Doorbraak in batterijen brengt solid-state varianten een stap dichter bij de realiteit

Solid-state batterijen om EV-dominantie te bereiken

Hoewel lithium-ionbatterijen de belangrijkste oplossing zijn geworden voor batterijsystemen voor elektrische voertuigen, hebben ze wel een aantal beperkingen.

Eén daarvan is de nog steeds niet zo hoge energiedichtheid en een ander is een veiligheidsprobleem dat verband houdt met de groei van dendrieten die de batterij doorboren en waarbij de elektrolyt soms vlam kan vatten.

Bron: Nobelprijs

Men verwacht dat beide problemen kunnen worden opgelost met vaste-stofbatterijen, die de noodzaak van elektrolyten en het risico op dendrieten wegnemen.

Toyota voorspelt dat deze vaste-stofbatterijen in 2027 in gebruik zullen zijnen over het geheel genomen lijkt het een solide kandidaat voor de toekomst van mobiliteit.

Er blijven echter nog steeds enkele problemen bestaan, met name met de vaste elektrolyt van het granaattype, ook bekend als Li7La3Zr2O12 of LLZO (zie hieronder).

Het is dus goed nieuws dat vier onderzoekers van McGill University in Canada hebben aangekondigd dat ze een nieuw LLZO-ontwerp hebben gemaakt dat een verhoogde hoeveelheid energie kan leveren. Ze publiceerden hun resultaten in Cell Reports Physical Science in een paper getiteld "4.8-V volledig vaste granaat-gebaseerde lithium-metaalbatterijen met stabiele interface'.

Elektrolyt in vaste toestand

Ik ben klaar

Er wordt doorgaans gezegd dat solid-state batterijen geen elektrolyten nodig hebben. Dit is technisch gezien correct als het gaat om de vloeibare elektrolyt die gewoonlijk wordt gebruikt in lithium-ionbatterijen.

Maar natuurlijk heeft elke batterij nog steeds een soort brug nodig tussen de anode en de kathode om te functioneren. Er zijn drie soorten solid-state elektrolyten (SE's): keramische, polymeer en composiet SE's (CSE's).

De samengestelde vaste elektrolyten (CSE's) mengen polymeer SE met ionisch geleidende anorganische vulstoffen zoals Li7La3Zr2O12 (LLZO) om lithiumiontransport te vergemakkelijken.

Hoewel deze methode ideaal is voor hoogspanningstoepassingen in dichte batterijen, is er sprake van slecht contact met de elektrode, waardoor de algehele efficiëntie afneemt.

Poreuze LLZO

Wat de onderzoekers ontdekten, is dat de LLZO gemaakt kan worden van een poreus keramisch membraan, in plaats van de gebruikelijke sense plate. In meer technische termen:

Hier ontwerpen we een zeer geleidende en interfacevriendelijke composiet vaste elektrolyt (CSE) op basis van granaat, bestaande uit een kubisch Li6.1Al0.3La3Zr2O12 poreus raamwerk en polyvinylideendifluoride (PVDF) met een driedimensionale continue structuur.

Visueel gezien komt dit neer op een zeer complexe 3D-structuur vol kleine gaatjes op microscopisch niveau:

Bron: Cel

Hierdoor ontstaat er veel oppervlaktecontact voor de lithium-ion, terwijl er toch een sterke hechting aan de elektrode ontstaat.

Bron: Cel

Stabielere en duurzamere batterijen

Solid-state batterijen zijn over het algemeen veel krachtiger en energierijker dan lithium-ion batterijen. Maar ze zijn moeilijk op grote schaal te produceren, zodat ze vele laad-ontlaadcycli kunnen doorstaan ​​zonder capaciteit te verliezen.

Daarom gingen de onderzoekers de batterijen testen om te zien of de elektrode-interface die ze hadden gecreëerd, net zo stevig was als ze verwachtten.

Na 200 cycli werd het onder een microscoop bestudeerd en werd er geen enkel spoor van degradatie, zoals scheuren, delaminatie, etc. gevonden.

Bron: Cel

Over het geheel genomen vertoont het prototype van de batterij een uitstekende weerstand, vooral tegen dendrietvorming.

Li-Li symmetrische cellen gebaseerd op keramiek-gebaseerde CSE kunnen stabiel cycli aan gedurende 1,000 uur bij 0.1 en 0.5 mA cm−2, wat wijst op een uitstekende elektrochemische stabiliteit tegen Li-metaal en zelfs Li+ afzetting (dendrietonderdrukking).

Beter veiligheidsprofiel

De drastisch verminderde dendrietvorming en de afwezigheid van ontvlambare elektrolyten zouden de veiligheid van lithiumbatterijen aanzienlijk moeten verhogen.

Omdat de dikte van de keramische CSE slechts 125 μm bedraagt, is deze technologie ook zeer concurrerend voor de productie van zeer energiedichte vaste-stofbatterijen.

Ook moet worden opgemerkt dat de techniek die wordt gebruikt om de verbeterde LLZO te creëren, niet eenvoudig is, maar dat er geen zeldzame metalen, zeldzame machines of complexe stappen nodig zijn die ongebruikelijk zijn bij de productie van batterijen.

Bron: Cel

Al met al zou dit een belangrijke stap moeten zijn in het verder verbeteren van de eigenschappen van vastestofbatterijen op alle belangrijke vlakken: stabiliteit, veiligheid, energiedichtheid en eenvoudig te produceren.

Zijn solid state batterijen de winnaars?

Het is niet zeker dat vaste-stofbatterijen de komende jaren de nieuwe standaard voor EV-batterijen zullen worden.

Lithium-ionbatterijen zouden ook kunnen concurreren. Dit is vooral te danken aan de verbetering van het ontwerp, waarbij vergelijkbare nanoporiën helpen bij het verminderen van dendrietvorming.

