Lithium, het belangrijkste element in de batterijen van elektrische auto’s, wordt steeds duurder en de productie is slecht voor het milieu. Fabrikanten vrezen schaarste en zoeken naar een alternatief. Dat is er, maar erg ver komen auto’s er nog niet mee.

Uit Maarten! 2024-1. Bestel losse nummers hier of word abonnee

Elektrische voertuigen veroveren gestaag de straten en wegen. Interne verbrandingsmotoren, de verslinders van aardolieproducten, maken plaats voor herlaadbare batterijen. Het magische spul dat deze batterijen aan de gang houdt, heet lithium. Vorige zomer kwam in het nieuws dat enkele grote autofabrikanten plannen koesteren belangen te verwerven in de lithiumwinning en -verwerking. Reden: het wordt schaars, en daarmee duur. En zoals er in de negentiende eeuw zorgen rezen dat een gebrek aan steenkool de industriële revolutie tot stilstand zou brengen, vrezen sommigen nu dat uitputting van de lithiummijnen de doodsteek kan zijn voor de energietransitie.

De experimentele batterijen waren nogal explosief

Lithium is een chemisch element en vijf keer zo licht als aluminium, maar helaas te zacht om er vliegtuigen van te maken. Lange tijd beperkten de toepassingen van het materiaal zich tot niches als kernwapens en medicijnen. Totdat het in de jaren zeventig, de tijd van oliecrisis en autoloze zondagen, ontdekt werd als beloftevol ingrediënt voor oplaadbare batterijen. Op kosten van oliebedrijf Exxon begon de Britse scheikundige Michael Stanley Whittingham ermee te experimenteren. Helaas bleken de diverse types experimentele lithiumbatterijen behalve veelbelovend ook nogal explosief te zijn, waarna Exxon er de stekker uittrok.

Toen verscheen John B. Goodenough op het toneel. Een batterij heeft een positieve (kathode) en een negatieve elektrode (anode). Goodenough ontdekte in 1980 dat een kathode van lithiumkobaltoxide de sleutel vormde tot een relatief veilige lithium-ion-batterij met bovendien een bevredigende opslagcapaciteit. In 2019, toen de impact van zijn uitvinding ruimschoots duidelijk was geworden, zou de inmiddels 97-jarige Goodenough er de Nobelprijs voor de scheikunde voor ontvangen (hij overleed vorig jaar op 100-jarige leeftijd). Ook Whittingham deelde in de prijs.

Uit het bovenstaande relaas blijkt dat het geen eenvoudige zaak is batterijen te ontwikkelen. Alle chemicaliën die erin zitten, dienen samen een welhaast perfecte dans uit te voeren. Dat Whittingham en Goodenough op het element lithium uitkwamen, was geen toeval. De kenmerkende eigenschap van het lithium-atoom is dat het in zijn buitenste schil maar één elektron herbergt. En dat elektron raakt het dolgraag kwijt. Het lithium-atoom stoot het af zodra dat mogelijk is – bijvoorbeeld omdat wij een apparaat inschakelen. Het zijn deze ‘verstoten’ elektronen die onze smartphones en elektrische auto’s aandrijven.

Zodra lithium-atomen hun buitenste elektron hebben afgeschud, worden ze ionen genoemd. De lithium-ionen leggen tijdens het ontladen van de batterij een weg af. Wat batterijontwerpers hoofdpijn bezorgt, is dat deze weg bijzonder goed geëffend dient te zijn. De lithium-ionen moeten niet vast komen te zitten in de verschillende onderdelen van de batterij waar de ionen doorheen reizen – de anode, de kathode en het elektrolyt, materie die de twee verbindt. Want anders treden er slijtage en schade op. En de essentie van een lithium-ion-batterij is nu juist dat het hele proces omkeerbaar is: het kan zich talloze malen achter elkaar afspelen door de batterij na ontlading steeds weer onder stroom te zetten – oftewel ‘op te laden’.

‘Het voltage van een batterij wordt bepaald door hoe zwak en sterk lithium gebonden is aan de anode en kathode,’ zegt Marnix Wagemaker, hoogleraar opslag elektrochemische energie (SEE) aan de TU Delft. Hoe groter dat verschil, hoe hoger het voltage. Hoeveel energie de batterij kan bevatten, is daarnaast afhankelijk van de relatieve hoeveelheid lithium die erin kan worden opgeslagen. Ook in dit opzicht is lithium tot nu toe onverslaanbaar gebleken.

Geen wonder dus dat lithium-ion-batterijen een hoge vlucht hebben genomen. Draagbare computers en smartphones zijn energieslurpers die niettemin zo compact mogelijk dienen te zijn. Lithium biedt dan soelaas. Maar het gebruiksvoorwerp dat op het punt staat tot de absolute lithiumverzwelger uit te groeien is de elektrische auto.

