Nieuw Li-ion-ontwerp maakt snel opladen van elektrische voertuigen in de kou mogelijk

De wereldwijde markt voor elektrische voertuigen (EV's) groeit fors: één op de vijf verkochte auto's is elektrisch. 

Vorig jaar groeide het aantal verkochte elektrische auto's met 25%. Daarmee was het aandeel elektrische auto's in de totale autoverkoop wereldwijd 21%.

Deze groei wordt aangewakkerd door de consumentenvraag, die zich zorgen maakt over klimaatverandering, beleidsondersteuning van overheden wereldwijd, toenemende prijsconcurrentie, de betaalbaarheid van elektrische voertuigen en verbeteringen in de batterijtechnologie.

Op het gebied van batterijen zijn lithium-ionbatterijen de populairste en meest gebruikte batterijtechnologie vanwege hun lichte gewicht, hoge energiedichtheid en lange levensduur. 

Ondanks deze vooruitgang in batterijtechnologie presteren bestaande Li-ion-batterijen echter beperkt bij lage temperaturen en snelladen. Hun prestaties worden ook beïnvloed als de elektrode te dik is, waarbij meerdere effecten van massatransport en grensvlakkinetiek tegelijkertijd moeten worden aangepakt.

Dit leidt tot ontwerpcompromissen die het gebruik van batterijen beperken in gebieden die moeilijk te elektrificeren zijn. Dit geldt met name voor extreme omgevingen en configuraties waar thermisch beheer niet haalbaar is. 

Dit betekent dat de verbetering van lithiumbatterijen vraagt ​​om een ​​oplossing voor het dilemma tussen elektroden met een hoge energiedichtheid, werking bij lage temperaturen en snel opladen. 

Met dit doel voor ogen hebben ingenieurs van de Universiteit van Michigan een strategie ontwikkeld die extreem snel opladen mogelijk maakt, tot 6 °C, bij temperaturen tot -10 °C. Snelladen bij lage temperaturen belooft elektrische auto's in koude klimaten te verbeteren. 

Het snel opladen bij temperaturen onder nul werd gerealiseerd terwijl de elektrodebelasting >3 mAh/cm2 werd gehandhaafd. 

Hiervoor introduceert het team een ​​strategie die driedimensionale elektrodearchitecturen integreert met een kunstmatige vaste-elektrolytinterface (SEI) met behulp van atomaire laagafzetting van een vaste elektrolyt (Li3BO3-Li2CO3). 

Deze synergetische strategie kan grensvlak- en transportbeperkingen onder extreme omstandigheden aanpakken zonder schadelijke Li-plating. Door de elektroden aan te passen om het massatransport en de grensvlakkinetiek te verbeteren, werd hun toegankelijke capaciteit vergroot.

Volgens de studie, gepubliceerd in Joule¹Het biedt fundamentele inzichten in de dominante mechanismen die de lithiumplating en capaciteitsvermindering onder lage temperaturen en snelle oplaadomstandigheden controleren.

Snel opladen voor elektrische voertuigen bij koud weer 

De wereldwijde acceptatie van elektrische auto's groeit al sinds de jaren 2010 gestaag. In 2020 beleefden elektrische auto's hun hoogtepunt toen het aantal registraties in belangrijke markten ondanks de COVID-pandemie toenam. 

Elektrische voertuigen hadden hun rrecordjaar in 2020, Tegen het einde van het jaar zullen er meer dan 10 miljoen van deze voertuigen op de weg rijden, waarbij de uitbreiding wordt aangejaagd door batterij-elektrische modellen.

Sindsdien zijn elektrische auto's steeds populairder geworden en een veelvoorkomend verschijnsel op de weg. De groei neemt echter nu af. 

Volgens een consumentenonderzoek van AAA daalde het aantal Amerikaanse volwassenen dat "waarschijnlijk" of "zeer waarschijnlijk" een nieuwe of gebruikte elektrische auto zou kopen van 23% in 2023 naar 18% in 2024. Bovendien gaf 63% aan dat het "onwaarschijnlijk" of "zeer onwaarschijnlijk" zou zijn dat hun volgende auto een elektrische auto zou zijn. 

