Nieuwe Interface‑strategie Verbetert Ionenstroom in Vastestofbatterijen

Lithium‑ionbatterijen zijn de wereldwijde standaard geworden. Vandaag de dag is het het populairste en meest gebruikte type batterij, met een geschatte marktwaarde van ongeveer $65 billion in 2023.

Maar natuurlijk zijn ze niet zonder nadelen, waaronder temperatuursgevoeligheid, veiligheidsproblemen en een beperkte levensduur.

Om Li‑ionbatterijen veiliger en krachtiger te maken, worden vloeibare elektrolyten vervangen door vaste, om vastestofbatterijen te creëren, waarvan de markt geprojecteerd naar verwachting zal groeien met een CAGR van 41,6% tussen 2024 en 2032. 

Een verschuiving naar vastestofbatterijen (SSB’s)

In een batterij is het elektrolyt het materiaal dat het mogelijk maakt dat ionen door het apparaat bewegen om stroom te genereren.

Dus, een batterij met een vast elektrolyt is een vastestofbatterij, die een hogere energiedichtheid, snellere oplaadcapaciteit, temperatuurbestendigheid, langere levensduur en verbeterde veiligheid biedt.

Ondanks hun potentieel ondervinden SSB’s ook verschillende uitdagingen, waaronder complexe productie en mogelijke veiligheidsproblemen gerelateerd aan dendrietvorming. Daarnaast kunnen ze interfaciale delaminatie ervaren, wat hun prestaties en levensduur beperkt. Gezamenlijk belemmeren deze beperkingen de brede adoptie van SSB’s. 

Om deze uitdagingen te overwinnen, werken onderzoekers en bedrijven wereldwijd actief aan de verdere ontwikkeling van de technologie.

Bijvoorbeeld, Samsung SDI streeft naar een energiedichtheid van 900 Wh/L via zijn eigen vaste elektrolyt en anode‑loze technologieën, 40 % hoger dan zijn huidige batterijen. 

Chinese giganten CATL en BYD maken ook aanzienlijke vooruitgang in SSB‑technologie, waarbij de eerste werkt aan een hybride “gecondenseerde‑toestand‑batterij” en de tweede onderzoek doet naar op oxide‑ en sulfide‑basis gebaseerde vaste elektrolyten, beide mikken op een energiedichtheid van 500 Wh/kg.

In de EU heeft Volkswagen een partnerschap met QuantumScape (QS ) gesloten. Zijn batterijafdeling, PowerCo, heeft bovendien een licentieovereenkomst veiliggesteld om massaal vastestofcellen te produceren met een initiële capaciteit van 40 GWh per jaar, 30 % meer bereik en ultra‑snelle oplaadcapaciteit.

Nissan is van plan om vóór het einde van het decennium te beginnen met massaproductie van zijn eerste vastestofcellen, terwijl LG streeft naar commercialisatie in 2030. Solid Power heeft intussen een partnerschap met Ford (F ), BMW en SK Innovation om de commercialisatie van volledig vaste‑stofbatterijtechnologie te versnellen, met focus op sulfide‑gebaseerde vaste elektrolyten voor elektrische voertuigen.

Eerder deze maand heeft het Duitse multinationale automobielbedrijf Mercedes‑Benz Group AG (voorheen Daimler) de eerste auto onthuld die op een lithium‑metaal SSB op de weg wordt aangedreven. Het prototype‑SSB werd eind vorig jaar geïntegreerd in een EQS.

De SSB in een op EQS gebaseerd voertuig kan volgens het bedrijf het rijbereik met 25 % verhogen.

Dus, hoewel de ontwikkeling gaande is, ligt de commercialisatie van SSB’s nog enkele jaren in de toekomst. In de tussentijd heeft een team van onderzoekers van de University of Texas at Dallas een manier ontdekt om de prestaties van vastestofbatterijen te verbeteren.

Verbeteren van ionische geleidbaarheid in SSB’s

Gepubliceerd in ACS Energy Letters, beschrijft de nieuwste studie de ontdekking van een verbeterde ionische geleidbaarheid¹ bij het mengen van een vast elektrolyt met een ander vast materiaal. 

