Energie
Natrium & waterstof solid-statebatterijen dagen lithium uit
Voorbij lithium‑ion gaan
Met de elektrificatie van alle vormen van transport, beginnend met auto’s, en binnenkort ook vrachtwagens, schepen en mogelijk zelfs vliegtuigen, is batterijopslag de sleutel technologie van het decennium geworden.
Aanvankelijk werd het gedomineerd door lithium‑iontechnologie, dankzij de ervaring met de productie ervan voor kleine elektronica en de inherente elektrische eigenschappen van lithium.
Echter, lithium‑iontechnologie brengt een aantal belangrijke problemen met zich mee die de adoptie kunnen beperken:
- Het is duurder en zeldzamer dan andere metalen, wat de toepassing kan beperken tot ultrahoge‑dichtheidsbatterijen of high‑end producten.
- Het heeft de neiging metalen dendrieten te vormen die catastrofale storingen en batterijbranden kunnen veroorzaken.
- Het presteert slecht bij vrieskou, waardoor het ongeschikt is voor koude klimaten en vaste opslag in koude gebieden.
Om al deze redenen verkennen wetenschappers en batterijproducenten alternatieve chemieën. Een daarvan is het gebruik van natrium, een van de componenten van ultra‑overvloedig & goedkoop zeezout.
Natrium‑ionbatterijen naderen spoedig de massaproductiefase, waarbij het bedrijf CATL (300750.SZ) de leiding neemt in dat gebied.
“Het gaat niet om natrium versus lithium. We hebben beide nodig. Als we nadenken over de energieopslagoplossingen van morgen, moeten we ons voorstellen dat dezelfde gigafabriek producten kan produceren op basis van zowel lithium‑ als natriumchemie,”
Shirley Meng– Professor in Molecular Engineering aan de UChicago PME.
Desondanks worden zowel lithium‑ion- als natrium‑ionbatterijen beschouwd als een opstap naar een superieure batterijtechnologie: solid-state batterijen.
Aanvankelijk gericht op lithium, breidt solid-state technologie zich nu uit naar nieuwe richtingen. Bijvoorbeeld, we bespraken eerder de mogelijkheid van een anode‑vrije solid-state batterij gebaseerd op natrium.
Een nieuwe studie onthulde dat een metastabiele vorm van natrium‑vast elektrolyt kan worden gebruikt om solid-state natriumbatterijen te creëren die niet alleen energie‑dichter zijn, maar ook prestaties behouden bij onder nul temperaturen.
Dit werk werd uitgevoerd door wetenschappers van de University of California, de University of Chicago en de National Taiwan University of Science and Technology, en werd gepubliceerd in het tijdschrift Joule1 onder de titel “Metastable sodium closo-hydridoborates for all-solid-state batteries with thick cathodes”.
Uitdagingen van solid-state elektrolyten
In een “normale” batterij worden de kathode en anode gescheiden door een vloeibare elektrolyt. Deze elektrolyt is zeer nuttig, maar ook erg zwaar, en de belangrijkste oorzaak van brand in defecte batterijen.
Daarom maakt het vervangen ervan door een laag vast materiaal de batterij niet alleen veel dichter, maar ook veiliger. Het behouden van de stabiliteit van deze vaste elektrolyt zonder opzwellen tijdens het laden of ontladen (wat scheuren veroorzaakt) is echter een probleem geweest.
Natrium‑vaste elektrolyten hebben een extra probleem, omdat ze een beperkte ionische geleidbaarheid bij kamertemperatuur vertonen.
Een alternatief zou het gebruik van materiaal zoals natrium‑hydridoboraat kunnen zijn, bekend om een zeer hoge ionische geleidbaarheid. Maar daarvoor moet de metastabiele vorm op schaal in een batterij worden behouden.
“Deze metastabiele structuur van natrium‑hydridoboraat heeft een zeer hoge ionische geleidbaarheid, minstens één orde van grootte hoger dan die in de literatuur gerapporteerd, en drie tot vier orders van grootte hoger dan de precursor zelf.”
Shirley Meng– Professor in Molecular Engineering aan de UChicago PME.
