Elektrische auto's hebben voor veel mensen nog steeds een imagoprobleem. Meteen stelt men vragen over het onderwerp ”zeldzame aardmetalen” in de motoren en het gebruik van kobalt in de accu.

Dat de antwoorden allang klaarliggen en er in een duizelingwekkend tempo aan oplossingen wordt gewerkt, daar vraagt niemand naar. Daarom geven wij een overzicht van en bieden we duidelijkheid over waar het bij zeldzame aardmetalen om gaat, waar ze worden toegepast en hoe autofabrikanten wereldwijd onderzoek doen naar duurzame alternatieven en innovaties.

De hoofdstukken in één oogopslag

• Hoe worden zeldzame aardmetalen gebruikt in auto's?
• Wat doen de Global Players voor het op duurzame wijze verkrijgen van grondstoffen?
• Welke nieuwe technologieën worden in de toekomst voor accu's gebruikt?

Wat zijn zeldzame aardmetalen en hoe worden ze in auto's toegepast?

Zeldzame aardmetalen zijn niet zo zeldzaam als de naam doet vermoeden. Er zijn in totaal 17 ”zeldzame aardelementen”, waarbij het meest zeldzame (thulium) altijd nog vaker te vinden is dan goud. Ze zijn ook niet noodzakelijk voor het maken van e-autoaccu's, zoals wij in ons artikel al hebben uitgelegd. Bij de productie van voertuigen worden echter wel degelijk zeldzame aardmetalen gebruikt - bijvoorbeeld neodymium - maar niet alleen daarvoor.

Neodymium is niet mee weg te denken uit ons alledaagse leven. Het wordt gebruikt voor het maken van dingen als plasma-tv's, harde schijven en koptelefoons, en zit met ca. 0,4 gram ook in elke smartphone.

Voor autofabrikanten is het, los van de constructie, een van de belangrijkste elementen, aangezien het onder meer voor de elektronica van bewegingssensoren noodzakelijk is. Maar met name bij elektrische auto's wordt het in de motoren gebruikt voor permanente magneten.

Bij e-automotoren zijn permanente magneten zo populair omdat ze in de motoren (zog. permanentmagneet-synchroonmachines, kortweg PSM) de efficiëntie verhogen. Het nadeel ervan zit is in de grotere rolverliezen en de lage overbelastbaarheid, wat tot een lager vermogen kan leiden. Een alternatief bieden de extern bekrachtigde synchrone motoren (EBS), die geen permanente magneten hebben en een hoger vermogen genereren, maar wel elektrische energie nodig hebben voor het opwekken van het magneetveld.

Kobalt wordt vaak in samenhang met de afbraak van de ”zeldzame aardmetalen” genoemd, maar hoort niet bij de zeldzame aardelementen. Het is extreem geleidend en zorgt er bij de kathode van de accu voor dat de spanning hoog blijft en dus de energiedichtheid van de accu en de laadsnelheid worden verhoogd. Maak ook bij verbrandingsmotoren is kobalt zowel bij het ontzwavelen van ruwe olie in de raffinaderij als bij het uitharden van zeer stevig staal in de motor- en transmissieproductie nodig.

Toch is het de moeite waard het hier ook even te vermelden, omdat veel programma's en ontwikkelingen van de voertuigfabrikant erop gericht zijn dat gebruik van kobalt in de toekomst niet meer nodig zal zijn.

Wat doen de Global Players voor het op duurzame wijze verkrijgen van grondstoffen?

De grote verbruikers zoals VW, BMW en Tesla zijn zich ervan bewust dat de herkomst van de gebruikte materialen een steeds belangrijker aankoopcriterium voor hun klanten wordt.

De trend gaat daarom in de richting van de extern bekrachtigde synchrone motoren (EBS), die het ook zonder zeldzame aardelementen zoals neodymium kunnen stellen. Redenen hiervoor zijn de verbetering van de milieubalans en het feit dat China een groot deel van de winning van neodymium beheert. Geen gebruik meer van neodymium betekent voor de automobieleconomie dus ook meer onafhankelijkheid bij het verkrijgen van hulpbronnen.

Dat het ook nu al volledig zonder zeldzame aardelementen gaat, bewijst BMW met zijn model iX3, of ook VW met de 4x4-ID. De Japanse fabrikant Nissan zal in haar nieuwe model Ariya ook geen zeldzame aardmetalen meer gebruiken. En ook de Franse fabrikant Renault maakt met haar bestseller Zoe extern bekrachtigde synchrone motoren.

Welke technologieën worden in de toekomst gebruikt voor accu's?

De toekomst van e-autoaccu's kan nauwelijks interessanter zijn, want er wordt met hoge druk gewerkt aan de verdere ontwikkeling en verbetering van de accu's. Met het zicht op de onderzoeksprojecten van de grote fabrikanten zullen discussies over het gebruik van grondstoffen zoals kobalt weldra tot het verleden behoren.

Tesla en ook Volkswagen hebben daarom vorig jaar al aangekondigd om voor hun beginnerssegment (bijv. het Tesla-model 3 SR+) alleen nog LFP-accu's te maken, die geen kobalt bevatten. In de hogere segmenten moet een combinatie van nikkel en mangaan worden toegepast, die een zeer hoge levensduur van tot wel 10.000 volledige cycli moet behalen.

BMW heeft een ander plan, want deze fabrikant verzorgt haar inkoop volledig zelfstandig en haalt kobalt alleen uit gecertificeerde bronnen in Australië en Mexico.

Aangezien de accu van een e-auto voor het grootste gedeelte uit lithium bestaat, wordt de afbraak vanwege het blijkbaar hoge waterverbruik ook vaak bekritiseerd. Men moet echter de hoeveelheid aan benodigd water binnen een context plaatsen en daarbij bedenken dat accu's in hun second life nog kunnen worden gebruikt en daarna volledig gerecycled.

Om het noodzakelijke lithium helemaal vaarwel te kunnen zeggen, heeft de Chinese toeleverancier CATL (Contemporary Amperex Technology Limited) een nieuwe bouwwijze van de natrium-ionen-accu voorgesteld. Die moet al in 2023 geschikt zijn voor de markt en in de massaproductie gaan. De voordelen zitten in de duurzaamheid, het vermogen bij kou, de mogelijkheid van snel laden, de veiligheid en natuurlijk de lage productiekosten.

Australische onderzoekers gaan nog een stapje verder en proberen met het gebruik van zwavel als vervanging van kobalt en mangaan een accu met een actieradius van 1000 kilometer te creëren. Het feit dat bedrijven zoals IBM, Mercedes en Sidus samen aan een manier werken om accu's met zeemineralen in plaats van zware metalen te maken, schept ook vertrouwen.
Iets verder in de toekomst liggen nog zogeheten vaste-stof-accu's, die zowel qua actieradius en veiligheid alsook qua laadsnelheid nauwelijks onderdoen voor de huidige technologieën. Renault, Mitsubishi, Nissan en Toyota hebben hier hun krachten gebundeld en onderzoeken samen intensief wat de volgende grote innovatie kan zijn.