Deze verhoogde ionische geleidbaarheid wordt veroorzaakt door de vorming van een ruimte‑laderlaag aan de interface, wat een nieuwe strategie biedt voor het ontwikkelen van snelle ionische geleiders voor SSB’s. De ‘ruimte‑laderlaag’, als gevolg van het mengen van kleine deeltjes tussen twee vaste elektrolyten, is een ophoping van elektrische lading aan de grens tussen de twee materialen.

Wat er gebeurt is dat wanneer de afzonderlijke vaste elektrolytmaterialen fysiek contact maken, er een laag ontstaat op hun grens. Aan die grens hopen geladen deeltjes zich op vanwege verschillen in het chemisch potentieel van elk materiaal.

De laag helpt vervolgens paden te creëren die het voor deze geladen deeltjes of ionen gemakkelijker maken om over de interface te bewegen. Volgens de mede‑corresponderende auteur van de studie, Dr. Laisuo Su, assistent‑professor materiaalkunde en -techniek aan de Erik Jonsson School of Engineering and Computer Science:

“Stel je voor dat je twee ingrediënten in een recept mengt en onverwacht een resultaat krijgt dat beter is dan elk ingrediënt afzonderlijk.” 

Hij voegde toe:

“Dit effect heeft de ionenbeweging gestimuleerd tot boven wat elk materiaal afzonderlijk kon bereiken,” voegde hij toe.

Het onderzoek van Dr. Su richt zich op het ontwikkelen van revolutionaire materialen voor hernieuwbare‑energie‑apparaten in de oplaadbare batterijsector. Naast een speciale interesse in elektrolyten, zowel vaste als vloeibare, en de elektrolyt‑elektrode‑interface waar cruciale reacties plaatsvinden, werkt hij aan het bouwen van geavanceerde instrumenten om chemische en elektrochimische reacties in hernieuwbare‑energie‑apparatuur te monitoren.

“Deze ontdekking suggereert een nieuwe manier om betere vaste elektrolyten te ontwerpen door zorgvuldig materialen te kiezen die op een manier interageren die ionische beweging verbetert, wat mogelijk leidt tot beter presterende vastestofbatterijen.”

– Dr. Su

Als onderdeel van het BEACONS‑initiatief (Batterijen en Energie om Commercialisatie en Nationale Veiligheid te Bevorderen) van UTD, dat bij de lancering in 2023 $30 miljoen financiering van het Ministerie van Defensie ontving, heeft het project als doel nieuwe batterijtechnologieën en productieprocessen te ontwikkelen en commercialiseren, de binnenlandse beschikbaarheid van kritieke grondstoffen te verbeteren en hooggekwalificeerde werknemers voor de industrie op te leiden.

According to the study’s co‑corresponding author, Dr. Kyeongjae Cho & who is also a professor of materials science and engineering and director of BEACONS:

“Vastestofbatterijtechnologie maakt deel uit van ons onderzoek naar volgende‑generatie batterijchemie in het BEACONS‑centrum, en wordt verwacht geavanceerde batterijsystemen mogelijk te maken die de prestaties van drones voor defensietoepassingen verbeteren.”

Lithium‑ionbatterijen die momenteel in consumentenelektronica worden gebruikt, bevatten voornamelijk vloeibare elektrolyten, die brandbaar zijn en daardoor veiligheidsproblemen opleveren.

Aangezien conventionele Li‑ionbatterijen hun theoretische limiet van energieopslag hebben bereikt, tonen SSB’s volgens Su veelbelovend potentieel om meer dan twee keer zoveel energie te genereren en op te slaan als batterijen met vloeibare elektrolyten. En omdat ze niet brandbaar zijn, zijn ze ook veiliger.

Het verplaatsen van ionen door vaste materialen is echter moeilijk, wat uitdagingen oplevert bij de ontwikkeling van vastestofbatterijen.