"Vroege adopters die een elektrische auto wilden, hebben er al een", merkte Greg Brannon, directeur auto-onderzoek bij AAA, afgelopen zomer op. "De resterende groep mensen die nog geen elektrische auto heeft, kijkt naar de praktische kant, de kosten, het gemak en de ervaring met het bezit. Voor sommigen zijn dat grote obstakels die hen ervan weerhouden de overstap naar volledig elektrisch te maken." De interesse verschuift naar hybrides.

Deze verschuiving is deels te wijten aan zorgen over een afnemende actieradius in de winter en langzamer opladen. In de winter moeten accu's warm genoeg zijn om elektronen te laten bewegen, wat betekent dat het een half uur kan duren om de accu op te warmen en klaar te maken om op te laden. Volgens Neil Dasgupta, universitair hoofddocent werktuigbouwkunde en materiaalkunde aan de UM:

Het opladen van een elektrische autoaccu duurt 30 tot 40 minuten, zelfs bij agressief snelladen, en in de winter loopt dat op tot meer dan een uur. Dit is het pijnpunt dat we willen aanpakken. 

Studies hebben aangetoond dat het bereikverlies kan variëren van 10% tot 36%. Het punt is dat bij lage temperaturen "vrijwel alles wat een chemische stof is, langzamer gaat."

Daarom ontwikkelden de UM-ingenieurs een aangepast productieproces voor accu's voor elektrische auto's, waarmee snelladen bij vriesweer en met een hoog bereik mogelijk is. Nu deze grote problemen zijn opgelost, kan dit proces de acceptatie van elektrische auto's verder stimuleren. 

We zien deze aanpak als iets dat fabrikanten van elektrische autobatterijen zouden kunnen toepassen zonder grote veranderingen aan bestaande fabrieken. Voor het eerst hebben we een manier getoond om tegelijkertijd extreem snel te laden bij lage temperaturen, zonder dat dit ten koste gaat van de energiedichtheid van de lithium-ionbatterij. 

– Corresponderende auteur van de studie, Dasgupta

Door gebruik te maken van dit nieuwe productieproces, Li-ion EV-batterijen kan tot 500% sneller opladen, zelfs bij -14°C.

Deze sterke prestaties zijn te danken aan een structuur en coating die de vorming van lithiumplating op de elektroden van de batterij voorkomt. Lithiumplating is schadelijk voor batterijen en belemmert hun prestaties door capaciteitsvermindering en een kortere levensduur. Het kan zelfs een potentieel veiligheidsrisico vormen in de vorm van interne kortsluiting door de vorming van lithiumdendrieten. 

Door de vorming van Li-plating te voorkomen, zorgen de aanpassingen ervoor dat de batterijen maar liefst 97% van hun capaciteit behouden. Dat is zelfs zo nadat ze 100 keer snel zijn opgeladen bij zeer lage temperaturen.

Het ontwerpen van een batterij met betere snelheid, bereik en koudebestendigheid

Batterijen van elektrische voertuigen slaan chemische energie op en zetten deze om in elektrische energie. Deze omzetting wordt aangestuurd door een elektrochemische reactie waarbij lithium-ioncellen een anode (negatieve elektrode) en een kathode (positieve elektrode) gebruiken, gescheiden door een separator en een elektrolyt. 

De elektrolyt, een oplossing zoals een lithiumzout, vergemakkelijkt de overdracht van ionen tussen de kathode en de anode. Deze ionenbeweging drijft de elektronenstroom door een extern circuit aan, waardoor elektrische energie ontstaat om het aangesloten apparaat van stroom te voorzien.

Tijdens het ontladen, wanneer de batterij in gebruik is, geeft de anode lithiumionen af ​​aan de kathode. Tijdens het opladen, dat wil zeggen wanneer de batterij is aangesloten op een stroombron, geeft de kathode de lithiumionen af ​​aan de anode. Bij koude temperaturen verloopt de beweging van ionen trager, waardoor de batterij minder snel oplaadt en minder energie verbruikt.