Stabilisatie van natrium solid-state elektrolyten
Bij het produceren van een batterij met natrium‑hydridoboraat neigt het materiaal bij afkoeling naar een stabiele structuur te bewegen, waarbij NaBH4 van Na2B12H12‑moleculen wordt gescheiden.
Een metastabiele vorm bestaat bij hoge temperatuur, waarbij de twee kristallen worden gemengd, waardoor natrium veel sneller door de batterij kan bewegen, wat leidt tot een sterkere elektrische capaciteit.
Bron: Joule
Bij snelle afkoeling blijft het materiaal in een metastabiele vorm, waardoor het kristal zijn structuur behoudt in plaats van terug te vallen naar een stabiele vorm. Deze vorm van snelle afkoeling, ook wel quenching genoemd, is een belangrijke methode die in de productie wordt gebruikt, met name in de metallurgie voor staal en andere metalen.
Bron: Joule
Bekende techniek voor schaalbaarheid
Het was al bekend dat om een chemische structuur te stabiliseren, quenching (snelle afkoeling) vaak een nuttige methode is. Dit was echter tot nu toe nog nooit aangetoond in een solid-state elektrolyt.
Het feit dat dit een algemeen geaccepteerde praktijk is, kan enorm helpen om deze techniek schaalbaar te maken en door batterijproducenten te laten adopteren.
“Aangezien deze techniek is vastgesteld, kunnen we in de toekomst beter opschalen.
Als u iets nieuws voorstelt of er een behoefte is om processen te wijzigen of vast te stellen, zal de industrie terughoudender zijn om het te accepteren.
Sam Oh– A*STAR Institute of Materials Research and Engineering in Singapore.
Dikke elektrode & koude temperaturen
De meeste solid-state ontwerpen proberen een ultra‑dunne kathode te ontwerpen om het contactoppervlak te maximaliseren en de hoeveelheid “dode” materiaal die geen energie opslaat te beperken.
De quenching lost dit probleem op door permanente poriën te creëren waar het natrium‑ion kan circuleren.
“Het combineren van die metastabiele fase met een O3‑type kathode die is gecoat met een chloride‑gebaseerde vaste elektrolyt kan dikke, hoog‑oppervlakte‑belaste kathodes creëren die dit nieuwe ontwerp voorbij eerdere natriumbatterijen plaatsen.”
Sam Oh– A*STAR Institute of Materials Research and Engineering in Singapore.
Dit creëert een interessant ontwerpmogelijkheid, aangezien het dikker maken van de elektrode in dit specifieke geval de batterij zou moeten verbeteren, in plaats van verslechteren.
“Hoe dikker de kathode, hoe meer de theoretische energiedichtheid van de batterij – de hoeveelheid energie die binnen een specifiek gebied wordt opgeslagen – verbetert,”
Sam Oh– A*STAR Institute of Materials Research and Engineering in Singapore.
Bij het testen van de kathode ontdekten de onderzoekers dat de prestaties behouden bleven bij kamertemperatuur en zelfs onder het vriespunt – een opmerkelijk voordeel voor gebruik in koude klimaten vergeleken met conventionele vloeibare‑elektrolyt Li‑ion – hoewel een bredere, systeem‑niveau superioriteit ten opzichte van commerciële Li‑ion nog niet is aangetoond.
Waterstof als ladingsdrager
Wanneer we waterstof bespreken in relatie tot transport en groene energie, verwijzen we over het algemeen naar diwaterstof (H2) en de verbranding of oxidatie ervan in speciale motoren of brandstofcellen.
Maar waterstof zou in de toekomst ook potentieel kunnen dienen als een sleutelcomponent van batterijen, ter vervanging van lithium of natrium. In dat geval wordt hydride (H-) gebruikt.
Aangezien waterstof het meest voorkomende element in het universum is, zou dit het bijzonder nuttig kunnen maken voor een wereld die volledig wil elektrificeren en draait op groene energie en batterijen.
