‘Batterijlab’ LeydenJar ontwikkelt batterij van de toekomst

“Een technologische mislukking leidt soms tot iets nieuws en geheel onverwachts”. Aan het woord is Tim Aanhane, Business Developer bij LeydenJar. “Een door TNO ontwikkelde zonnecel bleek niet zo geschikt te zijn voor de bedoelde taak. We hebben die cel op een andere manier geproduceerd. Het bleek een uitstekende energiedrager en daarmee een serieuze vervanger van de huidige generatie oplaadbare batterijen.” Daarmee heeft deze batterijtechnologie een enorm marktpotentieel: techreuzen, autofabrikanten en vliegtuigbouwers tonen interesse. In 2027 moet de echte productie op gang komen. In Leiden nemen we een kijkje achter de schermen bij de R&D achter deze batterij van de toekomst, waarbij produceren onder gecontroleerde condities – onder meer in handschoenkasten – een cruciale rol speelt.

Siliciumanode vervangt grafiet

LeydenJar heeft twee Nederlandse vestigingen. Het ‘batterij-lab’, de researchafdeling, zit in Leiden. Hier worden de batterijen onder beschermende atmosfeer, gebruikmakend van MBraun-gloveboxes, in elkaar gezet. De productie van de anodes gebeurt in Eindhoven. Wat is er nu zo bijzonder aan de batterijen van LeydenJar? Aanhane: “Vrijwel alle oplaadbare batterijen zijn gebaseerd op grafiet als anodemateriaal. Voor de juiste werking van een batterij is het belangrijk dat lithiumionen een interactie met het grafiet aangaan en daarna naar de kathode bewegen. Onze anodes – anode en kathode vormen de elektrodes in een batterij – bevatten geen grafiet, maar silicium.”

Met als groot voordeel dat er meer energieopslag mogelijk wordt. “Zes deeltjes grafiet kunnen één lithiumion vasthouden tegen maar liefst vier lithiumionen per siliciumdeeltje. Silicium heeft daardoor een veel hogere capaciteit. Dat resulteert nu al in een 50% hogere opslagcapaciteit van deze batterij ten opzichte van de huidige grafietbatterij. Ga maar na wat dat gaat betekenen voor smartphones, voor de actieradius van elektrische auto’s en voor vele andere elektrische apparaten.”

Anodeproductie in Eindhoven

Hart van de technologie is de speciale anode op basis van silicium. De productie daarvan gebeurt in Eindhoven onder beschermende omstandigheden, waarbij er tweezijdig silicium op een laag koperfolie wordt aangebracht. Dit gebeurt op een bijzondere manier, namelijk via ‘plasma-enhanced chemical vapor deposition’, kortweg de PECVD-methode. Hoe werkt deze methode? Aanhane: “Aan een reactievat, dat volledig vrij is van contaminanten, wordt een niet-reactief gas toegediend. Dit gas vormt onder hoog voltage radicalen. Vervolgens kan er dan silicium op een laag koper worden gebonden. De bijproducten en het gas dat niet gereageerd heeft, worden verwijderd. Dit nanotechproces levert een flexibel laagje silicium op koperfolie met een dikte van een paar micron, waarbij beide kanten van de koperlaag worden benut.”

Dat de laagjes ‘flexibel’ zijn, is een voordeel ten opzichte van het breekbare grafiet. Grafiet is ook minder poreus en heeft daardoor een minder hoge energieopslag.

Veel duurzamere batterij

Het gebruik van silicium voor batterijen zorgt voor een aanzienlijk lagere klimaatvoetafdruk in vergelijking met grafiet. Aanhane: “De CO₂-uitstoot gaat met 85% omlaag bij de productie van onze batterijen. Dat komt door een aantal zaken: silicium is in de vorm van siliciumoxide het meest voorkomende element op aarde. Het wordt via silaan omgezet in kristallijn silicium. Het delven en bewerken van grafiet tot een bruikbare elektrode zorgt voor enorme hoeveelheden CO₂, mede door het gebruik van fossiele brandstoffen in het proces. De depositie van silicium op een drager met onze PECVD-methode is ook nog eens energetisch veel gunstiger dan de klassieke methode. Het brengt 5 stappen terug naar 1 stap. Het is productietechnisch eenvoudiger te implementeren in bestaande batterijproductielijnen.”

Silicium kan gewoon uit Europa komen, dus dichtbij gewonnen worden. “Weet dat het delven van grafiet hoofdzakelijk in China en Afrika gebeurt, en onder zware omstandigheden wordt verricht. Het delven van silicium is minder zwaar en het kan overal ter wereld gebeuren. We zijn dus niet afhankelijk van grondstoffen van landen buiten Europa voor de ontwikkeling van onze anodes.”

Handschoenkasten voor gecontroleerde condities

Hoe gaat het maken van de batterijen nu exact in zijn werk in Leiden? De batterijproductie op basis van de door de PECVD-machines geleverde folierollen van koper met gehecht silicium moet onder gecontroleerde condities gebeuren. Dit gebeurt in handschoenkasten – MBraun gloveboxes – geleverd door Salm en Kipp. Daarbij wordt eerst een groter type glovebox ingezet en aansluitend een kleinere.

