Werk gaat door aan solid-state batterijen terwijl onderzoekers zich richten op de essentie

Solid-state batterijen, die worden gebruikt in smartphones, elektrisch gereedschap en elektrische voertuigen, verschillen van Li-ion batterijen in hun gebruik van elektrolyten. Terwijl een Li-ion batterij een vloeibare elektrolyt gebruikt, maakt een solid-state batterij gebruik van een vaste elektrolyt. 

Bij Li-ion batterijen is er een separator aanwezig om de kathode en anode gescheiden te houden. In solid-state batterijen vervult de vaste elektrolyt tevens de rol van separator. 

Hoewel dit slechts onderscheidende kenmerken zijn, heeft de wetenschappelijke en technologische gemeenschap solid-state batterijen ontwikkeld omdat ze een verbeterde stabiliteit hebben dankzij een vaste structuur en een verhoogde veiligheid. Ze blijven eraan werken omdat deze batterijen hun vorm behouden, zelfs als de elektrolyt beschadigd is.

Een solid-state batterij heeft een hogere energiedichtheid en loopt nauwelijks risico op explosie of brand. Omdat hij geen extra veiligheidscomponenten nodig heeft, is er meer ruimte beschikbaar om actieve materialen in te plaatsen, waardoor de batterijcapaciteit toeneemt. De verbeterde energiedichtheid zorgt er bovendien voor dat de behoefte aan batterijen laag blijft, wat resulteert in een optimaal EV‑batterijsysteem voor de module en de pack. 

Voor deze voordelen geloven marktanalisten voornamelijk dat solid-state batterijen een spelbreker zullen worden bij het laten concurreren van elektrische voertuigen met verbrandingsmotorvoertuigen en uiteindelijk de race zullen winnen. Maar dat weerhoudt onderzoekers er niet van te onderzoeken hoe solid-state batterijen nog bruikbaarder kunnen worden gemaakt. In één dergelijk onderzoek, hebben wetenschappers het geval geschetst van een high‑energy‑density ultra‑dunne Li‑metaal solid‑state batterij mogelijk gemaakt door een Li2CO3‑bestendige garnet‑type vaste elektrolyt. 

Hoewel dit allemaal erg technisch kan klinken, duiken we in het komende segment dieper in om te begrijpen wat het onderzoek beoogt te bereiken!

Een ultra‑dun lithium‑metaal solid‑state batterijplatform mogelijk maken met hoge stabiliteit en energiedichtheid

Professor Byoungwoo Kang en Dr Abin Kim van de afdeling Materiaalkunde en -techniek aan POSTECH ontwikkelden een vaste elektrolyt die een ultra‑dun lithium‑metaal solid‑state batterijplatform mogelijk maakt met hoge stabiliteit en energiedichtheid.

De doorbraak leverde resultaten op door een van de meest voorkomende zorgen bij solid‑state batterijen op te lossen. Wat was dat probleem en hoe kon het worden opgelost? Laten we er hieronder dieper op ingaan!

De LLZO‑zorg

De garnet‑type vaste elektrolyt die wordt gebruikt in solid‑state batterijen, ook bekend als Li7La3Zr2O12 of LLZO, heeft een hoge ionische geleidbaarheid. Tegelijkertijd is hij zeer reactief en vormt bij blootstelling aan lucht een verontreinigingslaag (Li2CO3) op het oppervlak. Deze laag brengt verschillende nadelen of obstakels met zich mee, waaronder de vorming van een resistieve barrière in de celconstructie, vermindering van de contact‑ en interfaciale eigenschappen van de elektrolyten en reactanten, enz. 

De innovatie pakte dit obstakel aan en keerde het om door zich te richten op de inherente essenties in plaats van een externe oplossing te zoeken. De onderzoekers ontwikkelden een lucht‑hanteerbare LLZO (AH‑LLZO) technologie die zowel de oppervlakte‑ als interne eigenschappen van LLZO kan verbeteren en de vorming van verontreinigingslagen voorkomt.

Ze bereikten hun doel door een nieuw hydrofoob samenspel (Li‑Al‑O) te ontwikkelen op zowel het oppervlak als in het materiaal. Deze verbinding voorkomt dat de verontreiniging zich intern verspreidt door de laag alleen te laten reageren met vocht uit de lucht. 

De laag, als oplossing met verbeterde contact‑ en natte‑eigenschappen, leidde tevens tot de ontwikkeling van ultra‑dunne lithium solid‑state batterijen, ongeveer één tiende van de dikte van een menselijk haar.

Klik hier voor de lijst van de tien beste batterij‑aandelen om in te investeren.

Waarom wordt het onderzoek als een doorbraak beschouwd?

De resultaten hebben geleid tot een scenario waarin het mogelijk is ultra‑dunne lithium‑metaallaagjes te vervaardigen, wat resulteert in een geringe capaciteitverhouding van anode tot kathode, ongeveer 0,176 in solid‑state batterijen. 