Met name, honingraatbatterijen ontwikkeld door de wereldleider in batterijproductie CATL kan een veiligheidsprofiel en energiedichtheid bereiken die vergelijkbaar zijn met die van sommige vaste-stofbatterijen.

Al met al lijkt het erop dat een beter begrip van batterijmaterialen, met name op micro- en nanoschaal, en het gebruik van nanoporiën de weg voorwaarts vormen om de batterijprestaties te blijven verbeteren en het risico van dendrietvorming definitief weg te nemen.

Investeren in batterijtechnologie

Lithium-ionbatterijen hebben de wereld al meerdere malen veranderd: van het feit dat mensen geavanceerde elektronica overal mee naartoe kunnen nemen tot het feit dat auto's nu alleen nog maar op elektriciteit werken.

Ze zouden dat nog een keer kunnen doen, of met andere soorten batterijen, door een 100% hernieuwbaar elektriciteitsnet toe te staan ​​of door de elektrificatie van vliegtuigen toe te staan ​​wanneer een voldoende hoge energiedichtheid wordt bereikt.

U kunt via vele makelaars beleggen in batterijgerelateerde bedrijven, en u kunt hier, op Securities.io, onze aanbevelingen vinden voor de beste makelaars in de Verenigde Staten, Canada, Australië, Brittannië, evenals vele andere landen.

Als u niet geïnteresseerd bent in het kiezen van specifieke batterijbedrijven, kunt u ook kijken naar biotech-ETF's zoals Amplify Lithium- en batterijtechnologie ETF (BATT), Global X's Lithium- en batterijtechnologie ETF (LIT)Of de WisdomTree Battery Solutions UCITS ETF, wat een meer gediversifieerde blootstelling zal bieden om te profiteren van de groeiende batterij-industrie.

Solid State-bedrijven

QuantumScape werd al lang gezien als een van de eerste bedrijven die vaste-stofbatterijen op de markt zou brengen. Het bedrijf liep dan ook voorop in de ontwikkeling van deze technologie.

QuantumScape-batterijen maken gebruik van lithium-metaalbatterijen met een anode.

Anodevrije batterijen slaan de ionen op in een elektrochemische afzetting van alkalimetaal direct op de stroomcollector. Dit zorgt voor een hogere celspanning, lagere celkosten en een hogere energiedichtheid.

Bron: QuantumScape

(we hebben ook het concept van anodevrije batterijen besproken in de context van natriumbatterijen in “Anodevrije natrium-vaste-stofbatterijen kunnen de afhankelijkheid van de 'lithiumdriehoek' verminderen").

QuantumScape heeft echter regelmatig de verwachte datum van massaproductie van zijn batterijen uitgesteld, waardoor het aanvankelijke enthousiasme van investeerders voor het bedrijf werd gedempt.

Dit kan veranderen door een paar belangrijke ontwikkelingen in 2023 en 2024:

• Verbetering van de consistentie en kwaliteit van de productie.
• Verbetering van het verpakkingsontwerp, waaronder kleinere interne marges, dunnere stroomafnemers en een slanker frame.
• Levering van eenheidscellen met een hoge kathodebelasting aan OEM-partners (Original Equipment Manufacturer) in de automobielsector.
• Kondigde de lancering aan van de QSE-5, het eerste commerciële product van het bedrijf, met een potentiële lanceringsklant in de automobielsector.

Over het geheel genomen lijkt QuantumScape het solid-statebedrijf te zijn met de meest volwassen technologie, vooral als het gaat om de duurzaamheid van de batterij.

Bron: QuantumScape

Deal met Volkswagen

Belangrijker nog is dat het bedrijf echte vooruitgang boekt in het opzetten van een partnerschap met Volkswagen, de 2^nd grootste autofabrikant ter wereld.

In juli 2024QuantumScape heeft met Volkswagen een overeenkomst gesloten om samen te werken aan de productie van batterijcellen op basis van het QSE-5-ontwerp.

Met deze licentie mag PowerCo jaarlijks autoaccu's produceren en verkopen tot 40 GWh, wat kan worden uitgebreid met nog eens 40 GWh.

Dit is een niet-exclusieve licentie voor intellectueel eigendom, waarvoor rechten worden betaald. Hierdoor kan QuantumScape blijven verkopen aan andere potentiële klanten.

Misschien nog belangrijker om de ongerustheid van investeerders over het bedrijf weg te nemen, is dat er ook een initiële royaltyvergoeding van 130 miljoen dollar wordt betaald. Deze wordt verrekend met toekomstige royalty's en betaald door PowerCo, het batterijdochterbedrijf van Volkswagen.

Hierdoor heeft het bedrijf 18 maanden extra aan kasstroommogelijkheden vergeleken met de eerdere prognose, en dat loopt inmiddels door tot ver in 2028.

Dit zou ruim voldoende tijd moeten zijn om de productie op te voeren en solide inkomsten te genereren.

Zolang de batterijen van QuantumScape goed presteren, zouden ze een plekje op de markt moeten kunnen veroveren naast de batterijen van grotere bedrijven zoals CATL, BYD en Panasonic.

Gezien het feit dat Volkswagen zijn eigen QuantumScape-prototypes waarschijnlijk uitgebreid heeft getest en de productieverhoging heeft bestudeerd, lijkt de recente overeenkomst een stevige bevestiging van de technologie van het bedrijf.

Bron: QuantumScape

Bovendien lijkt de parallelle deadline van Toyota voor de commercialisering van vaste-stofbatterijen in 2027 aan te geven dat de technologie, na vele valse starts, nu een punt heeft bereikt waarop ze volwassen genoeg is.