Dus bestudeerden de onderzoekers de prestaties van twee veelbelovende vastestof‑elektrolyt (SSE) verbindingen. Deze omvatten lithium‑zirkoniumchloride (Li2ZrCl6) en lithium‑yttriumchloride (Li3YCl6). 

De onderzoekers stelden vervolgens een theorie voor waarom het mengen hiervan de ionische activiteit verhoogt. “De interface vormde unieke kanalen voor ionentransport,” zei Su.

Vooruitkijkend zullen de onderzoekers blijven onderzoeken hoe de samenstelling en de structuur van de interface leiden tot een grotere ionische geleidbaarheid.

Aanpakken van het dendrietprobleem in SSB’s

De behoefte aan batterijen met hogere energiedichtheden heeft geleid tot een ander onderzoeksteam dat werkt aan het kritieke dendrietprobleem. Oorspronkelijk werd gedacht dat dendrieten het vaste elektrolyt niet konden doordringen. Maar net als bij andere batterijarchitecturen vormen ze ook een probleem voor volledig vaste‑stofbatterijen.

Een team van ingenieurs en materiaalkundigen van verschillende instellingen in China heeft ” ontdekt ” dat metaalmoeheid aan de anode een van de belangrijkste redenen is waarom SSB’s na verloop van tijd falen. Het draagt ook bij aan de degradatie van de interface en de groei van dendrieten. 

De groep gebruikte scanning elektronenmicroscopie en fase‑veld simulaties om de groei van dendrieten in lithium‑SSB’s te bestuderen.

Wat ze ontdekten was dat tijdens het laden en herladen de constante uitzetting en krimp van lithium metaalmoeheid in de anode veroorzaakte, wat de groei van dendrieten bevorderde. Meer specifiek bleek de voortdurende uitzetting en krimp te leiden tot de ontwikkeling van micro‑voiden en scheuren in de anode, wat dendrietgroei en degradatie veroorzaakte, zelfs bij lage dichtheden.

Wat een dendriet is, is een boomachtige structuur die ontstaat door chemische reacties op het oppervlak van de anode.

Anodes in een batterij ondergaan lithium‑afzetting en -verwijdering tijdens laad‑ en ontlaadcycli. In dit omkeerbare proces worden lithiumionen op het oppervlak van de anode (afzetting) neergelegd en tijdens de normale cycli (laden & ontladen) weer verwijderd (verwijdering).

Een niet‑uniforme afzetting van li‑ionen op het anode‑oppervlak leidt echter tot plekken die meer li‑ionen aantrekken, waardoor een keten van lithiumionen langer groeit. De boomachtige structuur dringt vervolgens door de batterij, breekt de batterijstructuur af en veroorzaakt een kortsluiting.

In SSB’s is er een groot contactoppervlak tussen lithiummetaal en het vaste elektrolyt. En als er voids ontstaan in het vaste elektrolyt, vult lithiummetaal deze snel, wat ernstige dendrietvorming en diepe scheurvoortplanting door het elektrolyt veroorzaakt.

Dus, Haegyeom Kim, een materiaalwetenschapper bij het Lawrence Berkeley National Laboratory in Californië, ” publiceerde ” een oplossing voor dit probleem.

Hun studie beschrijft het gebruik van een dubbele bufferlaag van tin‑koolstof op de stroomcollector om de vorming van dendrieten in lithium, anode‑vrije all‑solid‑state batterijen (ASSB’s) te voorkomen. In deze SSB‑architectuur wordt een anode niet vooraf geconstrueerd, maar ontstaat deze tijdens de eerste laadcyclus op de stroomcollector door de li‑ionen van de kathode, om complexiteit, gewicht en kosten te verminderen.

Een eerder artikel van onderzoekers bij Samsung toonde de mogelijkheid om zilver‑ en koolstoflagen als bufferlaag in lithiumbatterijen te gebruiken, met een zeer stabiele en uniforme lithium‑afzet‑ en -verwijderingscyclus.

