Ontdek solid-state batterijen: de toekomst van EV’s

Solid-state accu’s zijn een revolutionaire ontwikkeling in de accutechnologie en worden vaak geprezen als de volgende grote stap voor elektrische voertuigen (EV’s). Solid-state accu’s beloven verbeteringen in energiedichtheid, veiligheid en laadtijden in vergelijking met traditionele lithium-ion-accu’s, wat de weg vrijmaakt voor een nieuw niveau van prestaties en duurzaamheid in de auto-industrie. Dit artikel legt uit wat solid-state accu’s zijn, hoe ze functioneren, hun voordelen en nadelen, technische specificaties, veiligheidszorgen en de belangrijkste fabrikanten die deze technologie vooruitstuwen.

Wat is een solid-state accu?

Een solid-state accu is een type oplaadbare accu die een vaste elektrolyt gebruikt in plaats van de vloeibare of gel elektrolyt die in traditionele lithium-ion-accu’s te vinden is. In conventionele accu’s vergemakkelijken vloeibare elektrolyten de beweging van lithium-ionen tussen de positieve en negatieve elektroden tijdens het opladen en ontladen. Solid-state accu’s daarentegen gebruiken vaste elektrolyten, die gemaakt kunnen worden van verschillende materialen zoals keramiek, polymeren of sulfiden.

De belangrijkste innovatie in solid-state accu’s ligt in hun vaste elektrolyt, die enkele van de veiligheidsrisico’s die gepaard gaan met vloeibare elektrolyten, zoals lekkage, brandbaarheid en achteruitgang in de loop van de tijd, elimineert.

Hoe werken solid-state accu’s?

Solid-state accu’s functioneren op een vergelijkbare manier als conventionele lithium-ion-accu’s, maar met opmerkelijke verschillen in de gebruikte materialen. Hier is een basisoverzicht van hoe solid-state accu’s werken:

• Elektroden: Solid-state accu’s beschikken over een kathode (positieve elektrode) en een anode (negatieve elektrode), net als traditionele accu’s. Sommige solid-state accu’s vervangen echter de standaard grafiet anode door metalen lithium, wat zorgt voor een hogere energiedichtheid.
• Elektrolyt: In plaats van een vloeibare elektrolyt gebruikt de solid-state accu een vast materiaal om lithium-ionen van de kathode naar de anode te transporteren tijdens het opladen, en in de omgekeerde richting bij het ontladen.
• Beweging van lithium-ionen: Tijdens het opladen bewegen lithium-ionen van de kathode naar de anode via de vaste elektrolyt. In de ontlaadmodus bewegen deze ionen terug van de anode naar de kathode, waardoor een elektrische stroom ontstaat.
• Interface stabiliteit: Een uitdaging is het handhaven van een stabiele interface tussen de vaste elektrolyt en de elektroden. Onderzoekers werken continu aan het waarborgen dat ionen zich eenvoudig tussen hen kunnen verplaatsen zonder degradatie te veroorzaken.

Voordelen van solid-state accu’s

• Hogere energiedichtheid: Solid-state accu’s kunnen meer energie opslaan per eenheid volume of gewicht vergeleken met traditionele lithium-ion-accu’s. Sommige schattingen suggereren dat ze 2 tot 3 keer de energiedichtheid kunnen bieden, wat resulteert in langere actieradiussen voor elektrische voertuigen. Terwijl de energiedichtheid van conventionele lithium-ion-accu’s ongeveer 250-300 Wh/kg is, zouden solid-state accu’s potentieel 500 Wh/kg of meer kunnen bereiken.
• Verbeterde veiligheid: De vaste elektrolyt is niet brandbaar, wat het risico op batterijbranden of explosies aanzienlijk vermindert. Dit is een groot voordeel, aangezien thermische ontsnappingincidenten een zorg zijn in huidige lithium-ion-accu’s.
• Sneller opladen: Solid-state accu’s bieden de mogelijkheid voor veel snellere laadtijden. Dankzij hun capaciteiten om hogere stromen te verwerken, zouden toekomstige EV’s met solid-state accu’s in enkele minuten in plaats van uren kunnen worden opgeladen.
• Langere levensduur: Solid-state accu’s zijn minder gevoelig voor problemen zoals dendrietvorming (kleine lithiummetaaldraadjes die kortsluitingen in lithium-ion-accu’s kunnen veroorzaken). Dit voordeel resulteert in minder degradatie in de loop van de tijd, wat de levensduur van de accu potentieel verlengt.
• Kleinere, lichtere accu’s: De verhoogde energiedichtheid betekent ook dat fabrikanten kleinere en lichtere accu’s kunnen ontwerpen voor dezelfde energie-output, wat de algehele efficiëntie en actieradius van EV’s verbetert.

Nadelen van solid-state accu’s

• Kosten: Solid-state accu’s zijn duur om te produceren, vooral vanwege de complexe productiemethoden en de hoge materiaalkosten. Terwijl de kosten naar verwachting zullen dalen naarmate de technologie zich verder ontwikkelt, blijft het een aanzienlijke barrière voor massamarktacceptatie. Solid-state accu’s voor elektrische voertuigen worden naar verwachting rond de $80-$90 per kWh kosten tegen 2030.
• Schaalbaarheid: De massaproductie van solid-state accu’s bevindt zich nog in de kinderschoenen, en het opschalen van het productieproces om aan de vraag van de auto-industrie te voldoen, vormt technische uitdagingen.
• Temperatuur prestaties: Sommige solid-state elektrolyten kunnen verminderde prestaties hebben bij lage temperaturen, wat hun praktische toepasbaarheid in koudere klimaten zou kunnen beperken.
• Interfaceproblemen: Het waarborgen van een stabiele en duurzame interface tussen de vaste elektrolyt en de elektroden is een belangrijke uitdaging. Slechte interface stabiliteit kan leiden tot verminderde prestaties of voortijdige batterijuitval.