Knullige vormgeving

Elektrische voertuigen zijn beslist geen noviteit. Al in 1888 bracht de Duitse uitvinder en ondernemer Andreas Flocken zijn Elektrowagen op de markt. Rond 1910 was het in de hoofdstad niets bijzonders om een elektrische taxi van de Amsterdamsche Taxameter Automobiel Maatschappij te bestellen. Voor stadsritten bleken elektrische auto’s zeer geschikt. Maar daarbuiten wreekte zich, ook toen al, de beperkte actieradius. En de snelheid van de karretjes was bepaald niet om over naar huis te schrijven.

Ondertussen nam de concurrentie van de interne verbrandingsmotor toe. In 1908 verscheen de Ford Model T op de markt, de eerste auto die serie-geproduceerd werd op de lopende band. Tien jaar later bestond de helft van alle auto’s ter wereld uit dit model. Toen na de Eerste Wereldoorlog de olieprijs kelderde, stortte de verkoop van elektrische auto’s definitief in. De Detroit Electric van de Anderson Electric Car Company bijvoorbeeld leeft alleen nog in de herinnering voort als de oubollige bolide van Oma Duck. Dat is overigens niet raar, want vanwege hun bedieningsgemak (aanzwengelen was niet nodig!) werden elektrische auto’s al snel beschouwd als damesvoertuigen.

Pas tegen het einde van de jaren zestig begon de elektrische auto weer enige aandacht te trekken. De Amitron van de American Motors Corporation en Citicar van Sebring-Vanguard droegen met hun beperkte omvang en knullige vormgeving overduidelijk het stempel van de hippiecultuur. Maar de burgermanswereld nam deze karretjes op geen enkele manier serieus. De Sinclair C5 van de Britse uitvinder Clive Sinclair, een eenpersoons elektrisch cultkarretje met een actieradius van dertig kilometer, werd in de jaren tachtig wereldwijd op hoongelach onthaald.

Musks sportwagen scheurt op één acculading van LA naar San Diego – en terug

Dus toen Elon Musk zich in 2004 inkocht in de startup Tesla, begreep hij dondersgoed dat hij allereerst korte metten moest maken met het beroerde imago van de elektrische auto. Hij bedacht een provocerende marketingstunt in de vorm van de Tesla Roadster. De Roadster was alles wat de hierboven beschreven auto’s niet waren. De gestroomlijnde sportwagen was cool, snel en scheurde op één acculading van Los Angeles naar San Diego en terug. Dat laatste was mogelijk omdat de Tesla Roadster de eerste elektrische auto was met een lithium-ion-batterij.

Van de Roadster werden er slechts 2500 geproduceerd. Maar Musk had zijn punt gemaakt – en onderstreepte dat in 2018 nog eens door zijn eigen exemplaar met een van zijn raketten in een baan om de zon te schieten. De volgende, meer praktische modellen vonden gretig aftrek. Inmiddels is er ook een tweedehandsmarkt voor Tesla’s aan het ontstaan, dankzij de leasemaatschappijen die hun wagens na vijf jaar afdanken. Ondertussen dalen de prijzen van de nieuwste modellen omdat Tesla zich, met de hete adem van de concurrentie in de nek, genoodzaakt voelt zijn winstmarges in te perken.

In januari waarschuwde Musk dat een tsunami aan goedkope elektrische auto’s uit China op het punt staat de westerse auto-industrie weg te vagen. Wellicht overdreef hij, maar 2024 zou inderdaad de geschiedenis in kunnen gaan als het jaar waarin de elektrische auto definitief doorbrak.

In de ‘gigafabriek’ in het Duitse Grünheide worden Tesla’s in elkaar gezet, 9 oktober 2021.

De hamvraag luidt: bestaat daar genoeg lithium voor? Onderzoeksbureau BMI Research voorspelde vorig najaar dat het aanbod van lithium vanaf 2025 de vraag niet meer zal kunnen bijbenen. BMI schrijft het tekort grotendeels toe aan China. ‘We verwachten in de periode 2023-2032 een gemiddelde jaarlijkse groei van 20,4 procent van de Chinese vraag naar lithium voor elektrische voertuigen,’ aldus het rapport. In dezelfde periode zal de Chinese lithiumproductie volgens BMI slechts met 6 procent toenemen.

Geen wonder dat er onder de producenten van elektrische auto’s nervositeit waarneembaar is. In de VS hebben Ford en General Motors onlangs investeringen gedaan in lithiumproducenten in met name Zuid-Amerika. Als deze autofabrikanten partij willen blijven voor de Aziatische concurrentie, zit er niets anders op. De grote Chinese fabrikant BYD bijvoorbeeld fabriceert ook vrijwel alle onderdelen van zijn auto’s zelf, waaronder de batterijen. Het bedrijf gaat er prat op dat alleen de ramen en de banden worden ingekocht. Dit principe van ‘verticale integratie’ drukt de productiekosten, omdat er geen geld verloren gaat aan de marges van toeleveringsbedrijven. BYD beschikt zelfs over eigen lithiummijnen.

Keukenzout

Tesla-baas Musk, ook een verwoed voorstander van verticale integratie, maakt zich niet zozeer druk over mijnen als wel over de raffinage van lithium. ‘Het grootste probleem is dat het tempo van winning en raffinage te laag ligt,’ zei hij in 2022. Om die reden opent Tesla dit jaar een eigen lithiumfabriek aan de kust van Texas. Volgens Musk zal deze fabriek jaarlijks genoeg lithium gaan verwerken om een miljoen auto’s van batterijen te voorzien.