Om de actieradius van een elektrische auto te vergroten, oftewel de afstand die hij op één acculading kan afleggen, hebben autofabrikanten gekozen voor een dikkere elektrode. Dit heeft autofabrikanten in staat gesteld om langere ritten aan te bieden voordat er opnieuw moet worden opgeladen, maar het maakt een deel van het lithium ook lastiger bereikbaar, wat leidt tot langzamer laden en minder vermogen voor een gegeven accugewicht.

Het UM-team eerder verbeterd² the het laadvermogen van de batterij door het creëren van paden in de anode, elk 40 micron grootDe kanalen dienden als diffusiepaden voor snel ionentransport.

Hiervoor demonstreerden ze een laserpatroonproces om driedimensionale grafietanodearchitecturen te produceren. Bij dit proces bestookten ze het grafiet met lasers, waardoor de Li-ionen sneller hun weg konden vinden. Door diep in de elektrode te slaan, zorgden ze voor een gelijkmatigere lading.

Tijdens tests bleek hun ontwerp een capaciteitsbehoud van 91% en 86% te hebben na respectievelijk 600 cycli van 4C en 6C. Dankzij het 3D-anodeontwerp konden cellen tijdens snelladen ook een capaciteit van > 90% bereiken.

Ondanks de aanzienlijke versnelling van het opladen bij kamertemperatuur, bleef het opladen bij koude temperaturen inefficiënt. Dit kwam door de chemische laag die zich op het oppervlak van de elektrode vormt als gevolg van de reactie met de elektrolyt.

“Die plating verhindert dat de hele elektrode wordt opgeladen, waardoor de energiecapaciteit van de batterij opnieuw wordt verminderd.” 

– Medeauteur van de studie Manoj Jangid, senior onderzoeker werktuigbouwkunde aan de UM.

De oplossing voor dit probleem was het voorkomen van de vorming van de oppervlaktelaag. Dit werd bereikt door de batterij te coaten met een materiaal van lithiumboraatcarbonaat. Deze coating, met een dikte van ongeveer 20 nm, versnelde het koudladen.

Toen dit werd gecombineerd met de kanalen, bleken de testcellen 500% sneller op te laden bij temperaturen onder het vriespunt.

“Dankzij de synergie tussen de 3D-architectuur en de kunstmatige interface kan dit werk tegelijkertijd het trilemma van snelladen bij lage temperaturen voor lange afstanden aanpakken.”

– Eerste auteur Tae Cho, een recent afgestudeerde Ph.D. in werktuigbouwkunde

Het daaropvolgende werk om een ​​fabrieksklaar proces te ontwikkelen, wordt gefinancierd door de Michigan Economic Development Corporation.

Het ingenieursteam van de UM heeft ook patentbescherming aangevraagd. Ondertussen heeft Arbor Battery Innovations – een entiteit waarin zowel Dasgupta als de universiteit een financieel belang hebben – een licentie verkregen voor de kanaaltechnologie en werkt nu aan de commercialisering ervan.

Innovatief bedrijf

Ford Motor (F -1.05%) 

Als we nu kijken naar een innovatief bedrijf in de wereld van batterijen en elektrische voertuigen, dan is de marktkapitalisatie van Elon Musk met $ 875.5 miljard Tesla (TSLA + 1.83%) Tesla is de meest prominente naam, maar heeft het moeilijk. De aandelen zijn dit jaar met 32.6% gedaald en noteren op 261.23. Het bedrijf, dat geen dividend uitkeert, leed in het eerste kwartaal van 13 ook een daling van 1% in de leveringen van 2025 voertuigen ten opzichte van een jaar geleden. In dit kwartaal kreeg Tesla te maken met boycots, protesten en zelfs criminele activiteiten vanwege de betrokkenheid van CEO Musk bij de regering-Trump.

