Doorbraak in batterijbeheer: beter inzicht in prestaties van lithium-ijzerfosfaat (LFP)-batterijen

LFP-batterijen zijn er al sinds midden jaren negentig. Maar ondanks hun vele gunstige eigenschappen, zijn ze lange tijd minder populair geweest dan hun op kobalt gebaseerde tegenhangers – puur omdat ze een lagere energiedichtheid hebben.

Dit tij is de laatste jaren gekeerd doordat ontwikkelaars inspelen op het vermogen van LFP-batterijen om veilig te functioneren bij hogere temperaturen, zonder risico op brandgevaar. Het voorspellen van batterijgedrag op basis van de laad- en gebruiksgeschiedenis berustte echter nog steeds op methodes die uit de jaren ’90 stammen.

Het voorspellen van batterijgedrag is belangrijk omdat je bijvoorbeeld wilt weten of een elektrische auto het gewenste vermogen kan leveren. Daarnaast was er merkwaardig batterijgedrag dat wel gemodelleerd kon worden, maar niet werd begrepen. ‘Kort na piekbelasting presteert een LFP-batterij beter, met makkelijkere stroomafgifte en minder spanningsverlies,’ zegt Ombrini. ‘Mijn promotor wilde dat ik uitzocht waarom het uitmaakt op welke manier een batterij een bepaald laadniveau heeft bereikt.’

Als nucleair ingenieur sprak de gewenste bottom-up aanpak hem wel aan. Hij werd bovendien gemotiveerd door het belang van batterijen voor de energietransitie en de milieuvoordelen van LFP-batterijen, die zijn gemaakt van ruim beschikbare en gemakkelijk te winnen grondstoffen. ‘In mijn vakgebied kan het tientallen jaren duren voordat onderzoeksresultaten de praktijk bereiken. Ik zag dit als een mooie kans om tijdens mijn leven een tastbare bijdrage te leveren.’

Binnen en buiten
De elektroden in LFP-batterijen bevatten deeltjes op micrometerschaal, ongeveer zo groot als een rode bloedcel. Een directe collega van Ombrini bezocht een onderzoeksfaciliteit om te achterhalen hoe dit het laadgedrag beïnvloedt. Daar keek ze hoe elektrische lading zich onder diverse laad- en ontlaadomstandigheden over de korrels verdeelde, waarbij ze tegelijkertijd het gedrag binnenin en de spanning en stroom aan de buitenzijde mat. ‘Samen met de exacte korrelgroottes kon ik hiermee een model maken dat verklaarde waarom de batterijprestaties van de gebruiksgeschiedenis afhangen,’ zegt Ombrini. ‘Maar alleen voor dit ene specifieke exemplaar. Bij andere soorten LFP-elektrodes werkte het model niet.’

Nieuwe batterijen
De overstap naar het netwerk-model heeft ook tot enorm verbeterde rekenprestaties geleid: het kost nu slechts dertig seconden, waar eerdere driedimensionale simulaties van andere onderzoekers uren duurden. Het mooiste is dat het tijdrovende metingen voor het bepalen van de korrelgroottes overbodig kan maken. ‘Het lijkt erop dat we uit slechts enkele laadcycli de juiste nanodeeltjesverdeling kunnen afleiden.’

Zijn model kan ook toegepast worden op andere batterijtypes, zowel huidige als toekomstige. De enige voorwaarde is dat er kleine korrels inzitten van een materiaal dat slecht elektriciteit geleidt. ‘In LFP-batterijen zijn dit de lithium-ijzerfosfaatkorrels op de kathode,’ zegt Ombrini. ‘Maar we zien nu een verschuiving waarbij de grafiet-anode wordt vervangen door silicium, een halfgeleidermateriaal. Dit kan de batterijcapaciteit flink verhogen. Tegelijkertijd is er een trend om lithium te vervangen door het veel overvloedigere en goedkopere natrium. In beide gevallen kan van slecht geleidende materialen gebruikt gemaakt worden, waardoor ons model relevant en toepasbaar is.’

Vrachtwagens en vorkheftrucks
Ombrini hoopt dat zijn model de ontwikkeling van geavanceerde energieopslag zal versnellen. Hij heeft het dan ook open source beschikbaar gesteld, zodat onderzoekers en ontwikkelaars wereldwijd er hun voordeel mee kunnen doen. Zelf past hij zijn kennis nu al toe bij een bedrijf dat werkt aan de elektrificatie van mijnbouwmaterieel. ‘Denk aan enorme vrachtwagens met wielen van wel twee meter in diameter,’ zegt hij. ‘Ik hoop de batterijprestaties te optimaliseren, zodat elektrificatie echt de moeite waard is. Als we erin slagen enorme mijnbouwtrucks elektrisch te maken, wat belet ons dan nog om dat ook te doen met vorkheftrucks en ander industrieel materieel?’