Naarmate de vraag naar mobiel computergebruik en volledig elektrische auto’s toeneemt, vormen de beperkingen van de huidige batterijtechnologie een wegversperring. De elektrische batterij, die in de jaren 1790 door de Italiaanse natuurkundige Alessandro Volta werd uitgevonden, is het werkpaard geweest van talloze gadgets, apparaten en machines.
Naarmate consumentenapparaten kleiner zijn geworden en het ononderbroken gebruik ervan vóór het opladen belangrijker is geworden, is het ook steeds belangrijker geworden om batterijen zowel te miniaturiseren als energiezuiniger te maken. Dit is echter een technologische hindernis gebleken die, als hij wordt overwonnen, een belangrijke en winstgevende ontwikkeling zal zijn voor de high-tech economie van morgen.
Batterijtechnologie
Alle elektrische batterijen berusten op de fundamentele chemische reactie van reductie en oxidatie (redox) die tussen twee verschillende materialen kan plaatsvinden. Deze reacties zijn ondergebracht in een gesloten en verzegelde container. De kathode, of positieve pool, wordt gereduceerd door de anode, of negatieve pool, waar oxidatie optreedt. De kathode en de anode zijn fysiek gescheiden door een elektrolyt dat elektronen gemakkelijk van het ene uiteinde naar het andere laat stromen. Deze stroom van elektronen veroorzaakt een elektrische potentiaal, die een elektrische stroom mogelijk maakt wanneer een circuit wordt voltooid.
Wegwerpbatterijen voor consumenten (bekend als primaire batterijen), zoals de AA- en AAA-formaat cellen geproduceerd door bedrijven als Energizer (ENR), vertrouwen op een technologie die niet bevorderlijk is voor moderne toepassingen. Ten eerste zijn zij niet oplaadbaar. Deze zogenaamde alkalinebatterijen maken gebruik van een mangaandioxide-kathode en een zink-anode, gescheiden door een verdunde kaliumdioxide-elektrolyt. De elektrolyt oxideert het zink in de anode, terwijl het mangaandioxide in de kathode reageert met de geoxideerde zinkionen om elektriciteit te produceren. Geleidelijk aan stapelen de bijproducten van de reactie zich op in de elektrolyt en neemt de hoeveelheid zink die nog kan worden geoxideerd af. Uiteindelijk sterft de batterij. Deze batterijen leveren gewoonlijk 1,5 volt elektriciteit en kunnen in serie worden geplaatst om die hoeveelheid te verhogen. Bijvoorbeeld, twee AA-batterijen in serie leveren drie volt elektriciteit.
Oplaadbare batterijen (bekend als secundaire batterijen) werken op vrijwel dezelfde manier, gebruikmakend van een reductie-oxidatiereactie tussen twee materialen, maar ze laten de reactie ook in omgekeerde richting verlopen. De meest gebruikte oplaadbare batterijen op de markt vandaag zijn lithium-ion (LiOn), hoewel verschillende andere technologieën ook werden geprobeerd in de zoektocht naar een werkbare oplaadbare batterij, met inbegrip van nikkel-metaalhydride (NiMH) en nikkel-cadmium (NiCd).
NiCd waren de eerste commercieel beschikbare oplaadbare batterijen voor gebruik op de massamarkt, maar leden onder het feit dat ze slechts een beperkt aantal keren konden worden opgeladen. NiMH-batterijen kwamen in de plaats van NiCd-batterijen en konden vaker worden opgeladen. Helaas hadden zij een zeer korte houdbaarheid, zodat zij, als zij niet snel na hun productie werden gebruikt, ondoeltreffend konden zijn. LiOn-batterijen hebben deze problemen opgelost door in een kleine houder te worden geleverd, een lange houdbaarheid te hebben en veel ladingen mogelijk te maken. Maar LiOn-batterijen worden niet het meest gebruikt in consumentenelektronica zoals mobiele apparaten en laptopcomputers. Deze batterijen zijn een stuk duurder dan alkaline wegwerpbatterijen en komen meestal niet in de traditionele maten van AA, AAA, C, D etc.
