Lithium Werks is vanuit Twente begonnen aan de bouw van een mondiaal accu-imperium. De troefkaart: lithiumijzerfosfaat-technologie, die beter voldoet aan de eisen van de stationaire-opslagmarkt dan het accutype dat voor de elektrische auto in zwang is geraakt.
Of Europa niet te laat is om in batterijen te stappen, nu in Azië de ene na de andere fabriek uit de grond wordt gestampt? Welnee, zegt cto Marc Borgers van het Hengelose Super B, dat eerder dit jaar werd toegevoegd aan het ambitieuze Amerikaanse batterijbedrijf Lithium Werks. ‘We hebben een goed doordacht en voorbereid plan. Investeerders, productiepartners, infrastructuur en onderzoek: in alles hebben we voorzien. Je moet niet nog eens vijf jaar wachten, maar de markt is groot genoeg.’
De eerste elementen van Lithium Werks’ masterplan werden de afgelopen maanden onthuld. Het bedrijf kondigde de bouw aan van een researchcampus op de voormalige Twentse vliegbasis, waar op termijn 2000 tot 2500 man samen met de Universiteit Twente lithium-ion-accutechnologie gaan doorontwikkelen. Ook het contract voor de eerste fabriek is getekend. Chinese partijen schaarden zich achter de visie van Lithium Werks en financieren tachtig procent van de benodigde investering à 1,6 miljard euro.
De beoogde jaarlijkse productie in de Yangtze-delta is met acht gigawattuur naar huidige maatstaven bescheiden – Tesla’s gigafactory in Nevada zit rond de twintig gigawattuur en in China zijn nog grotere faciliteiten in voorbereiding – maar het is dan ook pas het begin. Lithium Werks wil in 2030 vijfhonderd gigawattuur per jaar produceren, in fabrieken overal ter wereld. En ja, óók in Europa.
‘Natuurlijk spelen kosten een belangrijke rol bij de keuze voor een fabriekslocatie’, zegt Borgers. ‘Maar we hebben het over complexe systemen, waarvan je in elk geval de nieuwste generaties het liefst dicht bij de research-omgeving wilt produceren. Ook hangt het af waar de grondstoffen vandaan komen en waar de klanten zijn gevestigd. Accu’s zijn niet een product om de hele wereld over te slepen. Fabrieken in Europa en zelfs – als we de ruimte kunnen vinden – in Nederland zijn zeker niet uitgesloten.’
Dat zal goed vallen de autoriteiten in Berlijn en Brussel, waar ze nieuwe regels voor staatssteun in stelling brengen om accuproductie in Europa te stimuleren. Door Europese bedrijven welteverstaan, want de Duitse bondskanselier Angela Merkel neemt geen genoegen met de fabrieken die Aziatische bedrijven in (Oost-)Europa bouwen. Zij beschouwt accutechnologie van strategisch en extreem belang. Er gaan onbevestigde berichten rond over miljardensubsidies.
Dat soort financiële steun van overheden is welkom, maar niet van doorslaggevend belang voor Lithium Werks, vertelt Borgers. ‘In dit stadium is een boost niet gek, maar we werken vanzelfsprekend met een gezond kostenmodel. Voor ons zijn vooral de infrastructuur en flexibiliteit in regelgeving belangrijk.’ Snel schakelen, dat wil Lithium Werks.
Buffers
Lithium Werks werd opgericht door twee Amerikanen die potentie zagen in een variant van lithium-ion-technologie genaamd lithiumijzerfosfaat (LFP). Met steun van een groep investeerders namen zij een patentportfolio over van A123 Systems, dat zelf geen kans zag winst te maken met de cilindrische batterijcellen op basis van de LFP-subvariant lithiumijzer-nano-fosfaat. Daarna nam Lithium Werks ook nog twee afnemers van A123’s cellen over: het Amerikaanse Valence en het Twentse Super B. Beide bedrijven produceren accu’s voor industriële, maritieme en automotivetoepassingen. De Nederlandse ondernemer Kees Koolen, bekend van de succesvolle website Booking.com, was mede-eigenaar van Super B en is nu bestuursvoorzitter van Lithium Werks.
De term ‘ijzer(nano)fosfaat’ slaat op de samenstelling van de kathode, die een bepalende invloed heeft op de eigenschappen van een batterij. De ene lithium-ion-batterij is namelijk de andere niet. Een startaccu moet in de eerste plaats een flinke piekstroom kunnen leveren, een smartphonebatterij juist dag in dag uit een kleiner stroompje. Voor een accublok op een boot gelden bijzondere veiligheidseisen, bij een elektrische auto is vanwege de actieradius energiedichtheid (maximale opgeslagen energie per kilo) weer erg belangrijk.