Chinese onderzoekers van de University of Chinese Academy of Sciences, University of Science and Technology of China (USTC), Jilin University, en het State Key Laboratory of Catalysis van de Volksrepubliek China hebben in de prestigieuze wetenschappelijke review Nature2 het concept onthuld van een solid-state hydride‑ion batterij, onder de titel “A room temperature rechargeable all-solid-state hydride ion battery”.
Hydride‑ionen
Batterijen gebruiken een negatieve ladingsdrager om elektronen tussen de anode en kathode te transporteren. In theorie zijn hydride‑ionen (H−) energieker, polariseerbaarder en reactiever dan kationen zoals lithium of natrium.
Waterstof is bovendien het kleinste atoom, waardoor het bijzonder licht is, een belangrijk punt voor batterijen die in transport worden gebruikt.
Echter, ondanks deze bekende voordelen zijn hydride‑ionen tot nu toe niet in batterijen gebruikt, omdat geen enkele elektrolyt de combinatie van snelle ionbeweging, thermische stabiliteit en elektrode‑compatibiliteit kan bieden die dergelijke systemen vereisen.
Conductiviteit combineren met stabiliteit
De onderzoekers syntheseerden een nieuw kern‑schil composiethydride, 3CeH3@BaH2, waarbij een dunne BaH2‑schil CeH3 omsluit. Deze structuur maakt gebruik van de hoge hydride‑iongeleiding van CeH3 en de stabiliteit van BaH2.
Met dit scheil‑composiet als bouwblok creëerden de onderzoekers een CeH2|3CeH3@BaH2|NaAlH4 all-solid-state hydride‑ion prototype. NaAlH4, een klassiek waterstofopslagmateriaal, werd gebruikt als de actieve component van de kathode.
Dendrieten voor altijd verwijderen?
Naast een hoge energiedichtheid hebben hydride‑ionen een ander groot voordeel: in tegenstelling tot metalen kationen kunnen ze zich niet met elkaar samenvoegen tot dendrieten, de onderliggende oorzaak van de meeste batterijstoringen na te veel laad‑ontlaadcycli, wat kortsluitingen en brand veroorzaakt.
Dus het zou de weg kunnen zijn naar veilige, efficiënte en duurzame energieopslag.
Echter, deze technologie is veel minder volwassen dan lithium‑batterijen of zelfs natrium‑batterijen, met vooruitgang nodig in de duurzaamheid van dit ontwerp.
Voorlopig slaagden de onderzoekers erin een hoge energiedichtheid van 984 mAh/g te bereiken bij kamertemperatuur. Maar de batterijcapaciteit daalde tot 402 mAh/g na slechts 20 cycli.
De toekomst van solid-state batterijen
Op de korte termijn zullen batterijen die lithium‑iontechnologie gebruiken waarschijnlijk de basis blijven van groene energie en elektrische voertuigen.
Echter, op de middellange termijn zouden solid-state batterijen of natrium (en solid-state natrium) de dominantie van lithium‑ion kunnen verdringen, vooral als ze een voldoende hoge energiedichtheid tegen een lagere prijs kunnen bieden.
Het snelle opladen van solid-state batterijen kan ook een argument zijn voor bestuurders die terughoudend zijn om over te stappen op elektrische voertuigen of voor commerciële toepassingen.
Duurzaamheid en tolerantie voor koude temperaturen zullen ook een factor zijn, met mogelijk een breed scala aan parallelle batterijchemieën die gedurende de jaren 2030 naast elkaar bestaan, met enkele gespecialiseerde batterijen voor elektrische voertuigen in koude klimaten.
U kunt meer over deze onderwerpen lezen in onze volgende artikelen:
Swipe om te scrollen →
| Batterijtype | Energiedichtheid | Cycl levensduur | Kosten | Volwassenheid |
|---|---|---|---|---|
| Lithium-Ion | 250–300 Wh/kg | 1,000+ cycles | High | Commercial |
| Sodium-Ion | 160–200 Wh/kg | 1,000+ cycles | Lower | Scaling (CATL) |
| Solid-State (Lithium) | 350–500 Wh/kg | >2,000 cycles (target) | High (R&D) | Pilot (2026–27) |
| Hydride Ion | 984 mAh/g (prototype) | 20 cycles (current) | Unknown | Early Research |
Solid‑State Batterijbedrijf
QuantumScape
(QS )
Sinds de oprichting in 2010 is het Californische QuantumScape een vooraanstaande startup in de solid‑state batterijsector, opmerkelijk door haar vroege intrede in het veld en haar onafhankelijkheid van grotere batterijproducenten die ook solid‑state technologie nastreven, zoals CATL (300750.SZ), Samsung, of LG Energy Solution (373220.KS).