Het experiment maakt ook een aanzienlijke vermindering van de hoeveelheid lithium‑metaal mogelijk, waardoor het totale batterijgewicht en -volume afnemen en de energiedichtheid aanzienlijk verbetert. 

Indien geïmplementeerd, zou het onderzoek en de bevindingen opslag in de lucht mogelijk maken zonder speciale handling of faciliteiten. Naast het vereenvoudigen van het gehele proces leidt de innovatie tot de productie van garnet‑type vaste elektrolyten die praktischer inzetbaar zijn. 

Terwijl hij over de toekomst sprak, merkte professor Byoungwoo Kang op:

“We zullen blijven werken aan ultra‑dunne lithium‑metaal solid‑state batterijen die hoge veiligheid en hoge energiedichtheid kunnen bereiken.”

Het onderzoek toont aan dat focussen op de essenties ons kan helpen de nadelen van een product om te zetten in sterktes. Bedrijven en commerciële entiteiten investeren in onderzoek en middelen om solid‑state batterijen meer geschikt en voordelig te maken voor toekomstige auto’s. In de volgende segmenten bekijken we dergelijke bedrijven en hun innovaties. 

#1. Solid Power

Een bedrijf dat uitzonderlijk werk levert op dit gebied is Solid Power (SLDP ). Zijn all‑solid‑state batterijen bieden hoge energie, verbeterde veiligheid, langere levensduur en aanzienlijke kostenvoordelen. 

Het maakt het gebruik van elektroden met hogere capaciteit mogelijk, zoals hoog‑silicium en lithium‑metaal, terwijl de veiligheidsnormen worden verbeterd door de reactieve en vluchtige vloeibare en gelcomponenten te verwijderen. 

Het resultaat is duidelijk in batterijen die bestand zijn tegen en efficiënt presteren bij extreem hoge temperaturen. Het bedrijf beweert dat zijn producten een kostenvoordeel van 15‑35 % hebben ten opzichte van Li‑ion pakketten. 

Het all‑solid‑state batterijportfolio van Solid Power omvat drie belangrijke producten: silicon EV‑cellen, Lithium‑Metaal‑cellen, en Conversion‑Reaction‑cellen. 

Silicon EV Cell

Het heeft een anode met een hoog siliciumgehalte, wat resulteert in hoge laadsnelheden en lagere temperatuureigenschappen. De propriëtaire sulfide‑gebaseerde vaste elektrolyten van Solid Power leveren de oplossing. Het maakt gebruik van industriestandaard, commercieel volwassen NMC‑kathodes. 

Lithium Metal

Het product ontleent zijn naam aan de high‑energy lithium‑metaalanodes. Het heeft een iets betere capaciteit dan de Silicon EV‑cel, die een specificatie heeft van 390 Wh/kg, terwijl de lithium‑metaalcel 440 Wh/kg biedt. 

Conversion Reaction Cell

Van alle producten in het portfolio van Solid Power heeft dit de maximale prestatiecapaciteit van 560 Wh/kg. Zijn uniekheid ligt in de ultra‑lage kosten en hoog‑specifieke energie van het conversie‑type kathode. 

Gevestigd in Colorado, Verenigde Staten, gelooft Solid Power sterk in de transformerende capaciteit van zijn batterijen. Het gelooft dat zijn all‑solid‑state batterijcellen zullen voldoen aan de volume‑ en kostenvereisten van OEM’s.

In zijn meest recente beschikbare investeringsdeck, beweert het bedrijf (Nasdaq: SLDP) de enige beursgenoteerde pure‑play echte solid‑state batterijontwikkelaar te zijn die tot nu toe US$700 miljoen heeft opgehaald. Het bedrijf floreert dankzij een meer dan tien jaar lange R&D‑investeringsgeschiedenis, die heeft geresulteerd in bijna 50 wereldwijde octrooifamilies en drie toonaangevende ontwikkelingspartners uit de industrie (BMW, Ford, SK On).

#2. QuantumScape

QuantumScape (QS ), een andere grote speler in het veld, verklaart een missie te hebben om ‘energieopslag te transformeren met solid‑state lithium‑metaal batterijtechnologie.’ Het beweert ook ‘grotere energiedichtheid, snellere oplading en verbeterde veiligheid’ mogelijk te maken – de drie essentiële basiskwaliteiten waarop het POSTECH‑onderzoek zich ook richt. 

Een van de meest opvallende kenmerken van QuantumScape is dat het het eerste anode‑loze celontwerp in de industrie heeft ontwikkeld, wat resulteert in een hoge energiedichtheid met verlaagde materiaalkosten en vereenvoudigde productie.