Dan is er nog de marktkapitalisatie van $ 7.1 miljard Albemarle Corporation (WIT -4.43%), een van de grootste lithiumproducenten en cruciaal voor de toeleveringsketen van lithium-ionbatterijen. De aandelen van ALB zijn dit jaar tot nu toe ook met bijna 30% gedaald, hoewel het bedrijf een dividendrendement van 2.68% uitkeert.

In de EV-infrastructuur, Chargepoint (CHPT -3.91%), met een marktkapitalisatie van $ 273.3 miljoen, kampt ook met een uitdagende omgeving. De omzet is gedaald en de aandelen zijn dit jaar met 44.25% gedaald, met een koers van $ 0.60.

Zijn er bedrijven die het echt goed doen? Nou, de Chinese bedrijven BYD en CATL in ieder geval wel.

De Chinese automaker en batterijfabrikant ziet een aanzienlijke financiële groei, rapportage een jaarlijkse omzet van $ 107 miljard in 2024, waarmee het Tesla voorbijstreeft. "BYD is marktleider geworden in elke sector, van batterijen en elektronica tot nieuwe energievoertuigen. Het doorbreekt de dominantie van buitenlandse merken en geeft het nieuwe landschap van de wereldmarkt vorm", aldus BYD-president Wang Chuanfu.

In het eerste kwartaal van 1 verkocht BYD bijna een miljoen personenauto's, een stijging van 25% ten opzichte van het eerste kwartaal van 58.7. Iets meer dan 1 voertuigen hiervan werden naar het buitenland geëxporteerd, een stijging van 24% ten opzichte van het eerste kwartaal van 200. Zelfs de aandelen zijn dit jaar met maar liefst 110.5% gestegen, met een koers van $ 1 en een dividendrendement van 24%.

Hedendaagse Amperex Technology Co., Limited (CATL) is een andere toonaangevende Chinese batterijfabrikant die op het punt staat goedkeuring te krijgen van de Hong Kong Stock Exchange voor een beursnotering ter waarde van 5 miljard dollar. Dit zal de financiële positie van het bedrijf versterken en de uitbreidingsplannen ondersteunen.

Buiten China boekt de Duitse autofabrikant Volkswagen AG ook grote vooruitgang en rapporteert een stijging van 1.4% in zijn wereldwijde leveringen tot 2.13 miljoen eenheden in het eerste kwartaal van 2025. Deze stijging is te danken aan groei in Europa en Noord- en Zuid-Amerika, terwijl de leveringen op de Chinese markt met 7.1% zijn gedaald. Desondanks wordt verwacht dat de operationele winst lager zal uitvallen als gevolg van een daling op de Amerikaanse markt vanwege de angst voor een wereldwijde recessie. Het bedrijf is ook van plan de prijzen te verhogen na de inwerkingtreding van Trumps autoheffingen van 25%.

Terugkomend op de Amerikaanse markt: Ford kan marktaandeel winnen als Amerikaanse autofabrikant, die het overgrote deel van zijn auto's in eigen land produceert. Het bedrijf, opgericht door Henry Ford in 1903, is goed gepositioneerd om te profiteren van de plannen van president Trump. Volgens Voorzitter Andrew Frick:

We assembleren meer Amerikaanse voertuigen en hebben meer Amerikaanse autowerkers per uur in dienst dan welke andere organisatie dan ook. We willen hier in de VS meer doen, niet minder.

Het bedrijf lanceerde onlangs een tijdelijke kortingsaanbieding als onderdeel van de campagne 'From America, For America' om meer kopers aan te trekken nu andere fabrikanten hun prijzen verhogen om de toegenomen tarieven te dekken.

"We hebben de winkelvoorraad om dit te doen en veel keuze voor klanten die een voertuig nodig hebben", aldus Ford in een verklaring, waarbij "onzekere tijden" en "de complexiteit van een veranderende economie" werden genoemd als redenen achter de verhuizing.

Met een marktkapitalisatie van $ 37.7 miljard noteren de aandelen van Ford op het moment van schrijven $ 8.91, een daling van slechts 4% dit jaar tot nu toe. Daarmee bedraagt ​​de winst per aandeel (TTM) 1.46, de koers-winstverhouding (TTM) 6.51 en het rendement op eigen vermogen (TTM) 13.42%. Het bedrijf betaalt ook een aantrekkelijk dividendrendement van 6.32%.