Laboratoriummanager Seçkin Anıl Sayan van LeydenJar. “Injectie- en ontgassingsfase vinden plaats in de grotere MBraun LABstarPro. Tijdens de injectiefase wordt een elektrolytvloeistof toegevoegd – vocht en contaminatie dienen vermeden te worden. Dit alles moeten we bij een gecontroleerde vochtigheid en temperatuur plaats laten vinden. Bij het testen van de batterij ontstaat gas en dat moet verwijderd worden: de ontgassingsfase. Dit levert vervolgens de batterij op.”

Het levenseinde van de batterij wordt geanalyseerd in de zogenoemde post-mortem fase. Dit is het technisch en wetenschappelijk analyseren van de batterij om de levensduur te bepalen. Sayan: “Deze fase wordt uitgevoerd in de kleinere MBraun UNIlab Pro. We scheiden de processen dus met de twee kasten.”

Glovebox-training

Aan het gebruik van de handschoenkasten ging een gedegen instructie vooraf. “Bij levering van de kasten heeft Salm en Kipp ons goed getraind in het gebruik van de MBraun-handschoenenkasten en hoe je snel alles kunt onderhouden, wat natuurlijk superhandig is. En dat doen we nu dus ook. Bij eventuele vragen zijn ze altijd snel bereikbaar.”

Training van personeel vindt hij belangrijk: “Iedereen bij ons kan leren omgaan met deze kasten. Je moet vooral leren hoe de kamers werken, de circulatie begrijpen en het dashboard dat alles aanstuurt in de kast.”

Opschaling van productie

De ontwikkelingen binnen LeydenJar gaan nu hard, zo veelbelovend blijkt de technologie. Het bedrijf heeft al stappen gezet voor de aanstaande massaproductie. Op dit moment worden in Leiden de batterijen gemaakt, en in Eindhoven de anodes, alles nog kleinschalig, hoofdzakelijk bedoeld voor research & development. Met het oog op grootschalige productie is inmiddels een alliantie aangegaan met het Chinese bedrijf HighPower. En er is meer. Een niet nader te noemen Amerikaanse techreus heeft onlangs belangstelling getoond voor de batterijen van LeydenJar en HighPower en deed recentelijk een miljoeneninvestering.

25 nationaliteiten

De internationale samenwerking reflecteert zich op de werkvloer in Leiden. “Er zijn in Leiden en Eindhoven 80 mensen werkzaam, waarvan meer dan de helft uit andere landen afkomstig is. “In totaal werken 25 nationaliteiten samen”, rekent Aanhane voor. Het multiculturele karakter van LeydenJar en HighPower zorgt voor synergie, stelt hij. “In Nederland zijn we gewend fouten te mogen maken. Deze leiden soms onverwacht tot innovatie, zoals de zonnecel heeft geleid tot onze anodes. In China wordt het maken van fouten vanuit de Chinese cultuur als minder positief beoordeeld. Maar daar heeft men weer een enorm hoge mate van standaardisatie, nodig voor het produceren van de batterijen met een hoge constante kwaliteit.”

Next-generation electronics

De focus van LeydenJar is op dit moment gericht op moderne consumentenelektronica, zoals smartphones en draagbare elektronica. Maar de markt is veel groter. Aanhane: “Drones, elektrische auto’s, elektrisch vliegen. Markten waar we zeker naar kijken. En grote vliegtuigbouwers hebben al belangstelling getoond. Dat is nu nog ver weg, maar het geeft aan hoeveel potentie onze batterijen en accu’s hebben.”

Met een investeringskapitaal van meer dan 100 miljoen euro zal LeydenJar per 2027 de eerste massaproductie van anodes realiseren in PlantOne in Eindhoven. Met een jaarlijkse capaciteit van 70 MWh gaat het daarbij om een equivalent van 5 miljoen smartphonebatterijen. Een grote Europese én duurzame stap voorwaarts.

Runner-up LeydenJar

LeydenJar is opgericht in 2016 door Christian Rood en Gabriël de Scheemaker, ondernemers met gevoel voor innovatie, technologie en historie. Zij noemden hun bedrijf naar een grote Leidse ontdekking. In de 18e eeuw werd door Pieter van Musschenbroek en Andreas Cunaeus, twee Leidse natuurkundigen, de eerste condensator ontwikkeld. Dat is een elektrische component die gedurende korte tijd elektriciteit kan opslaan. Het opslaan van elektriciteit in de “Leidse Fles”, ofwel de “Leyden jar”, zoals deze ontdekking genoemd werd, betekende een enorme vooruitgang in het onderzoek naar elektriciteit. De Leidse Fles is te zien in Rijksmuseum Boerhaave en is door beroemde natuurkundigen, zoals Benjamin Franklin, gebruikt tijdens hun onderzoek. De grote elektriseermachine, rechts hiernaast, is een museumstuk dat opgesteld staat in de instrumentenzaal van het Teylers Museum te Haarlem. Overbodig te vermelden dat de opslag van elektriciteit sindsdien een enorme vlucht heeft genomen.