Technische kenmerken en specificaties

• Energiedichtheid: Solid-state accu’s worden verwacht energiedichtheden van 500 Wh/kg of hoger te bieden, wat de actieradius van EV’s potentieel zou kunnen verdubbelen in vergelijking met conventionele accu’s.
• Spanningsbereik: Net als lithium-ion-accu’s werken solid-state accu’s bij ongeveer 3,5 tot 4,2 volt per cel, hoewel hogere spanningen mogelijk zijn naarmate de technologie zich ontwikkelt.
• Oplaadsnelheid: Een van de meest veelbelovende aspecten van solid-state accu’s is hun vermogen om veel sneller op te laden. Solid-state accu’s zouden in minder dan 15 minuten tot 80% capaciteit kunnen worden opgeladen, vergeleken met 30 minuten of meer voor huidige snellaadsystemen.
• Cycli in levensduur: Solid-state accu’s zullen naar verwachting een langere cyclus levensduur hebben, mogelijk 1.000 tot 10.000 laadcycli bieden voordat significante degradatie optreedt, afhankelijk van de specifieke materialen en het ontwerp.

Veiligheidsoverwegingen

Het grootste veiligheidsvoordeel van solid-state accu’s is de eliminatie van brandbare vloeibare elektrolyten, waardoor ze veel minder vatbaar zijn voor brand of explosie. Deze veiligheidsverbetering is bijzonder belangrijk in elektrische voertuigen, waar grote batterijpacks een risico kunnen vormen bij ongelukken of onder hoge thermische stress. Bovendien zijn solid-state accu’s minder gevoelig voor thermische ontsnapping, een kettingreactie die kan leiden tot oververhitting en batterijuitval.

Echter, solid-state accu’s zijn niet zonder uitdagingen. Dendrietvorming, hoewel minder voorkomend dan bij lithium-ion-accu’s, kan nog steeds optreden, vooral bij lithium-metaal-gebaseerde solid-state accu’s. Dendrieten kunnen de vaste elektrolyt doorboren, wat potentieel kortsluitingen kan veroorzaken, hoewel lopend onderzoek zich richt op het verminderen van dit probleem.

Toonaangevende fabrikanten en ontwikkeling

Verschillende bedrijven en onderzoeksinstellingen staan vooraan bij de ontwikkeling van solid-state accu’s, waarvan sommige fabrikanten al aanzienlijke vooruitgang hebben geboekt:

• Toyota: Toyota is een van de meest prominente bedrijven in het onderzoek naar solid-state accu’s. Dit bedrijf is van plan om solid-state accutechnologie in zijn hybride voertuigen al in 2025 te introduceren en werkt aan verdere vooruitgang van de technologie voor zijn volledig elektrische assortiment.
• QuantumScape: Ondersteund door Volkswagen, is QuantumScape een in Californië gevestigde startup die aanzienlijke stappen heeft gezet in de ontwikkeling van solid-state accu’s. Dit bedrijf beweert dat zijn technologie 80% meer actieradius kan bieden dan huidige lithium-ion-accu’s en heeft aanzienlijke investeringen van autobouwers aangetrokken.
• Samsung: Het onderzoek van Samsung naar solid-state accu’s heeft veelbelovende resultaten opgeleverd, waaronder een prototype dat een zilver-koolstofcomposietlaag gebruikt om de stabiliteit en levensduur van de accu te verbeteren. Samsung is van plan deze technologie te integreren in zijn consumenten elektronica en automotive producten.
• Solid Power: Als een andere grote fabrikant heeft Solid Power samengewerkt met BMW en Ford om solid-state accu’s te ontwikkelen voor toekomstige elektrische voertuigen. Dit bedrijf werkt aan het opschalen van de productie om aan de automotive normen te voldoen.

Hoewel er momenteel geen massamarkt elektrische voertuigen zijn die solid-state accu’s gebruiken, hebben verschillende autofabrikanten plannen aangekondigd om deze technologie in de komende jaren te integreren:

• Toyota: Verwacht de eerste auto met solid-state accu’s tegen 2025 op de markt te brengen. Aanvankelijk kan deze technologie verschijnen in hybride automodellen voordat ze in volledig elektrische voertuigen wordt geïntegreerd.
• BMW: BMW is van plan solid-state batterij aangedreven voertuigen aan zijn assortiment toe te voegen tegen het einde van het decennium. Deze autofabrikant werkt nauw samen met Solid Power om deze technologie op de markt te brengen.
• Ford: Ford heeft ook geïnvesteerd in de ontwikkeling van solid-state accu’s en werkt eraan om deze technologie te integreren in zijn toekomstige elektrische voertuigassortiment.

De toekomst van solid-state accu’s voor EV’s ziet er veelbelovend uit, met potentieel voor hogere energiedichtheid, snellere laadtijden en verbeterde veiligheid in vergelijking met traditionele lithium-ion-accu’s. Het overwinnen van de huidige productie- en kostenuitdagingen zal echter cruciaal zijn voor de brede acceptatie van solid-state accu’s.