Bron: QuantumScape
Een uniek kenmerk van QuantumScape‑batterijen, dat bij de onthulling als revolutionair werd beschouwd, is dat ze een anode‑vrij ontwerp gebruiken.
Het maakt een snelle lading van ~15 minuten mogelijk (10‑80 % bij 45 °C) en de separator is niet‑brandbaar en niet‑ontvlambaar.
Bron: QuantumScape
Dit plaatst QuantumScape‑batterijen ook in een eigen klasse wat energiedichtheid en oplaadsnelheid betreft, en ze overtreffen leiders zoals Tesla (zowel hun eigen ontwerp als door CATL gemaakte) ruimschoots.
Bron: QuantumScape
Echter, deze opmerkelijke prestaties werden regelmatig belemmerd door moeite om de productie op te schalen. Het dwong het bedrijf ook om zijn cashreserves te verbranden, wat leidde tot verwatering van eerdere investeerders en een daling van de aandelenkoersen.
Dit lijkt te veranderen sinds de overeenkomst van 2024 met PowerCo, de batterijdivisie van de Volkswagen Group, voor een licentieovereenkomst voor het ontwerp en de massaproductie van QuantumScape‑batterijen door PowerCo.
Onder de niet‑exclusieve licentieovereenkomst kan PowerCo tot 40 gigawattuur per jaar aan elektrische voertuigbatterijen produceren, met de mogelijkheid om uit te breiden naar 80 GWh per jaar.
De plotselinge opschaling van de productie van QuantumScape is gekoppeld aan Cobra, de next‑generation solid‑state batterijseparator‑apparatuur van het bedrijf, een doorbraak in keramiekproductie.
In het algemeen zou Cobra in 2025 in de productie moeten worden geïntegreerd, en de eerste afgewerkte EV met QuantumScape‑batterijen zou in 2026 moeten worden geproduceerd.
Bron: QuantumScape
Dit zou een keerpunt voor het bedrijf kunnen zijn, 16 jaar na de oprichting van een veelbelovende startup met interessante IP naar het genereren van groeiende inkomsten uit een partnerschap met een van de grootste autofabrikanten ter wereld.
De relatie met PowerCo wordt in 2025 dichterbij, met solid‑state batterijen gebruikt in een Ducati motorfiets, en aangezien PowerCo tot $131 miljoen aan nieuwe betalingen zal verstrekken in de komende twee jaar zodra het gezamenlijke opschalings‑team bepaalde mijlpalen bereikt.
“Deze uitgebreide overeenkomst is een duidelijk signaal van de groeiende strategische, technische en financiële afstemming tussen de twee bedrijven.
Het weerspiegelt ons gedeelde vertrouwen in QSE‑5 als een baanbrekend platform voor de batterijindustrie.”
In de tussentijd moeten investeerders nog steeds enige volatiliteit in de aandelenkoers verwachten, maar met een licht aan het einde van de productontwikkeltunnel.
(U kunt ook andere batterijbedrijven in de VS en daarbuiten bekijken in ons artikel Top 10 batterij‑aandelen om in te investeren).
Studie geraadpleegd
1. Jin An Sam Oh, et al. Metastable sodium closo-hydridoborates for all-solid-state batteries with thick cathodes. Joule. 102130. 16 september 2025. https://www.cell.com/joule/abstract/S2542-4351(25)00311-3
2. Jirong Cui, et al. A room temperature rechargeable all-solid-state hydride ion battery. Nature. 17 september 2025. https://doi.org/10.1038/s41586-025-09561-3
