Onderzoekers van Harvard hebben een vastestofbatterij ontwikkeld die in tien minuten kan worden opgeladen en dertig jaar meegaat. De veelgeprezen technologie blijft echter een oplossing voor de energietransitie op de lange termijn.
Mensen omarmen langzaam maar zeker elektrische voertuigen (EV's), maar het tempo van die transitie moet nog versnellen om de wereld in 2050 haar netto-nul-emissiedoelstelling te laten halen. Ondanks de exponentiële verbeteringen van EV's, aarzelen veel bestuurders nog steeds om het gemak van hun benzineauto's achter zich te laten. Naast de kosten werden zorgen over een gebrek aan laadstations en de levensduur van de batterij genoemd als de belangrijkste barrières voor Amerikaanse consumenten om een EV te kopen in een Ipsos Mori-enquête van vorig jaar. Voor autofabrikanten komt dit grotendeels neer op de aanhoudende beperkingen op het bereik en de levensduur van de bestaande lithium-ion (Li-ion) batterijen onder de motorkap van EV's.
Een team van wetenschappers aan Harvard University gelooft echter dat ze een belangrijke stap hebben gezet in de richting van het oplossen van deze dilemma's. Onderzoekers van de School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) hebben een nieuwe "in vaste toestand" accu die kan worden opgeladen in de tijd die nodig is om een benzinetank te vullen, en die 3 tot 6 keer meer laadcycli aankan dan de typische accu van een elektrische auto.
Vaste-stofbatterijen worden al lang beschouwd als de heilige graal voor een brede overgang naar elektrisch vervoer, en de race om ze te commercialiseren is de afgelopen jaren versneld. Bedrijven als Toyota en Volkswagen ontwikkelen hun eigen versies, die ze tegen het einde van het decennium in voertuigen hopen te krijgen. Zijn vaste-stofbatterijen met de boost van deze nieuwste innovatie van Harvard eindelijk klaar om hun verwachtingen waar te maken?
De voordelen van vaste elektrolyten ten opzichte van vloeibare elektrolyten
Tegenwoordig zijn Li-ionbatterijen de baas; ze worden gebruikt in alles van mobiele telefoons en laptops tot elektrische voertuigen en energieopslagsystemen. Onderzoekers en fabrikanten hebben de prijs van Li-ionbatterijen de afgelopen tien jaar met 90% verlaagd en geloven dat ze ze nog goedkoper kunnen maken. Ze geloven ook dat ze een nog betere lithiumbatterij kunnen maken.
Deze batterijen gebruiken een vloeibare elektrolyt om ionen tussen een kathode en anode te verplaatsen bij het ontladen en opladen. De vloeistof is echter ontvlambaar en voorkomt de toevoeging van materialen die de levensduur van de batterij verlengen. Onderzoekers geloven dat een oplossing zou zijn om vaste in plaats van vloeibare elektrolyten te gebruiken.
Deze solid-state batterijen beloven een breed scala aan voordelen ten opzichte van hun op vloeistof gebaseerde tegenhangers. Bovenal bieden ze een hogere energiedichtheid; wat betekent dat ze meer energie per volume- of gewichtseenheid kunnen opslaan, wat leidt tot een langere batterijlevensduur of kleinere, lichtere batterijpakketten. Ze beloven ook een langere cycluslevensduur; ze weerstaan meer laad-ontlaadcycli zonder te degraderen, waardoor de levensduur van de batterij wordt verlengd. Het gebruik van een vaste elektrolyt maakt ook veel sneller opladen mogelijk zonder het risico op batterijschade vanwege efficiënter ionentransport.
Vaste-stofbatterijen kunnen werken in een breder temperatuurbereik dan op vloeistof gebaseerde batterijen, waardoor ze beter te gebruiken zijn bij extreem weer. Ze worden over het algemeen als veiliger beschouwd omdat een vaste elektrolyt het risico op kortsluiting en oververhitting vermindert, wat kan leiden tot brand of explosies in op vloeistof gebaseerde batterijen. Tot slot kan de vaste elektrolyt worden gemaakt van een breder scala aan goedkopere en milieuvriendelijkere materialen.
Over het algemeen hebben solid-state batterijen het potentieel om de batterij-industrie te revolutioneren door verbeterde prestaties, veiligheid en levensduur te bieden in vergelijking met traditionele lithium-ion batterijen. "Vanwege hun hoge energiedichtheid zijn solid-state batterijen het meest geschikt voor elektrische voertuigen in plaats van [stationaire] energieopslagsystemen, en kunnen ze echt een belangrijke bijdrage leveren aan de elektrificatie van zwaar transport", zegt Teo Lombard, een energiemodelleur voor transport bij het Internationaal Energieagentschap (IEA).
“Een sprong voorwaarts” in het ontwerp van vaste-stofbatterijen
De SEAS-onderzoekers ontwikkelden een batterij ter grootte van een postzegel met behulp van een "pouch cell"-ontwerp, in plaats van de typische "coin cell"-variant. De batterij behield 80% capaciteit na 6,000 laadcycli en presteerde goed bij lage temperaturen. Het presteerde beter dan andere solid-state batterijen, omdat de onderzoekers een manier vonden om het te maken met een lithium-metaalanode, die tien keer de capaciteit heeft van de typische grafietanode.
