Zoals wel meer voorkomt bij succesverhalen, begon ook het verhaal van LeydenJar met een ‘gefaald experiment’. ‘De technologie voor onze batterijen is ontwikkeld bij ECN in het kader van flexibele zonnepanelen’, vertelt Christian Rood, medeoprichter van LeydenJar. ‘We gebruikten amorf silicium waarmee we op industriële schaal het basismateriaal voor zonnepanelen wilden maken. Maar de structuur die we kregen was poreus en groeide op een manier die niet ideaal was voor het beoogde doel, waardoor dat project strandde.’

Nadat het materiaal een tijd lang ‘tussen de mottenballen’ had gelegen, bedacht dr. Wim Soppe van ECN dat je het ook voor een andere toepassing zou kunnen gebruiken: anodes. ‘Na een aantal tests bleek dat het materiaal het uitstekend uithield’, verklaart Rood. ‘De maximale capaciteit van ons silicium is tien keer zo hoog als dat van traditioneel grafiet en dat hield de batterij tot wel honderd cycles vol. Dat was best bijzonder, omdat eerdere tests met silicium resulteerden in kapotte anodes.’

Tesla

Lithiumionen pingpongen tussen de anode en de kathode. In de anode voegt lithium zich tussen het grafiet, waar het een verbinding aangaat. Rood: ‘Bij silicium is het een iets ander verhaal. Het maakt namelijk een legering met de lithiumionen, waardoor het volume tot wel 300 % groter wordt. Dat maakt het uitdagend om mee te werken.’ Maar het silicium van LeydenJar heeft de oplossing. ‘Ons materiaal is poreus, en die porositeit heft het opzwellen grotendeels op. Maar het deel dat de structuur nog niet opvangt, zet niet uit in de breedte, maar juist in de hoogte. Het materiaal ademt als het ware.’

De anode bleek ook mechanisch stabiel te zijn, en na wat kleine verbeteringen verschoof de focus naar de kathode voor de verdere ontwikkeling van de batterij. ‘We gebruikten een kathode met een hoge capaciteit. NMC (nikkel, mangaan, kobalt, red.) is daar het beste voor’, legt Rood uit. ‘Het afgelopen jaar hebben we getest met verschillende verhoudingen. Daaruit bleek: hoe meer nikkel, hoe beter. Dit jaar gaan we een verhouding van 8:1:1 proberen.’

Vertrouwen uit de industrie

Het experimenteren was niet bepaald standaard te noemen. Rood: ‘We hadden geen eigen laboratorium, alleen een plek waar we de anodes heel goed konden maken. De analyses over de juiste balans en de laagdikte hebben we bijvoorbeeld bij de TU Delft laten doen. Ondanks dat boekten we wel vooruitgang.’ In een gesprek met Tesla kreeg Rood de aanwijzing om binnen een jaar een pouch cell te ontwikkelen van 26 cm² met een hoge capaciteit die voor minstens honderd cycli stabiel zou blijven. ‘Zodoende zouden we wat vertrouwen vanuit de industrie krijgen. Maar het ging eerst volledig mis; we kregen er nog geen vijftien cycles uit ons ontwerp. Uiteindelijk ontdekten we dat het aan het elektrolyt lag: de volgende horde.’

Lichtgewicht vliegtuigen

Het silicium ging namelijk interactie aan met het elektrolyt, wat resulteerde in een korst, de zogenoemde solid electrolyte interface. De lithiumionen gaan hierin verloren. ‘Om dit te voorkomen, gebruikten we twee additieven in het elektrolyt, VC en FEC. Daarmee gingen we van een efficiëntie van 90 % direct naar 99 %’, herinnert Rood zich. Dat betekent dat je 1 % verliest per laadcyclus. ‘We zijn er nog niet; in elektrische auto’s is dat percentage namelijk 99,99995 %.’ Desondanks was het doel van Tesla gehaald, zelfs zonder eigen batterijlab.

‘Wij willen geen producent worden, maar een techniek verkopen’

‘Waar wij onze eerste commerciële pijlen op richten, zijn toepassingen die een hoge energiedichtheid nodig hebben en waarvan de cycle life beperkt mag zijn, dus tussen de honderd en driehonderd’, vervolgt Rood. ‘Je kunt dan bijvoorbeeld denken aan high-altitude pseudosatellieten, een soort lichtgewicht vliegtuigen. Die hebben een veel hogere energie-gewichtsverhouding nodig, omdat ze zo licht mogelijk moeten zijn. Onze batterijen zijn daar ideaal voor.’ Andere gebieden zijn mobiele robotica, defensie en medische toepassingen.
Niet alleen is de capaciteit hoger, ook het productieproces is milieubewust opgezet. ‘We hebben een Noorse expert van Asplan Viak een life cycle-analyse laten doen en de siliciumanodeproductie vergeleken met normale anodes. Daaruit kwam dat we onze CO₂- en NO_X-footprint 40 % lager was, en dat ons proces energiezuiniger is’, verklaart Rood.

In augustus 2019 begon LeydenJar met het opzetten van een eigen fabriek in Eindhoven waar de batterijproductie een feit moet worden. ‘Wij hebben een grote roll-to-roll PECVD-machine, die voorheen een andere toepassing had, overgenomen en aangepast voor ons proces’, zegt Rood. ‘Het project loopt voorspoedig, maar de fabriek komt in de komende maanden pas af.’ Tests op kleine schaal lieten ook zien dat er muziek in zit. ‘We hebben al werkende batterijtjes gemaakt, alleen we staan nog voor wat praktische uitdagingen.’

Geen batterijproducent

Het komende jaar zit ‘vol goede voornemens’, vertelt Rood. ‘Ten eerste willen we natuurlijk de fabriek werkend hebben. Daarnaast willen we de machinesnelheid opvoeren, zorgen dat onze batterij een hogere performance krijgt dan de 1.000 Wh/l die we nu hebben, de cycle life verhogen en de laadsnelheid verbeteren.’ Ook moet er een commerciële stap gemaakt worden. ‘Ons businessmodel is niet zozeer om een batterijproducent te worden, maar om onze techniek te verkopen aan meerdere batterijproducenten zodat zij batterijen kunnen maken met onze anode erin.’

Maar LeydenJar is niet de enige met een vernieuwende batterijtechniek. ‘Het zou niet goed zijn als er geen concurrenten zouden zijn’, lacht Rood. ‘De voornaamsten komen uit Silicon Valley, bedrijven als Anprius, Sila Nano en Enevate die ook met een hoog siliciumgehalte werken.’ Ondanks de dreiging is Rood optimistisch. ‘Met onze technologie kun je de meeste silicium kwijt per kubieke centimeter, wat zorgt voor een hogere capaciteit. Ook is onze strategie gebaseerd op samenwerking, waar onze concurrenten het liefst zelf batterijen willen bouwen. En als laatste profileren wij ons meer als een Europees bedrijf, en in Europa is er veel geld, interesse en vraag waar wij dan van kunnen profiteren.’