In Chili worden flamingo’s bedreigd door de lithiumwinning

De vraag is hoe blij we hiermee moeten zijn. Als we Musk mogen geloven (en daarbij is voorzichtigheid geboden) is de vermeende schaarste aan lithium geen werkelijk probleem. Maar los daarvan is de winning ervan beslist nadelig voor het milieu. In Latijns-Amerika slokt het geweldige hoeveelheden water op. Zwavelzuur en natriumhydroxide die nodig zijn bij de lithiumextractie vergiftigen de bodem en het grondwater, waardoor ecosystemen in het gedrang komen. Volgens onderzoek dat in 2022 gepubliceerd werd in Proceedings of the Royal Society worden in Chili twee flamingosoorten door de lithiumwinning bedreigd.

Dan is er nog het probleem dat kobalt heet. Dit element, dat nodig is in de kathode van de batterijen, wordt vooral gewonnen in de Democratische Republiek Congo, dat verreweg de grootste reserves herbergt. Behalve dat de winning het milieu verziekt, zijn de arbeidsomstandigheden mensonterend. Bovendien zwoegen er volgens cijfers van de Amerikaanse overheid ten minste 25.000 kinderen in de mijnen.

Dat zich onder het groene gras van de energietransitie adders schuilhouden, is dus zonneklaar. Het goede nieuws is dat ingenieurs er talent voor hebben schadelijke, maar schijnbaar onmisbare stoffen op den duur te vervangen door iets onschuldigers. Zo hoeven we niet langer lood in onze benzinetank en cfk’s in onze koelkast te dulden. Marnix Wagemaker van de TU Delft doet onderzoek naar batterijen die op natrium werken, in plaats van lithium. In de vorm van keukenzout is dat spul beslist niet schaars. Daar komt volgens Wagemaker bij dat ‘het lithium-ion zich relatief gemakkelijk laat vertalen naar natrium. Je hoeft de batterijfabrieken dus niet volledig om te bouwen.’

Een jonge mijnwerker daalt af in een kobaltmijn. Congo, 20 juni 2023.

Wie nogmaals een blik werpt op het periodiek systeem van de elementen, ziet dat natrium zich pal onder lithium bevindt. De twee alkalimetalen hebben inderdaad vergelijkbare eigenschappen. Ook het natrium-atoom schudt graag zijn buitenste elektron af. Het belangrijkste verschil is dat het veel zwaarder en groter is dan een lithium-atoom. Per eenheid gewicht past er daarom in een natriumbatterij minder energie: ‘Zo’n 160 wattuur per kilogram in vergelijking met circa 260 wattuur in een lithium-ion-batterij,’ zegt Wagemaker.

Maar voordelen zijn er ook. Natrium-ion-batterijen vereisen geen kobalt. Ze zijn stabieler en vliegen minder snel in de fik. Bovendien, zo zegt Wagemaker, zijn de natrium-ionen ‘als het ware zachter’. Ze reizen gemakkelijker door de onderdelen van de batterij heen dan hun lithium-neven, waardoor de batterijen sneller opgeladen raken. Dit biedt wellicht compensatie voor de geringere actieradius die de natrium-ionen aan auto’s te bieden hebben.

Betekent dit dat we aan de vooravond van een batterijrevolutie staan? ‘Het zal snel gaan,’ zegt Wagemaker. Feit is dat het Chinese BYD dit jaar begonnen is met de massaproductie van natrium-ion-batterijen. Deze zullen onder andere worden ingebouwd in de BYD Seagul, een erg betaalbare auto die de potentie heeft het elektrisch rijden te democratiseren.

Boodschappenwagens en fatbikes

Dat China inmiddels de voortrekkersrol vervult, heeft Musk goed gezien. Nu al is een derde van de auto’s die daar verkocht worden elektrisch. Deze schaalgrootte zal doorwerken in de prijzen die de Chinese fabrikanten aan buitenlandse klanten kunnen rekenen. Het is daarbij geen nadeel dat natrium-ion-batterijen, als de productie eenmaal op stoom is gekomen, volgens Wagemaker minimaal 20 procent goedkoper zullen zijn. De komende jaren zullen ze zich, zonder opzien te baren, verspreiden in de onderkant van de markt: boodschappenauto’s, scooters en fatbikes.

De Chinese BYD Seagull is een betaalbare elektrische auto met natriumbatterij.

Betekent dit het einde van het lithiumtijdperk? Zeker niet. De lichtste van de alkalimetalen blijft actieradiuskampioen, en alternatieven voor kobalt zijn in de maak. Voor toepassingen waar gewicht en batterijduur van het grootste belang zijn, denk aan smartphones en laptops, vormt natrium überhaupt geen alternatief. En in het duurdere autosegment zal actieradius een belangrijk thema blijven, al was het maar als statussymbool. ‘We zijn toen van Lyon in één keer naar huis doorgereden – inderdaad, met de Tesla.’