Na onderzoek waarom dit effectief was, ontdekte Kim’s team dat zilver zeer lithofiel is, en de li‑ionen zich uniform op de laag uitlijnen, zelfs bij hoge lithiumconcentraties, waardoor de lithiumafzetting zeer homogeen is zolang de zilverafzetting uniform is.

Het begrijpen van de rol van koolstof hier vormde echter de basis voor het nieuwe werk, waarbij het team tin selecteerde, dat beter werkt dan het dure zilver.

Om de rol van koolstof te achterhalen, ontwierp het team meerdere tests en gebruikte vier verschillende batterij‑half‑cellen. Eén met een tin‑bufferlaag, één zonder bufferlaag, één met tin bovenop de koolstof‑bufferlaag, en één met koolstof bovenop de tin‑bufferlaag.

De lagen werden neergeslagen op een roestvrijstalen stroomcollector, en de bufferlaag met koolstof bovenop tin leverde de beste prestaties.

“We realiseerden ons dat tin fungeert als een lithofiele laag zoals zilver, dus de positionering van tin is belangrijk, omdat daar de afzetting plaatsvindt.”

– Kim

De koolstoflaag bleek lithofobisch te zijn, wat betekent dat li‑ionen moeite hadden om door deze laag te bewegen en liever de andere kant op gingen. Het plaatsen ervan op het tin verhinderde de migratie van lithium van de nieuw ontwikkelde afzetlaag op het tin en stopte de penetratie van dendrieten in het elektrolyt.

“Het gaat niet alleen om de intrinsieke eigenschappen van één materiaal. Hoe we ze combineren is zo belangrijk, omdat dat de eigenschappen van de barrièrelaag aanzienlijk kan veranderen.”

Het team werkt nu aan nieuwe bufferlagen met betere prestaties, test over langere cycli, en gaat verder naar meer praktische systemen.

Verwijderen van de voids om de levensduur te verhogen

Een andere doorbraak die SSB’s een stap dichter bij praktische toepassingen brengt, werd bereikt door te begrijpen waarom het toevoegen van kleine hoeveelheden metalen zoals magnesium aan de anode de batterijprestaties verbetert.

Hoewel dit vaak wordt gedaan, was tot nu toe niet bekend waarom dat zo is.

Hiervoor keken onderzoekers van de University of Houston met operando scanning elektronenmicroscopie naar wat er in SSB’s gebeurt om te begrijpen waarom ze falen en wat er gedaan kan worden om dat proces te vertragen.

“Dit onderzoek lost een langstaand mysterie op over waarom vastestofbatterijen soms falen,” zei corresponderende auteur Yan Yao, de Hugh Roy en Lillie Cranz Cullen Distinguished Professor of Electrical and Computer Engineering en hoofdonderzoeker bij het Texas Center for Superconductivity.

Hun “ontdekking”, volgens Yao, maakt het mogelijk dat SSB’s onder lagere druk functioneren. Dit kan mogelijk de noodzaak voor omvangrijke externe behuizingen verminderen en de algehele veiligheid verbeteren.

Wat is geleerd is dat na verloop van tijd kleine voids ontstaan binnen de batterij, die een grote kloof vormen, waardoor de batterij faalt. Het uitvoeren van verschillende proeven toonde aan dat het toevoegen van een kleine hoeveelheid elementen zoals magnesium (Mg) deze ruimtes kan sluiten en de batterij kan blijven functioneren.

“Met slechts een kleine aanpassing van de chemie van de batterij kunnen we de prestaties drastisch verbeteren, vooral onder praktische omstandigheden zoals lage druk.”

– Eerste auteur Lihong Zhao, assistent‑professor elektrotechniek en computertechniek aan de UH

SSB’s hebben een hoge externe stapeldruk nodig om operationeel intact te blijven, maar zoals Zhao opmerkte, “door de chemie van de batterij zorgvuldig aan te passen, kunnen we de benodigde druk om het stabiel te houden aanzienlijk verlagen.”

Onderzoekers van de University of Missouri gebruikten ondertussen vierdimensionale scanning transmission electron microscopy (4D STEM) om de atomaire structuur van de batterij te beoordelen.