Het laatste type oplaadbare batterijen waarmee de meeste mensen bekend zijn, zijn vloeibare lood-zuur batterijen, die meestal als autoaccu’s worden gebruikt. Deze batterijen kunnen veel stroom leveren (zoals bij het koud starten van een auto), maar bevatten gevaarlijke materialen, waaronder lood en zwavelzuur, dat als elektrolyt wordt gebruikt. Dit soort batterijen moet met zorg worden verwijderd om het milieu niet te vervuilen of lichamelijk letsel te veroorzaken bij degenen die ermee omgaan.
Het doel van de huidige batterijtechnologie is een batterij te maken die de prestaties van LiOn-batterijen kan evenaren of verbeteren, maar zonder de hoge kosten die met de productie ervan gepaard gaan. Binnen de lithium-ion-familie zijn de inspanningen gericht op het toevoegen van extra ingrediënten om de effectiviteit van de batterij te verhogen en tegelijkertijd het prijskaartje te verlagen. Zo worden lithium-kobalt (LiCoO2)-arrangementen nu aangetroffen in veel mobiele telefoons, laptops, digitale camera’s en draagbare producten. Lithium-mangaan (LiMn2O4) cellen worden meestal gebruikt voor elektrisch gereedschap, medische instrumenten en elektrische aandrijflijnen, zoals die in elektrische voertuigen worden aangetroffen.
Momenteel zijn er teams die onderzoek en ontwikkeling verrichten om de prestaties van lithium-gebaseerde batterijen te verbeteren. Lithium-luchtbatterijen (Li-Air) zijn een opwindende nieuwe ontwikkeling die een veel grotere energieopslagcapaciteit mogelijk zou kunnen maken – tot 10 maal meer capaciteit dan een typische LiOn-batterij. Deze batterijen zouden letterlijk lucht “ademen” door gebruik te maken van vrije zuurstof om de anode te oxideren. Hoewel deze technologie veelbelovend lijkt, zijn er een aantal technologische problemen, waaronder een snelle opeenhoping van prestatieverminderende bijproducten en het probleem van de “plotselinge dood”, waarbij de batterij zonder waarschuwing ophoudt te werken.
Lithium-metaalbatterijen zijn ook een indrukwekkende ontwikkeling, die bijna vier keer meer energie-efficiëntie belooft dan de huidige batterijtechnologie voor elektrische auto’s. Dit type batterij is ook veel minder duur om te produceren, waardoor de kosten van de producten die er gebruik van maken, zullen dalen. Veiligheidskwesties zijn echter een belangrijk punt van zorg, aangezien deze batterijen bij beschadiging oververhit kunnen raken, brand kunnen veroorzaken of kunnen exploderen. Andere nieuwe technologieën waaraan wordt gewerkt zijn lithium-zwavel en silicium-koolstof, maar deze cellen bevinden zich nog in de beginfase van het onderzoek en zijn nog niet commercieel levensvatbaar. Er zijn ook verschillende ontwikkelingen gaande rond batterijen op zonne-energie.
Investeren in batterijtechnologie
Als en wanneer batterijtechnologie in deze opwindende nieuwe richtingen van start gaat, zal dit de productiekosten verlagen voor consumentenelektronica en voor elektrische voertuigen, zoals die worden geproduceerd door Tesla Motors (TSLA). Tesla kondigde onlangs de bouw aan van een ‘gigafabriek’ om niet alleen meer voertuigen te produceren, maar ook zijn eigen LiOn-batterijen in huis te produceren, in samenwerking met de Japanse elektronicagigant Panasonic (ADR:PCRFY). Door het probleem van de batterijproductie in eigen handen te nemen, heeft Tesla misschien een geweldige manier gevonden om beleggingsblootstelling te krijgen aan zowel elektrische auto’s als batterijtechnologie.
