De huidige EV's werken op lithium-ionbatterijen - meestal gemaakt van lithium, kobalt, mangaan en hoogwaardig nikkel, waarvan de prijzen de pan uit zijn gerezen. Westerse producenten hebben moeite om hun Aziatische rivalen in te halen, en autofabrikanten verwachten dat de autoproductie in het midden van het decennium door knelpunten in de toelevering zal worden getroffen.

De EV's van de toekomst - die van na 2025 - zouden kunnen overschakelen op natriumion- of lithiumzwavelbatterijcellen die tot tweederde goedkoper kunnen zijn dan de huidige lithiumioncellen.

Maar hun belofte hangt af van potentiële doorbraken in de elektrochemie door start-ups zoals het Berlijnse Theion en het Britse Faradion en Lyten in de Verenigde Staten.

Nieuwere batterijchemicaliën hebben problemen die moeten worden overwonnen. Natriumionbatterijen kunnen nog niet genoeg energie opslaan, terwijl zwavelcellen snel corroderen en niet lang meegaan.

Toch hebben meer dan een dozijn startende bedrijven miljoenen dollars aan investeringen en overheidssubsidies aangetrokken om nieuwe soorten batterijen te ontwikkelen.

Voorlopig domineert China de batterijproductie, inclusief de winning en raffinage van grondstoffen.

Benchmark Mineral Intelligence, een Brits adviesbureau, schat dat China momenteel 75% van de kobaltraffinagecapaciteit en 59% van de lithiumverwerkingscapaciteit ter wereld in handen heeft.

"Wij zijn nog steeds afhankelijk van een materiaalleveringsketen uit China", aldus James Quinn, directeur van het Britse bedrijf Faradion, dat meer dan 1 miljoen dollar aan overheidssubsidies ontving van Innovate UK voordat het vorig jaar voor 117 miljoen dollar werd gekocht door het Indiase conglomeraat Reliance. "Als je kijkt naar de wereldwijde geopolitieke implicaties daarvan, is het een uitdaging voor de energiezekerheid, de economische zekerheid en de nationale veiligheid."

Aziatische batterijgiganten werken ook aan nieuwe chemische stoffen. Het Chinese CATL heeft gezegd dat het in 2023 wil beginnen met de productie van natriumioncellen. Het Koreaanse LG Energy Solution wil in 2025 beginnen met de productie van lithiumzwavelcellen.

IN DE BATTERIJ

Het duurste element van een EV-batterij is de kathode, die tot een derde van de kosten van een batterijcel vertegenwoordigt.

De meeste EV-batterijen gebruiken vandaag een van de twee types kathodes: Nikkel-kobalt-mangaan (NCM) of lithium-ijzerfosfaat (LFP). NCM-kathoden kunnen meer energie opslaan, maar gebruiken dure materialen (nikkel, kobalt). LFP-kathoden kunnen doorgaans niet zoveel energie opslaan, maar zijn veiliger en minder duur omdat zij gebruikmaken van materialen die in grotere hoeveelheden voorkomen.

De kosten van belangrijke kathodematerialen zoals nikkel en kobalt zijn de afgelopen twee jaar enorm gestegen.

Daarom hopen veel bedrijven op goedkopere, meer overvloedige materialen zoals natrium en zwavel, als hun technische beperkingen kunnen worden overwonnen.

"Natriumion heeft zeker een plaats, vooral voor stationaire opslag en low-end voertuigen in kostengevoelige markten zoals China, India, Afrika en Zuid-Amerika," zegt consultant Prabhakar Patil, een voormalig leidinggevende van LG Chem.

"De introductiekosten voor lithiumzwavel zullen waarschijnlijk hoger zijn - hoewel het potentieel de laagste kosten heeft - waardoor consumentenelektronica de eerste toepassing wordt", aldus Patil.

Amandarry uit Michigan en de Britse startup AMTE Power ontwikkelen natrium-ionbatterijen met natriumchloride - in feite keukenzout - als belangrijkste kathode-ingrediënt. Ze hebben geen lithium, kobalt of nikkel nodig - de drie duurste batterij-ingrediënten.

Jeff Pratt, directeur van het Britse Battery Industrialisation Centre - een door de staat gefinancierde fabriek van 130 miljoen pond (153 miljoen dollar) die zijn productielijnen verhuurt aan startende bedrijven om de chemische samenstelling van batterijen te testen - zei dat hij probeert de cellen van een natriumionstartup in te passen in een overvol productieschema omdat het "strategisch belangrijk" is voor de hoop van Groot-Brittannië om voorop te lopen bij de ontwikkeling van nieuwe, betere batterijen.

De Amerikaanse bedrijven Lyten en Conamix, het Duitse Theion en het Noorse Morrow ontwikkelen lithiumzwavel-kathodes die nog steeds lithium in kleinere hoeveelheden nodig hebben, maar geen nikkel of kobalt.

Door gebruik te maken van alomtegenwoordige kathodematerialen - zwavel wordt veel gebruikt in kunstmest en is dus goedkoop, net als zout - beweren deze start-ups dat de batterijkosten met tweederde kunnen worden verlaagd, waardoor EV mogelijk betaalbaar worden voor de middenklasse.

De huidige batterijpakketten voor EV variëren in prijs tussen $10.000 en $12.000.