Wat ze ontdekten was dat wanneer het vaste elektrolyt het kathode raakt, het reageert en een interfaciale laag van 100 nm dikte vormt, die de li‑ionen en elektronen belemmert om gemakkelijk te bewegen, waardoor de batterijprestaties worden beperkt.

Het onderzoeksteam plant nu te testen of dunne filmaterialen, gevormd door een damp‑fase depositieproces (oMLD), een beschermende coating kunnen bieden “dun genoeg om reacties te voorkomen” tussen het vaste elektrolyt en kathodematerialen, “maar niet zo dik dat ze de lithium‑ionenstroom blokkeren.”

AI gebruiken om SSB‑onderzoek & -ontwikkeling te ondersteunen

Met kunstmatige intelligentie die industrieën transformeert is het logisch dat onderzoekers ook haar hulp inschakelen om het probleem van SSB‑onderzoek en -ontwikkeling op te lossen, die middelenintensief en tijdrovend zijn.

De complexe chemische omgeving van SSB maakt prestatievoorspelling moeilijk en vertraagt grootschalige industrialisatie. 

In een studie⁵ van vorige week wezen ingenieurs van Soochow University en Nanjing University, China, op het potentieel van AI om efficiënte materiaalscreening en prestatievoorspelling mogelijk te maken. De nieuwste vooruitgang in het gebruik van machine‑learning (ML) algoritmen, zo werd opgemerkt, kan worden gebruikt om uitgebreide materiaaldatabases te doorzoeken en de ontdekking van hoog‑presterende materialen geschikt voor SSB’s te versnellen.

De snelle ontwikkeling van AI‑technologie, volgens de studie, biedt nieuwe ideeën om de belangrijkste uitdagingen van SSB’s aan te pakken, namelijk de anode‑interface, de kathode‑interface, de synthese en ontdekking van elektrolyten, en de batterijproductie.

Onderzoekers van Skoltech en het AIRI Institute maakten ook gebruik van neurale netwerken en ontdekten dat ze in staat waren veelbelovende materialen voor het vaste elektrolyt en de beschermende coatings te identificeren.

“We hebben aangetoond dat graf‑neuronale netwerken nieuwe vastestofbatterijmaterialen met hoge ionische mobiliteit kunnen identificeren en dit orders van grootte sneller doen dan traditionele kwantum‑chemische methoden,” zei lead‑auteur Artem Dembitskiy, waarmee de ontwikkeling van nieuwe batterijmaterialen mogelijk wordt versneld.

Met de door machine learning versnelde aanpak identificeerden de onderzoekers de verbindingen Li3AlF6 en Li2ZnCl4 als veelbelovende coatingmaterialen voor de superionische lithiumgeleider Li10GeP2S12.

Investeren in SSB‑technologie

Als het gaat om investeren in een bedrijf dat actief de SSB‑technologie vooruitstuwt, biedt Toyota (TM ) solide potentie. 

De in Japan gevestigde autofabrikant heeft een partnerschap met Panasonic om ” een joint venture te vormen ” genaamd Prime Planet Energy & Solutions, gericht op sulfide‑gebaseerde vaste elektrolyten. Het bedrijf plant productie te starten volgend jaar, met massaproductie pas verwacht in 2030, met een doel van een bereik van 1.000 km, 10‑minuten snelladen, en een jaarlijkse capaciteitsdoelstelling van 9 GWh.

Het heeft ook een partnerschap met Idemitsu Kosan om sulfide‑gebaseerde elektrolyten massaal te produceren tegen 2027–2028.

Toyota Motor Corp (TM )

Toyota’s avontuur met vastestofbatterijen begon bijna twee decennia geleden met de oprichting van een Battery Research Division, wiens doel is om volgende‑generatie batterijen te ontwikkelen voor hybride en elektrische voertuigen.