Er zijn zes belangrijke kathodesmaken voor lithium-ion, maar de ster van de show is op dit moment nikkel-mangaan-kobaltoxide (NMC). De fabrieken om dit batterijtype te produceren, schieten als paddenstoelen uit de grond. Op Tesla na hebben de meeste autofabrikanten dan ook een of ander NMC-recept gekozen voor gebruik in hun toekomstige elektrische modellen.
‘LFP is voor dat doel minder geschikt omdat het een lagere energiedichtheid heeft dan NMC’, vertelt Borgers. ‘Maar dat is dan ook het enige nadeel. Daartegenover staan verbeterde levensduur en veiligheid, en in het geval van ons nanofosfaat een grotere vermogensdichtheid, wat wil zeggen dat de batterij per kilo meer stroom kan opnemen of afgeven.’
De superieure levensduur en vermogensdichtheid maken de nanofosfaattechnologie bij uitstek geschikt voor stationaire energieopslag, denken ze bij Lithium Werks. Deze batterijmarkt is nog niet zo sterk ontwikkeld als die voor automotive en consumentenelektronica, maar met een transitie naar duurzame energiebronnen voor de deur zijn de verwachtingen niet minder hooggespannen. Omdat het energieaanbod van windmolens en zonnecellen per definitie fluctueert, moeten er immers buffers worden ingebouwd in het elektriciteitsnet – buffers die razendsnel moeten kunnen reageren op het energieaanbod.
‘Lithium is de komende tien tot vijftien jaar de meest voor de hand liggende technologie voor dit type energieopslag’, stelt Borgers. ‘Wij zien niets dat ermee kan concurreren. De generatie erna zal trouwens óók op basis van lithium zijn, maar dan als vastestofbatterijen. Sommigen denken die al over enkele jaren te kunnen produceren; wij denken dat dat langer gaat duren.’
Kobalt
Als opslagstations over het land worden verspreid, is het wel zo prettig als die geen tikkende tijdbommen zijn. De meeste typen lithium-ion-batterijen zijn echter kwetsbaar. Bij interne kortsluiting, overladen, blootstelling aan overmatige warmte of beschadiging kunnen ze in brand vliegen of ontploffen. Deze risico’s moeten worden ondervangen door batterijmanagementsystemen en ingebouwde fysieke veiligheidsmaatregelen, maar helemaal geperfectioneerd zijn die nog niet. Denk bijvoorbeeld aan de spontaan ontbrandende Galaxy Note-telefoons of de diverse accubranden in Boeing 787-vliegtuigen.
‘LFP-batterijen kunnen ook ontbranden, maar doen dat pas bij een hogere temperatuur en onder afgifte van minder energie. Het risico dat een defecte cel leidt tot een kettingreactie in de hele batterij is daardoor aanzienlijk lager. Er komt bovendien geen zuurstof vrij, waardoor de brand niet verder wordt aangewakkerd, en blussen met water is geen probleem. Er kunnen dus gerust sprinklers in de opslagstations worden aangebracht.’
Maar misschien wel de belangrijkste troef van Lithium Werks is dat LFP-batterijen geen kobalt bevatten. Borgers: ‘Er verschijnen regelmatig negatieve berichten over de winning van kobalt en de prijs van dit element is de afgelopen jaren verdrievoudigd. Batterijfabrikanten proberen daarom minder kobalt te gebruiken. Oorspronkelijk was de verhouding nikkel:mangaan:kobalt 1:1:1, gaandeweg is dat veranderd naar 6:2:2. Wij denken dat daarmee de grens is bereikt. Nog minder kobalt – en dus verdere kostprijsreductie langs die weg – zal niet mogelijk blijken.’
‘De verlaging van het kobaltgehalte gaat ten koste van de veiligheid, levensduur en uiteindelijk de energiedichtheid. Ik wil niet zeggen dat je geen veilige NMC-accu kunt bouwen, maar de daarvoor vereiste aanvullende maatregelen als gasdetectiesensoren en actieve brandonderdrukkingssystemen maken de batterij complexer, duurder en reduceren de energiedichtheid.’
Hoewel stationaire opslag dus de eerste aanlooproute is van Lithium Werks, laat Borgers doorschemeren dat op termijn elektrisch rijden alsnog een afzetmarkt zou kunnen worden. ‘Als je NMC wilt snelladen, moet je koelen. Dat gaat ten koste van de efficiëntie. LFP hoef je in veel gevallen niet te koelen.’ De toekomstige onderzoekers en engineers op de Twentse campus weten wat hun te doen staat.