genoemd. Nikkel heeft de eigenschap dat het veel energie kan opslaan, maar dat het een meer instabiele samenstelling is.
Heb je wel eens gehoord dat je een Li-ion batterij niet verder moet ontladen dan de laatste 10% en maximaal moet opladen tot 80 á 90%? Dan gaat het over een nikkel-rijke batterij.
Om die instabiliteit te compenseren is cobalt en mangaan of aluminium nodig. Je zou dus kunnen zeggen dat het de kunst is zoveel mogelijk nikkel te gebruiken, gecombineerd met zo min mogelijk mangaan of cobalt. Zoals je in onderstaande afbeelding kunt zien, lijken NMC811 en NCA erg veel op elkaar. NMC811 is een relatief nieuwe samenstelling. Deed NMC622 nog onder voor de NCA samenstelling als het gaat om volume? De NMC811 streeft de NCA ruim voorbij als het gaat om gewicht en volume.
Nickel Cobalt Aluminium – Nikkel Cobalt Aluminium
NCA en NMC811 lijken dus veel op elkaar. Toch zijn er wat verschillen.
Wat betreft laadcycli is NCA de zwakste broeder. Na 1.000 tot 1.500 laadcycli is de batterij versleten. Bij een actieradius van 350 kilometer komt dat dus neer op een kilometrage van ongeveer 525.000km.
Waarom zien we dan toch veel NCA batterijen in voertuigen, en niet NMC811? NMC811 is een relatief jonge batterijchemie. NCA is een stuk meer productierijp dan NMC811. Gaan we dus meer NCM811 zien ten faveure van NCA? Ik denk het wel.
Volvo zal de NCA samenstelling gebruiken voor de FM, FMX en FH electric. Ook
Tesla gebruikt(e) NCA voor de meeste van haar voertuigen.
Maar om het weer ingewikkelder te maken; de opvolger van NCA staat ook alweer klaar: NCMA en NA9505, waar de eerste cobalt nog verder verminderd, zit er in NA9505 helemaal geen cobalt meer verwerkt. Maar het lijkt er niet op dat we “binnenkort” NA9505 kunnen verwachten in trucks. Terwijl dat van NCMA wel goed mogelijk is.
Cobalt
Even tussendoor. Waarom zijn die batterij- en voertuigfabrikanten zo naarstig opzoek naar batterijen zonder, of met minder cobalt? Dat heeft drie belangrijke redenen:
1. Cobalt wordt gewonnen in mijnen waar de omstandigheden voor mens en milieu vaak niet goed zijn. We proberen klimaatverandering tegen te gaan, om mens en milieu te beschermen. Met het delven van cobalt komen we in een vervelende spagaat.
2. Bijna 70% van alle cobalt wordt gewonnen in Congo. Een land dat niet bekend staat als een stabiele regio. Behalve dat mens en milieu hier niet op het eerste plan komen, is de instabiliteit van het land ook een gevaar voor de beschikbaarheid van cobalt. Gaat Congo op slot? Dan ontstaat er een zwaar cobalt tekort.
Overigens wordt maar 10% van de cobalt gedolven als primaire grondstof. 90% van de beschikbare cobalt is een bijproduct van het delven koper (55%) en nikkel (35%).
3. Cobalt is ook nog eens de grondstof die de meeste invloed heeft op de prijs van de batterij. Cobalt is bijvoorbeeld twee keer zo duur als nikkel. Hoe minder cobalt we hoeven te gebruiken, hoe goedkoper de batterij.
Je zult begrijpen dat cobalt-arme, of nog beter, cobalt-vrije batterijen het ultieme doel zijn voor truckfabrikanten.
Lithium Ferro Phosphate / Lithium IJzer Fosfaat
Dan Lithium Ferro Phospate, of in het Nederlands gezegd; Lithium IJzer Fosfaat. LFP is terug van weg geweest. LFP heeft twee grote nadelen ten opzichte van nikkel-rijke batterijen:
1. Ze zijn zwaar
2. Ze zijn groot
(zie onderstaande afbeelding)
En toch zien we op dit moment een ware heropleving van LFP batterijen. LFP heeft vier grote voordelen:
3. Ze zijn goedkoop
4. Ze gaan lang mee
5. Ze zijn veiliger
6. Geen cobalt
LFP is een relatief oude Li-ion samenstelling. Omdat in de personenwagens en trucks gewicht en volume belangrijk zijn, is LFP een lange tijd tweede keus geweest.
Opleving LFP
Waarom zien we een enorme heropleving van LFP op het moment?
De ontwikkeling van LFP heeft niet stil gestaan. Door het toepassen van speciale coatings in de batterij, is het gelukt om de batterij lichter te maken. In het Engels worden dit “dopings” genoemd. Hierdoor is de LFP batterij de laatste jaren behoorlijk lichter geworden. Nog niet zo licht als een nikkel-rijke batterij, maar we komen in de buurt.