Voor het eerste kwartaal van 1 rapporteerde Ford een daling van 2025% in de Amerikaanse verkoop tot 1.3 eenheden, veroorzaakt door het stopzetten van de productie van enkele modellen.

Ford heeft de verwachtingen voor het vierde kwartaal van 2024 overtroffen. CEO Jim Farley voorspelde wel dat het dit jaar moeilijker zou worden voor het bedrijf. Er worden echter wel verbeteringen beloofd op het gebied van kosten en kwaliteit.

Voor dit jaar verwacht Ford dat de aangepaste winst vóór rente en belastingen (EBIT) tussen de $ 7 miljard en $ 8.5 miljard zal liggen en de aangepaste vrije kasstroom tussen de $ 3.5 miljard en $ 4.5 miljard, ervan uitgaande dat er sprake is van "tegenwind in verband met marktfactoren".

In 2024 bedroeg de totale omzet van het bedrijf $ 185 miljard, de nettowinst $ 5.9 miljard, ofwel $ 1.46 winst per aandeel, en de aangepaste vrije kasstroom $ 6.7 miljard.

Ford boekt ook aanzienlijke vooruitgang op de markt voor elektrische voertuigen, met ongeveer 97,865 verkochte volledig elektrische voertuigen in 2024, een stijging van 35% op jaarbasis. De hybrideverkoop steeg met 40% tot 187,426 eenheden. In het eerste kwartaal van 1 bereikte de verkoop van elektrische voertuigen een record van 25. Deze groei van 73,623% werd aangevoerd door hybrides, met een stijging van 26%, en elektrische voertuigen, met een stijging van 33%.

Conclusie

Batterijen, een essentieel onderdeel van elektrische voertuigen, zijn aanzienlijk verbeterd. De batterijtechnologie kampt echter nog steeds met diverse uitdagingen, zoals hoge kosten, een tekort aan materiaal, een beperkte actieradius, lange laadtijden, gebrek aan infrastructuur, veiligheidsproblemen en een goede recycling en afvalverwerking. 

Het nieuwste onderzoek, met zijn stabiliserende coating en microkanaaltjes, helpt bij het oplossen van de afweging tussen bereik en laadsnelheid, zelfs bij lage temperaturen.

Door de laadsnelheden aanzienlijk te verbeteren, toont deze studie de potentie om een ​​van de belangrijkste obstakels voor de adoptie van elektrische voertuigen weg te nemen: actieradiusangst en lange laadtijden in de winter. Dit kan niet alleen het gebruik van elektrische voertuigen versnellen, maar ook de bredere trend van elektrificatie. De grootschalige implementatie van dit proces vereist echter wel dat de kosteneffectiviteit en veiligheid behouden blijven.

Naarmate de industrie steeds snellere, efficiëntere en veiligere batterijen ontwikkelt, zullen innovaties als deze helpen de laatste obstakels voor volledige elektrificatie te overwinnen, wat leidt tot een groenere en schonere toekomst.

Klik hier voor een lijst met de beste EV-aandelen.

Geraadpleegde studies:

1. Cho, TH, Chen, Y., Liao, DW, Kazyak, E., Penley, D., Jangid, MK & Dasgupta, NP (2025). Het mogelijk maken van 6C snelladen van Li-ion-accu's bij temperaturen onder nul via interface engineering en 3D-architecturen. Joule, online gepubliceerd op 17 maart 2025. https://doi.org/10.1016/j.joule.2025.101881

2. Chen, K.-H., Namkoong, MJ, Goel, V., Yang, C., Kazemiabnavi, S., Mortuza, SM, Kazyak, E., Mazumder, J., Thornton, K., Sakamoto, J., & Dasgupta, NP (2020). Efficiënt snelladen van lithium-ionbatterijen mogelijk gemaakt door lasergepatroneerde driedimensionale grafietanodearchitecturen. Journal of Power Sources, 471, 228475. https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2020.228475