Wat de marktprestaties van Toyota Motors betreft, zijn ze behoorlijk sterk, met aandelen die momenteel handelen op $183,60. Hoewel ze dit jaar tot nu toe met 4,87 % zijn gedaald, zijn ze sinds hun laagste punt in april met meer dan 17 % gestegen. Nog vorig jaar, in maart, overschreed de aandelenkoers van het bedrijf $255 en bereikte een nieuw hoogtepunt.

Met dat, de marktkapitalisatie van $292,4 miljard, is Toyota’s EPS (TTM) 24,01, en de P/E (TTM) 7,71. Het biedt zelfs een aantrekkelijk dividendrendement van 3,27 %.

De financiële resultaten van het bedrijf voor Q1 2025 ” toonden ” dat de netto‑omzet met 6,5 % steeg tot $314 miljard, terwijl de operationele winst met meer dan 15 % daalde tot $31,3 miljard. In deze periode verkocht het bedrijf in totaal ongeveer 9.362.000 eenheden. Ondanks een daling van de verkoop met 81.000 eenheden in het kwartaal, bleef Toyota het best verkopende merk. 

Dit volgt nadat Toyota in 2024 10,8 miljoen voertuigen verkocht en de wereldwijde ” bestverkopende ” autofabrikant werd voor het vijfde opeenvolgende jaar.

Laatste Toyota Motor Corp. (TM) Aandelen Nieuws en Ontwikkelingen

Klik hier voor een lijst van de vijf beste solid‑state‑batterij‑aandelen.

Conclusie: De Toekomst van Vastestofbatterijen

Vastestofbatterijen beloven veel voordelen ten opzichte van de veelgebruikte lithiumbatterijen. Hoewel ze betere veiligheid, energiedichtheid en levensduur bieden, belemmeren uitdagingen zoals interfaciale delaminatie en dendrietvorming nog steeds hun massale adoptie. 

Hier vertegenwoordigt de nieuwste ontdekking dat het mengen van bepaalde vaste elektrolyten een “ruimte‑laderlaag” creëert, die de ionenmobiliteit verbetert, een veelbelovende nieuwe richting. Door dergelijke doorbraken, samen met voortdurende experimenten van bedrijven, kan SSB uiteindelijk levensvatbaar worden voor praktisch gebruik in mobiele apparaten en elektrische voertuigen.

Klik hier om meer te leren over een doorbraak die vastestofbatterijen een stap dichter bij de realiteit bracht.

Gerefereerde studies:

<sup>1. Wang, B., Limon, M. S. R., Zhou, Y., Cho, K., Ahmad, Z., & Su, L. (2025). 1 + 1 > 2 Effect geïnduceerd door ruimte‑lading in vaste elektrolyten. ACS Energy Letters, 10(3), 1255–1257. https://doi.org/10.1021/acsenergylett.4c03398
2. Wang, T., Chen, B., Liu, Y., Song, Z., Wang, Z., Chen, Y., Yu, Q., Wen, J., Dai, Y., Kang, Q., Pei, F., Xu, R., Luo, W., & Huang, Y. (2025). Vermoeidheid van Li‑metaal anode in vastestofbatterijen. Science, 388(6744), 311–316. https://doi.org/10.1126/science.adq6807
3. Avvaru, V. S., Ogunfunmi, T., Jeong, S., Diallo, M. S., Watt, J., Scott, M. C., & Kim, H. (2025). Tin–koolstof dubbele bufferlaag om lithiumdendrietgroei in all‑solid‑state batterijen te onderdrukken. ACS Nano, 19(18), 17347–17356. https://doi.org/10.1021/acsnano.4c16271
4. Zhao, L., Feng, M., Wu, C et al. Beeldvorming van de evolutie van de lithium‑vaste‑elektrolyt interface met operando scanning elektronenmicroscopie. Nat Commun 16, 4283 (2025). https://doi.org/10.1038/s41467-025-59567-8
5. Wang, S., Liu, J., Song, X et al. Kunstmatige Intelligentie Versterkt Vastestofbatterijen voor Materiaalscreening en Prestatie‑evaluatie. Nano-Micro Lett. 17, 287 (2025). https://doi.org/10.1007/s40820-025-01797-y</sup>