De batterijtechnologiemarkt is enigszins bijziend met nieuwe technologieën, ontwikkelingen en partnerschappen die de industrie vooruit katapulteren. Visiongain’s “Top 20 Lithium-Ion Battery Manufacturing Companies Report 2018” biedt veel inzicht in de batterijtechnologiemarkt en zijn topfabrikanten. Bedrijven in het rapport zijn onder meer de volgende:
- A123 Systems Inc.
- Automotive Energy Supply Corporation (AESC)
- Aviation Industry Corporation of China (AVIC)
- BYD Company Ltd.
- CBAK Energy Technology Inc.
- Comtemporary Amperex Technology Ltd (CATL)
- GS Yuasa Corporation
- Hefei Guoxuan High-tech Power Energy Co, Ltd
- Hitachi Chemical Co., Ltd.
- Johnson Controls International Plc.
- LG Chem
- Microvast Inc.
- Panasonic Corporation
- Saft Batteries
- Samsung SDI Co. Ltd.
- TDK Corporation/Amperes Technology Ltd (ATL)
- Tesla Inc.
- Tianjin Lishen Battery Joint-Stock Co, Ltd.
- Tianneng Power International Ltd
- Toshiba Corporation
Andere opmerkelijke namen in de batterij-industrie zijn onder meer:
- Arotech Corp (ARTX) ontwikkelt en distribueert lithium- en zink-luchtbatterijen en rekent het Amerikaanse leger onder zijn klanten.
- PolyPore Inc. (PPO) produceert zeer gespecialiseerde lithium-polymeerbatterijen, voornamelijk voor industrieel en medisch gebruik.
- Ener1 (OTCMKTS:HEVVQ) is een alternatief energiebedrijf dat een joint venture met Delphi Automotive (DLPH) heeft waarin het een meerderheidsbelang heeft, om batterijoplossingen voor elektrische voertuigen te creëren.
- Haydale Graphene Industries PLC (LON:HAYD) is een Brits bedrijf dat gebruik maakt van nanotechnologie en het materiaal grafeen om onder meer op grafeen gebaseerde batterijen te produceren.
- Applied Graphene Materials (OTCMKTS:APGMF) doet ook onderzoek naar op grafeen gebaseerde toepassingen.
- EnerSys is een pure-play op batterijen. Het is momenteel de grootste maker van industriële batterijen wereldwijd.
Er is ook de Global X Lithium & Battery Tech ETF (LIT). Deze ETF probeert de Solactive Global Lithium Index te volgen en biedt blootstelling aan een gediversifieerde portefeuille van beursgenoteerde bedrijven die zich voornamelijk richten op lithium, waaronder de winning van lithium, de raffinage van lithium en het gebruik van lithium in de batterijproductie. Top holdings in de LIT ETF vanaf oktober 2018 waren onder meer de volgende:
- FMC CORP 18,06%
- ALBEMARLE CORP 17.64%
- SAMSUNG SDI CO LTD 7,40%
- ENERSYS 6,91%
- QUIMICA Y MINERA CHIL-SP 6,62%
- LG CHEM LTD 5.41%
- GS YUASA CORP 4,95%
- PANASONIC CORP 4,60%
- TESLA INC 4,37%
- SIMPLO TECHNOLOGY CO LTD 4,24%
The Bottom Line
Batterijen voor energie zijn altijd belangrijk geweest in het moderne tijdperk. Maar met de komst van mobiel computergebruik en elektrische auto’s zal hun belang alleen maar toenemen. Op dit moment maken accu’s bijvoorbeeld meer dan de helft uit van de kosten van een Tesla-auto.
Omdat ze steeds belangrijker worden, neemt het onderzoek naar nieuwere en betere oplaadbare batterijen een hoge vlucht. Lithium-lucht- en lithium-metaalbatterijen kunnen de vooruitgang blijken te zijn waar het om gaat. Als deze technologieën hun vruchten afwerpen, kunnen beleggingen in grote bedrijven die zich bezighouden met de productie van batterijen, in pure-play lithium-ionfabrikanten, of indirecte blootstelling via producenten van lithiummetaal helpen om de toekomstige prestaties van een portefeuille te versterken.