Alhoewel de eerste echte solid state batterijen al in 1970 werden ontwikkeld, is de techniek nog steeds niet op grote schaal doorgebroken. De capaciteit van de vastestofbatterij is ruim twee keer zo groot als die van de ‘natte’ lithium-ion accu’s die massaal in onze apparaten zitten. Het beloofde wonderkind laadt ruim 65 procent sneller op dan de grote broer. En is bovendien lichter en een stuk veiliger. Geen brandbare vloeistof of gel als geleider, maar een vaste stof die niet in brand kan vliegen. Al jaren schuift deze ‘heilige graal der batterijtechnieken’ steeds dichter naar een basisplaats. Maar waarom lukt het nog niet om door te breken?
Afgelopen week deed IO-columnist Jan Wouters nog een schepje bovenop de belofte, hij voorspelt een tweede elektrische revolutie als de techniek op grote schaal kan worden toegepast. Volgens hem zijn de prototypes die Toyota en QuantumScape volgend jaar op de markt brengen de eerste stappen in die richting.
En niet alleen de autowereld ziet de potentie van de solid state batterij. Ook makers van consumentenelektronica onderzoeken en testen de mogelijkheden. Zo ontwikkelden onderzoekers van MIT een telefoonaccu die tot wel drie dagen meegaat. Ook losten ze een ander veel voorkomend probleem van de nieuwe batterijtechnologie op.
Krimpen en zwellen
Anders dan bij een ‘traditionele’ batterij bestaat de anode (minpool) van een vastestofbatterij volledig uit lithium. Bij het opladen zet deze minpool uit en krimpt weer bij het ontladen. Hierdoor kan de vaste geleidestof breken bij het zwellen of contact verliezen met de anode door het krimpen. Om dit effect op te vangen plaatsten de onderzoekers op kleine schaal buisjes in een soort honinggraat die meebewegen met het krimpen en zwellen.
Ook onderzoekers bij Samsung vonden iets vergelijkbaars. Maar in plaats van buisjes in een hongingraat, gebruikten ze een ultradun laagje van koolstof en zilver rond de anode om de effecten van het krimpen en zwellen tegen te gaan. Volgens de wetenschappers van Samsung levert het plaatsen van dit dunne laagje in een brandstofcel, een betere veiligheid, capaciteit en langere levensduur op. Het prototype dat ze afgelopen maart maakten, was twee keer kleiner dan een vergelijkbare lithium-ion accu.
Toch zal ook 2021 zal niet het jaar worden dat de solid state batterij definitief doorbreekt, denkt ook Ton van Mol van Holst Centre. “Dat de techniek gaat doorbreken daarvan ben ik overtuigd”, legt hij uit. Volgens hem zijn er binnen het ‘batterijlandschap’ vier verschillende uitdagingen die technisch bij elkaar moeten komen .
Capaciteit verhogen
“Als eerste heb je de capaciteit. Die wil je zo hoog mogelijk krijgen. Afhankelijk van de toepassing kijk je naar de energiedichtheid per volume en per kilo. In een auto wil je bijvoorbeeld zoveel mogelijk energie kwijt kunnen per kilo batterij, zo houd je de batterij compact. Maar in een vrachtwagen maakt die ruimte veel minder uit. Daar is het minder erg als dezelfde hoeveelheid energie meer ruimte inneemt. Dan kijk je meer naar het gewicht.”
Laadtijd verkorten
Als je dit hebt opgelost, volgt meteen de volgende uitdaging, legt Van Mol uit. “In theorie heb je nu je de capaciteit vermenigvuldigd en kun je 800 kilometer rijden. Maar de laadtijd van traditionele lithium-ion accu’s zorgt voor frustratie. Een solid state accu laadt veel sneller op en gaat bovendien langer mee dan de huidige batterijen.”
Veiligheid verbeteren
Dat brengt hem meteen bij de derde uitdaging en dat is de veiligheid en betrouwbaarheid van een systeem. “Elektrische auto’s met een defecte lithium-ion accu worden een week lang in het water bewaard, omdat ze anders in brand vliegen. Dat is echt gedoe en daar moeten we vanaf.” De vastestofsystemen hebben hier geen last van. “Er zit geen brandbare elektrolyser in. Maar afhankelijk van welke materialen je bij elkaar gebruikt, kan het ook hier misgaan. Dat moet je testen.”
Duurzaamheid vergroten
Dat brengt hem bij de laatste uitdaging rond batterijsystemen. Duurzaamheid. Van Mol: “Je wil niet dat je na een aantal laadcycli al capaciteit verliest. Ook hier wordt veel geld en moeite in gestopt om dit te optimaliseren. Ook zijn er partijen – Tesla is hier bijvoorbeeld erg actief in – die bezig zijn kobalt uit de kathode te krijgen.”
Van Mol denkt dat al deze vier aspecten opgelost moeten worden voor de grote belofte van solid state accu’s kan worden ingelost. “Op sommige gebieden zijn bepaalde partijen al redelijk ver. Op innovatiebeurzen kun je misschien al een auto met een solid state accu vinden, maar het gaat echt nog wel een aantal jaar duren voor jij en ik zo’n auto kunnen kopen”, denkt hij.
Noodzaak is hoog
Maar de ontwikkelingen gaan hard en de noodzaak is hoog: “De capaciteit kan de komende jaren 2,5 keer groter worden, dat gaat lukken. Ook zie je dat overheden in de VS en China veel geld steken in ontwikkeling en de bouw van fabrieken. Zeker in China, waar de luchtvervuiling hoger is dan hier, neemt de druk om te elektrificeren toe.”
Via Horizon 2020 investeerde Europa de afgelopen jaren zo’n half miljard euro in de ontwikkeling van batterijtechnologie en opschaling van productie. Ook Van Mol wil met de technologie van het Holst Centre naar opschaling van productie. “We zitten nu in een traject ervoor om aan te tonen dat de onze technologie werkt. Erna zal opschalen een hele klus worden, ons design is compleet anders dan wat er nu op de markt is. Wij kunnen dus niet profiteren van de bestaande fabrieken. En zelf kunnen we niet zomaar een fabriek optuigen.”
3D-oppervlak zorgt voor grotere capaciteit
“We werken nu aan een kleine batterij voor gebruik in wearables. Daar is veiligheid natuurlijk extra belangrijk. Je hebt echt een probleem als een batterij smelt op iemands huid”, legt hij uit. De batterij zit anders in elkaar dan de solid state batterijen die op dit moment worden ontwikkeld. “Het is een all solid state batterij, dus intrinsiek veilig. De laagjes in de batterij zijn wel 100 keer dunner dan die in een gewone A4-batterij, maar de capaciteit is beperkt”, aldus Van Mol.
Om de capaciteit te verhogen maakt het Holst Centre gebruik van 3D-technologie. Van Mol: “We bouwen tussen die laagjes miljarden pilaartjes op micrometer schaal, zo krijg je een 3D-oppervlak en compenseer je het feit dat de laagjes zo dun zijn. Dit zorgt er ook voor dat het lithium minder afstand hoeft af te leggen waardoor de batterij erg snel is.”
Als je dit artikel leuk vindt, lees dan ook:
