Batterijdoorbraak brengt vaste‑stroomvarianten een stap dichter bij de realiteit

Vaste‑stroombatterijen om EV-dominantie te bereiken

Hoewel lithium‑ionbatterijen de dominante oplossing zijn geworden voor EV‑batterijsystemen, hebben ze enkele beperkingen.

Een daarvan is nog steeds een niet zo geweldige energiedichtheid, en een andere is een veiligheidsprobleem gekoppeld aan de groei van dendrieten die de batterij doorboren en waarbij het elektrolyt soms vlam vat.

Bron: Nobel Prize

Beide problemen zouden verlicht moeten worden met vaste‑stroombatterijen, die de noodzaak voor elektrolyten en het risico op dendrieten wegnemen.

Toyota voorspelt het gebruik van deze vaste‑stroombatterijen tegen 2027, en over het geheel lijkt het een solide kandidaat voor de toekomst van mobiliteit.

Desondanks blijft een probleem bestaan, met name bij het garnet‑type vaste elektrolyt, ook bekend als Li7La3Zr2O12 of LLZO (zie hieronder).

Dus het goede nieuws is dat vier onderzoekers van McGill University in Canada hebben aangekondigd dat ze een nieuw LLZO‑ontwerp hebben gecreëerd dat een grotere hoeveelheid energie kan leveren. Ze publiceerden hun resultaten in Cell Reports Physical Science in een paper getiteld “4,8‑V all‑solid‑state garnet‑based lithium‑metal batteries with stable interface”.

Vaste‑stroom elektrolyt

LLZO

Er wordt meestal gezegd dat vaste‑stroombatterijen geen elektrolyten nodig hebben. Dit is technisch correct wanneer men verwijst naar het vloeibare elektrolyt dat gewoonlijk in lithium‑ionbatterijen wordt gebruikt.

Maar natuurlijk heeft elke batterij nog steeds een soort brug tussen de anode en kathode nodig om te functioneren. Er zijn drie soorten vaste‑stroom elektrolyten (SE’s): keramisch, polymeer en composiet‑SE’s (CSE’s).

De composiet‑vaste‑stroom elektrolyten (CSE’s) mengen polymeer‑SE met ionisch geleidend anorganisch vulmateriaal zoals Li7La3Zr2O12 (LLZO) om lithium‑iontransporten te faciliteren.

Hoewel deze methode ideaal is voor hoogspanningswerking in compacte batterijen, lijdt hij aan slechte contacten met de elektrode, waardoor de algehele efficiëntie wordt verminderd.

Poreuze LLZO

Wat de onderzoekers ontdekten, is dat LLZO kan worden gemaakt van een poreuze keramische membraan, in plaats van de gebruikelijke dichte plaat. In meer technische termen:

Hier ontwerpen we een zeer geleidend en interface‑vriendelijk garnet‑gebaseerd composiet‑vast elektrolyt (CSE) bestaande uit een kubisch Li6.1Al0.3La3Zr2O12 poreus raamwerk en polyvinylideenfluoride (PVDF) met een driedimensionale continue structuur.

Visueel vertaalt dit zich naar een zeer complexe 3D‑structuur vol kleine gaatjes op microscopische schaal:

Bron: Cell

Dit creëert veel oppervlakcontact voor de lithium‑ion, terwijl het toch een sterke hechting aan de elektrode biedt.

Bron: Cell

Meer stabiele & duurzame batterijen

Vaste‑stroombatterijen zijn over het algemeen veel krachtiger en energiedichter dan lithium‑ionbatterijen. Maar ze waren moeilijk op schaal te produceren zodat ze vele laad‑ontlaadcycli kunnen doorstaan zonder capaciteit te verliezen.

Daarom hebben de onderzoekers de batterijen getest om te zien of de elektrode‑interface die ze hadden gecreëerd zo robuust was als verwacht.

Na 200 cycli bestudeerden ze deze onder een microscoop en vonden geen sporen van degradatie, zoals scheuren, delaminatie, enzovoort.

Bron: Cell

Over het geheel toont het batterijprototype uitstekende weerstand, met name tegen dendrietvorming.

Li‑Li symmetrische cellen gebaseerd op het keramisch‑gebaseerde CSE kunnen stabiel cyclen gedurende 1.000 h bij 0,1 en 0,5 mA cm−2, wat wijst op uitstekende elektrochemische stabiliteit tegen Li‑metaal en zelfs Li+ afzetting (dendrietonderdrukking).

Betere veiligheidsprofiel

De drastisch verminderde dendrietvorming, evenals de afwezigheid van brandbare elektrolyten, zouden de veiligheid van lithiumbatterijen aanzienlijk moeten verhogen.

Omdat de dikte van het keramisch‑gebaseerde CSE slechts 125 μm is, maakt dit de technologie ook zeer concurrerend voor het creëren van zeer energiedichte vaste‑stroombatterijen.

Het moet ook worden opgemerkt dat, hoewel niet eenvoudig, de techniek die wordt gebruikt om het verbeterde LLZO te maken geen zeldzame metalen, zeldzame machines of complexe stappen vereist die buiten het gewone batterijproductieproces vallen.

Bron: Cell

Dus over het geheel zou dit een belangrijke stap moeten zijn in het verder verbeteren van de kenmerken van vaste‑stroombatterijen in alle belangrijke aspecten: stabiliteit, veiligheid, energiedichtheid en productievriendelijkheid.

Zijn vaste‑stroombatterijen aan het winnen?

Het is niet zo dat vaste‑stroombatterijen zeker de nieuwe standaard voor EV‑batterijen in de komende jaren zullen worden.

Lithium‑ionbatterijen kunnen ook concurreren. Dit hangt voornamelijk samen met verbeteringen in het ontwerp, waarbij vergelijkbare nanoporen helpen de vorming van dendrieten te verminderen.

Het meest opvallend, honingraatbatterijen ontwikkeld door de wereldleider in batterijproductie CATL zouden een veiligheidsprofiel en energiedichtheid kunnen bereiken die vergelijkbaar is met sommige vaste‑stroombatterijen.

Over het geheel lijkt een dieper begrip van batterijmaterialen, vooral op micro‑ en nanoschaal, en het gebruik van nanoporen de weg vooruit te zijn om de batterijprestaties te blijven verbeteren en het risico op dendrietvorming definitief weg te nemen.

Investeren in batterijtechnologie

Lithiumbatterijen hebben de wereld al meerdere keren veranderd, van het mogelijk maken dat mensen overal geavanceerde elektronica kunnen meenemen tot het aandrijven van auto’s uitsluitend met elektriciteit.

Ze kunnen dat nogmaals doen, of andere soorten batterijen, door een 100 % hernieuwbaar stroomnet mogelijk te maken of door vliegtuig‑elektrificatie te realiseren zodra een voldoende hoge energiedichtheid is bereikt.

U kunt investeren in bedrijven die zich bezighouden met batterijen via vele brokers, en u kunt hier, op securities.io, onze aanbevelingen vinden voor de beste brokers in de VS, Canada, Australië, het VK, en vele andere landen.

Als u niet geïnteresseerd bent in het selecteren van specifieke batterijbedrijven, kunt u ook kijken naar biotech‑ETF’s zoals de Amplify Lithium & Battery Technology ETF (BATT), Global X’s Lithium & Battery Tech ETF (LIT), of de WisdomTree Battery Solutions UCITS ETF (WT ), die een meer gediversifieerde blootstelling bieden om te profiteren van de groeiende batterijindustrie.

Vaste‑stroombedrijven

Lange tijd werd verwacht dat het een van de eerste bedrijven zou zijn die vaste‑stroombatterijen op de markt brengt; QuantumScape (QS ) staat al aan de voorhoede van de ontwikkeling van deze technologie.

QuantumScape‑batterijen gebruiken lithiummetaal, anode‑free batterijen.

Anode‑free batterijen slaan de ionen op in een elektrochemische afzetting van alkalimetaal direct op de stroomgeleider. Dit maakt hogere celspanning, lagere celkosten en een hogere energiedichtheid mogelijk.

Bron: QuantumScape

(we bespraken het concept van anode‑free batterijen ook in de context van natriumbatterijen in “Anode‑Free Sodium Solid‑State Batteries Could Reduce Reliance on the ‘Lithium Triangle’”).

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

Dit zou kunnen veranderen met een paar belangrijke ontwikkelingen in 2023 & 2024:

• Verbetering in consistentie en kwaliteit van de productie.
• Verbetering in verpakkingsontwerp, inclusief strakkere interne marges, dunnere stroomgeleiders en een slanker frame.
• Verzending van high‑cathode‑loading unit cells naar automotive OEM‑partners.
• Aankondiging van de lancering van QSE‑5, het eerste commerciële product van het bedrijf, met een potentiële lanceerklant in de automobielsector.

Over het geheel lijkt QuantumScape veruit het vaste‑stroombedrijf met de meest volwassen technologie, vooral wat betreft de duurzaamheid van de batterij.

Bron: QuantumScape

Deal met Volkswagen

Belangrijker nog, het bedrijf toont echte vooruitgang in het opzetten van een partnerschap met Volkswagen, de op één na grootste autofabrikant ter wereld.

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

De licentie zou PowerCo in staat stellen om automotive batterijen te produceren en te verkopen tot 40 GWh per jaar, uitbreidbaar met nog eens 40 GWh.

Dit is een niet‑exclusieve, royalty‑dragende IP‑licentie, waardoor QuantumScape zijn batterijen kan blijven verkopen aan andere potentiële klanten.

Misschien nog belangrijker om de zorgen van investeerders over het bedrijf te verlichten, is dat het ook een initiële royalty‑vergoeding van $130 M zal geven, die wordt verrekend met toekomstige royalty’s, betaald door PowerCo, de batterij‑subsidiaire van Volkswagen.

Dit geeft het bedrijf een extra 18 maanden cash‑runway vergeleken met eerdere richtlijnen, waardoor het nu tot ver in 2028 reikt.

Dit zou meer dan voldoende tijd moeten zijn om de productie op te schalen en solide inkomsten te gaan registreren.

Dus zolang QuantumScape‑batterijen adequaat presteren, zouden ze hun niche op de markt moeten kunnen vinden naast batterijen die worden geproduceerd door grotere bedrijven zoals CATL, BYD en Panasonic.

Gezien het feit dat Volkswagen waarschijnlijk uitgebreid zijn eigen QuantumScape‑prototypes heeft getest en de productie‑opschaling heeft bestudeerd, lijkt de recente overeenkomst een solide onderscheiding van de technologie van het bedrijf.

Bron: QuantumScape

Daarnaast lijkt de parallelle deadline van Toyota in 2027 voor de commercialisering van vaste‑stroombatterijen erop te wijzen dat, na vele valse starts, de technologie nu een punt bereikt waarop ze voldoende volwassen is.