LFP heeft nog een trucje dat we kunnen gebruiken. Ze zijn veiliger. De opbouw van de samenstelling is een stuk stabieler dan nikkel-rijke batterijen. Daardoor hoeven batterij fabrikanten minder koelsystemen in de batterij aan te brengen. Minder koelslangen? Minder gewicht in het batterij pakket. Ten opzichte van nikkel-rijke batterij maakt LFP hier het verschil qua gewicht dus bijna helemaal goed. Dat is dus niet meer zozeer een probleem.
Wat nog wel een uitdaging is?
Volume. LFP batterijen zijn relatief groot. Dat betekent dat je meer ruimte nodig bent om dezelfde hoeveelheid energie aan boord mee te nemen. Transporteurs zullen het herkennen dat de ruimte aan een chassis beperkt is. Vandaar dat je ook ziet dat truckfabrikanten die LFP batterijen gebruiken, minder batterijcapaciteit kunnen bieden. Al heb ik aanwijzingen dat dat de aankomende jaren ook flink gaat veranderen.
Daarna alleen maar voordelen!
- LFP is ongeveer 10% goedkoper om te produceren dan nikkel-rijke batterijen. Voor trucks kan dat zomaar €20.000,- per truck verschil maken.
- LFP is veiliger. Heb je een aanrijding en is het je gelukt om je batterijpakket zo te beschadigen dat de cellen kortsluiting maken? Dan zal LFP wel roken, maar niet zo snel vlam vatten. Toch een fijn gevoel.
- LFP gaat ook langer mee. 2.500 laadcycli is de ondergrens. Dat komt neer op 875.000km bij 350 kilometer actieradius. Maar ook 5.000 laadcycli zijn bij LFP absoluut niet uitgesloten. Reken je dat zelf even uit?
- Geen cobalt, dus minder vatbaar voor ontwikkelingen op de grondstoffenmarkt.
Als we kijken naar de truckmarkt dat zien we dat DAF/VDL al sinds het begin LFP batterijen gebruikt. Recentelijk heeft Mercedes-Benz ook aangekondigd in 2024 te komen met een lange afstandstruck met… LFP batterijen.
Beoordelen nieuwe batterijtechnologie
De batterij techniek ontwikkelt zich in hoog tempo. Maar laat je niet verleiden om alle verhalen van ontwikkelaars zomaar aan te nemen. Bijna elke dag is er wel een nieuwsbericht over de nieuwe batterijtechniek die “alles zal veranderen”. Bij het beoordelen van deze berichten is het verstandig om te kijken wat er “niet wordt verteld”. Heeft een batterij een hoge energiedichtheid? Let dan op de kosten per kWh en het aantal beloofde laadcycli. Komen die niet in het bericht voor? Dan is er grote kans dat de batterij ontzettend duur zal zijn, of maar een heel beperkte levensduur heeft. Ook is het verstandig om bekijken welk bedrijf de technologie presenteert. Is het één van de grote spelers als LG Chem, Panasonic of CATL, dan is er geen reden tot twijfel. Is het een startup zonder trackrecord? Dan mag je de beloften sneller met een korreltje zout nemen.
Technologie ontwikkelt zich in hoog tempo
Toch is de snelheid waarmee batterijtechniek zich ontwikkeld niet te onderschatten. Elk jaar worden batterij “procenten beter”.
Was NCA de meest energiedichte chemie? NMC811 haalt NCA in.
Was het gebruiken van LFP niet zinvol? Het duurde een paar maanden en de helft van alle uitgeleverde Tesla’s werden voor zien van een LFP batterij.
CATL Qilin batterij
Zo presenteerde CATL (’s werelds grootste batterijproducent) haar Qilin batterij. Deze techniek heeft niet zozeer betrekking op de chemie van de cellen, maar wel op hoe deze cellen samen in een batterijpakket worden gestopt. CATL haalt alle overbodige zaken uit de batterij. Daardoor wordt het batterijpakket lichter en kleiner. Op pack-niveau haalt deze batterij een energiedichtheid van 255Wh/kg (3,95kg per kWh) bij nikkelbatterijen. Ook is deze batterijpack te gebruiken met een LFP cell, dan komt de energiedichtheid neer op 160Wh/kg (6,25kg/kWh).
CATL zegt dat het met dit batterijpakket mogelijk is om personenwagens te produceren met een actieradius van 1.000km. Wat zou dat voor trucks gaan betekenen?
Conclusie
De batterijwereld ontwikkelt zich razendsnel. Dat heeft grote invloed op elektrische vrachtwagens. De haalbaarheid van een elektrische vrachtwagen wordt met de maand beter. Het is niet de verwachting dat deze ontwikkeling snel stagneert. Als koper van een elektrisch vrachtwagen is het niet verstandig om op detailniveau in de batterijen te verdiepen. De ontwikkelingen volgen elkaar snel op, en er bestaat een goede kans dat binnen een jaar, je ontwikkelde kennis achterhaald is.
Betekent dat je dan maar niet in batterijen moet verdiepen? Jazeker wel! Een goede basiskennis van Li-ion batterijen helpt je om de batterijen beter te behandelen. Een betere behandeling, betekent een betere levensduur. Een betere levensduur is een beter verdienmodel.
Meer weten over elektrische vrachtwagens? Zoek contact met een onafhankelijk expert op het gebied van zero-emission trucks!