Het nieuwe ontwerp met meerdere lagen en meerdere materialen was in staat het alomtegenwoordige probleem van "dendrieten" te overwinnen: wortelachtige structuren die groeien van het oppervlak van de anode in de elektrolyt. Deze kunnen de barrière die de tegenoverliggende kathode scheidt, doorboren, waardoor de batterij kortsluit en soms in brand vliegt.
De langere levensduur van de batterij – gelijk aan ongeveer 30 jaar – zou de kosten van elektrische voertuigen aanzienlijk kunnen verlagen, terwijl het vermogen om de batterij binnen enkele minuten op te laden, zorgt voor een uitzonderlijke vermogensdichtheid die zich leent voor andere toepassingen.
"We konden de batterij in 5-10 minuten opladen voor 6,000 cycli; het duurt normaal gesproken meerdere uren om EV-batterijen op te laden en ze hebben tussen de 1,000 en 2,000 cycli", zegt Xin Li, universitair hoofddocent materiaalkunde bij SEAS en de hoofdonderzoeker van het project. "Ons onderzoek toont ook aan dat je andere materialen als anode kunt gebruiken, zoals zilver, magnesium of silicium. Het is absoluut een stap voorwaarts in de richting van het opschalen van massaproductie voor solid-state batterijen."
“Van het lab naar de echte wereld”
Niet iedereen is echter overtuigd. "De huidige uitdaging van solid-state batterijen is implementatie en opschaling, in plaats van iets nog beters op celniveau te krijgen", zegt Lombard.
Vanuit een technisch perspectief is een uitdaging die de industrie nog moet overwinnen het produceren van een solid-state batterijpakket dat extreem hoge druk kan weerstaan en tegelijkertijd kan "ademen" - uitzetten en krimpen. "De oplossing voor dit probleem zou de winst in energiedichtheid van solid-state batterijen teniet kunnen doen, dus dat is echt een vraag die de industrie in de komende jaren moet beantwoorden via het opschalingsproces", zegt Lombard.
Vanuit het oogpunt van veiligheid is er nog een probleem dat solid-state fabrikanten moeten overwinnen: zelfs als een solid-state batterij niet vlam vat bij kortsluiting, dan kan dat wel gebeuren met andere materialen in de motor. "Nogmaals, dit is een technische uitdaging die op industrieel niveau getest en geverifieerd moet worden", zegt Lombard.
Ten slotte is er de aanzienlijke horde om een toeleveringsketen voor solid-state batterijen op te zetten. Volgens Lombard vereisen toeleveringsketens voor batterijen hoogwaardige materialen in zeer grote volumes, omdat een batterij niet werkt met zelfs een minieme hoeveelheid verontreinigingen. "Dat duurt lang om op te bouwen", zegt hij. "Dat komt ook doordat het bredere batterijveld exponentieel groeit, dus solid-state betreedt geen vaste markt, maar een markt waarin elke technologie - inclusief de traditionele lithium-ionbatterij - razendsnel verbetert en je daar wat ruimte in moet winnen."
Voor Lombard zal het succes van vaste-stofbatterijen niet voortkomen uit nieuwe academische doorbraken – “hoe belangrijk deze studie ook is”, waarschuwt hij – maar eerder uit de manier waarop de industrie de resterende technische uitdagingen zal oplossen en de bijbehorende toeleveringsketen zal ontwikkelen.
“Vaste-stofbatterijen hebben een enorm potentieel, maar de manier waarop de industrie deze [technische] uitdagingen oplost, zal bepalen of ze de markt voor elektrische autobatterijen zullen overnemen of dat ze een nichetoepassing blijven voor auto's en vrachtwagens die zeer lange afstanden afleggen”, zegt hij.
Volgens recent onderzoek van Focus, een AI-analyseplatform dat technologische doorbraken voorspelt op basis van wereldwijde patentgegevens, verbetert solid-state batterijtechnologie met een snelheid van 31% op jaarbasis. Hoewel indrukwekkend, is dat momenteel niet voldoende om de gevestigde orde te verstoren - met Li-ion-batterijen die met een vergelijkbare 30.5% verbeteren.
Het IEA voorspelt dat solid-state batterijen een belangrijke rol zullen spelen in de netto-nultransitie, met name om zwaar transport te decarboniseren via toepassingen zoals elektrische vrachtwagens. "Maar het is belangrijk dat we de industrie niet over- of onderschatten", zegt Lombard. Als solid-state batterijen erin slagen hun potentieel te vervullen, zal dat ergens in de jaren 2030 zijn, voorspelt hij. "Op dit moment moeten ze echt van het lab naar de echte wereld worden verplaatst."
Li gelooft van zijn kant dat het rond 2030 zal zijn voordat solid state mainstream wordt. “Voor die tijd zijn er nog veel technische barrières die overwonnen moeten worden,” zegt hij. “De [recente] doorbraken brengen die datum van 2030 niet per se naar voren, ze maken die datum mogelijk.”
Bron van Gewoon auto
Disclaimer: De hierboven vermelde informatie wordt door just-auto.com onafhankelijk van Chovm.com verstrekt. Chovm.com geeft geen verklaringen en garanties met betrekking tot de kwaliteit en betrouwbaarheid van de verkoper en producten.