"Als we de doelstellingen kunnen halen die we met enkele van 's werelds grootste autofabrikanten hebben vastgesteld, dan zijn we op weg naar de races", aldus Charlotte Hamilton, CEO van Conamix.

OP DE WEG

De batterijstartups zeggen dat ze praten met grote autofabrikanten, waarvan sommige actief nieuwe batterijen testen die voor het einde van het decennium in EV's voor de massamarkt zouden kunnen worden gebruikt. De autobedrijven willen hun opties openhouden.

"Mettertijd zullen er meer (batterij)chemicaliën op de markt komen", zegt Linda Zhang, hoofdingenieur van de elektrische pick-uptruck F150 Lightning van Ford. "Het zou dom zijn om niet te profiteren van die chemicaliën."

Op Tesla's 2020 Battery Day zei CEO Elon Musk dat een "drieledige benadering" van lithiumionbatterijen met verschillende materialen nodig is om "echt betaalbare" EV's te bouwen - voornamelijk met op ijzer gebaseerde LFP-batterijcellen - en grotere, krachtigere en duurdere EV's met op nikkel gebaseerde NCM- of NCA-cellen met kobalt- of aluminiumkathodemateriaal.

Batterijontwikkelaars hopen dat ze natriumion- en lithiumzwavelbatterijen kunnen toevoegen aan het gamma dat openstaat voor de auto-industrie.

Duncan Williams, managing director van adviesbureau Nomura Greentech, zei dat recente ontdekkingen de kloof dichten op punten als energiedichtheid en levensduur, "dus we verwachten dat beide alternatieven in de toekomst marktaandeel zullen veroveren."

Het in Michigan gevestigde Amandarry produceert al natriumioncellen in zijn fabriek in Haining, China, zodat deze cellen niet in aanmerking komen voor stimuleringsmaatregelen in het kader van de Amerikaanse wet op de inflatiebeperking.

Het bedrijf zegt dat het ook een fabriek zal bouwen in Noord-Amerika.

Partner Amy Chen zegt dat Amandarry's eerste transporttoepassing waarschijnlijk elektrische tweewielers zal zijn.

Naast het kostenvoordeel zegt Chen dat de batterijen van Amandarry zeer snel kunnen worden opgeladen - 80% in 15 minuten.

Kevin Brundish, CEO van AMTE Power, zegt dat het bedrijf in eerste instantie start met batterijen voor stationaire energieopslagsystemen, zoals die gebruikt worden door netbeheerders, waar de energiedichtheid minder belangrijk is.

Quinn van Faradion zei dat de batterijen van het bedrijf ook al concurrerend zijn met LFP-cellen en dat het een joint venture voor energieopslag is aangegaan met landbouwgigant ICM Australia.

Quinn zei dat de batterijen van Faradion op relatief kleine schaal een derde goedkoper zouden moeten zijn dan op ijzer gebaseerde LFP-batterijen.

Hij zei dat Faradion gesprekken heeft gevoerd met "de meeste grote automobielbedrijven".

"Binnen de komende drie tot vijf jaar zult u (onze batterijen) op de weg zien."

'NO-BRAINER'

Volgens Celina Mikolajczak, chief battery technical officer bij de in Californië gevestigde startup Lyten, die volgens investeringswebsite PitchBook 47,5 miljoen dollar van investeerders heeft gekregen, is zwavel een "verschrikkelijk moeilijke chemie" om in batterijen te verwerken.

Maar, zei ze, het is "de chemie van de toekomst, de chemie die batterijen massaal op de markt brengt".

Ulrich Ehmes, CEO van Theion - oud-Grieks voor zwavel - zegt dat het probleem met zwavel is dat het zo corrosief is dat een batterij na 30 ladingen doodgaat.

Maar hij zei dat het in Berlijn gevestigde bedrijf, dat wordt gesteund door een handvol investeerders en privé-investeerders, een manier heeft ontwikkeld om een lithiumzwavelelektrode te behandelen en te coaten, waardoor deze langer meegaat dan een EV.

Theion verwacht later dit jaar te beginnen met het leveren van batterijen om pompen in commerciële raketten aan te drijven tijdens de lancering. Ehmes zei dat het bedrijf van plan is om in 2024 te beginnen met het verzenden van testcellen naar autofabrikanten, waarbij de eerste EV-productietoepassingen rond 2027 worden verwacht.

Theion gelooft dat zijn lithiumzwavel-kathodes drie keer meer energie kunnen opslaan dan standaard NCM-cellen, ultrasnel kunnen opladen en de kosten van de batterijcellen met tweederde kunnen verlagen, tot ongeveer 34 dollar per kilowattuur.

"Het is goedkoop, het heeft een hoge energiedichtheid, dus het lijkt een no-brainer," zei Ehmes.

Tony Harper, directeur van de Faraday Battery Challenge, het programma van de Britse regering dat investeert in de bevordering van nieuwe batterijtechnologieën, zei dat de auto-industrie zich steeds meer zorgen maakt over de aanvoer van lithium, kobalt, mangaan en nikkel, zodat nieuwe chemische stoffen van vitaal belang zijn.

"Dit zal de druk verlichten van wat wij dachten dat een zeer, zeer moeilijke situatie zou zijn," zei Harper.

($1 = 0,8508 pond)