Het QuantumScape‑technologieplatform maakt gebruik van diverse kathode‑chemistrieën om de energiedichtheden van de huidige nikkel‑mangaan‑kobalt (NMC) en lithium‑ijzerfosfaat (LFP) gebaseerde batterijcellen aanzienlijk te verbeteren. Hun inspanningen zorgen voor optimalisatie voor diverse energieopslagtoepassingen en houden het veld klaar om toekomstige kathode‑chemie‑ontwikkelingen te benutten.

Een ander uniek verkoopargument van het bedrijf is het separator‑materiaal, dat bestaat uit keramiek dat een hoge geleidbaarheid, stabiliteit ten opzichte van lithium‑metaal, weerstand tegen dendrietvorming en lage interfaciale impedantie biedt. Een bijkomend voordeel van keramiek is de verbeterde veiligheid, omdat het niet brandbaar is en daardoor veiliger dan conventionele polymeer‑separators die uit koolwaterstoffen bestaan en vatbaarder zijn voor brand.

QuantumScape streeft met zijn solid‑state lithium‑metaalcellen naar een doel van 800–1.000 Wh/L.

Financieel wordt QuantumScape (NYSE: QS) gesteund door meer dan US$2 miljard aan kapitaalinvesteringen. Het heeft meer dan 300 octrooien en octrooiaanvragen in zijn portfolio.

De toekomst van solid‑state batterijen

Solid‑state batterijen zijn niet langer een technologie van de toekomst, aangezien de toekomst al is aangebroken. Veel baanbrekend onderzoek van topinstituten bevordert haar doel elke dag.

In januari 2024 presenteerden onderzoekers van de Harvard School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) bijvoorbeeld een solid‑state batterij met een lithium‑metaal die 6.000 laad‑/ontlaadcycli kan leveren — aanzienlijk meer dan elke andere pouch‑batterijcel op de markt.

Het onderzoek is vergelijkbaar met het onderzoek dat we aan het begin van ons artikel noemden, aangezien Harvard‑onderzoekers ook het bekende probleem van dendrietvorming op het oppervlak van de anode aanpakten.

Naast de gespecialiseerde bedrijven die we hebben besproken, waaronder Solid Power en QuantumScape, zijn er ook grote spelers betrokken in dit veld. Bijvoorbeeld, in oktober 2023 kondigden Toyota en Idemitsu Kosan een samenwerking aan om solid‑state batterijen voor EV’s te ontwikkelen.

De visie die deze samenwerking aandreef was ambitieus, om het zacht uit te drukken. In het persbericht stond het volgende:

“Door deze samenwerking streven de twee bedrijven, die wereldwijd leidend zijn op het gebied van onder andere materiaalkunde gerelateerd aan all‑solid‑state batterijen, naar een succesvolle commercialisering van all‑solid‑state batterijen in 2027‑28 — zoals aangekondigd tijdens de Toyota Technical Workshop in juni 2023 — gevolgd door grootschalige massaproductie.”

Een ander bedrijf dat een grote sprong in dit gebied maakte, was Honda. Het bedrijf is al geruime tijd actief in dit domein. In januari 2024 verklaarden de autoriteiten van Honda dat ze mikken op een vermindering van 50 % in gewicht — of, anders gezegd, een toename van 50 % in energiedichtheid per gewicht.

De CEO van Honda, Toshihiro Mibe, legde uit dat als Honda een auto van $30.000 wil maken, ze solid‑state batterijen kunnen overwegen omdat de batterijkosten dalen, het bereik toeneemt en het koelsysteem kan worden vereenvoudigd.

Echter, wereldwijde inspanningen om solid‑state batterijen robuuster en veiliger te maken, ondervinden nog steeds enkele uitdagingen. Het doel is om de basis­eigenschappen te optimaliseren, waaronder veiligheid, stabiliteit, energieprestaties en elektrochemische opslag­efficiëntie. De obstakels omvatten onder meer de levensvatbaarheid op lange termijn, economische haalbaarheid en de nauwkeurige levering van specifieke vermogensnormen.

Als we dieper ingaan, zien we dat de uitdagingen ook een ontoereikende cyclische prestatie van huidige solid‑state batterijen (SSB’s) omvatten, veroorzaakt door materiaaldegradatie in anodes, kathodes en elektrolyten. De United States Council for Automotive Research heeft een levensduurdoelstelling voor batterijen vastgesteld van 10 jaar met 1000 cycli bij 80 % diepte van ontlading.

Wat solid‑state batterijen vaak verhindert dit doel te bereiken, is de vorming van ruimte‑laderlagen, die leiden tot trage interfaciale kinetiek en hoge impedantie, en de groei van dendrieten, die kortsluitingen en veiligheidsrisico’s veroorzaken.

Er zijn echter oplossingen voor deze uitdagingen. Fabrikanten moeten zich richten op de productie van high‑energy‑density SSB’s en verbeteringen. Deze producten hebben immers een hoge thermische stabiliteit, waardoor veiligheidsproblemen zelfs bij temperaturen boven de 200 °C worden geëlimineerd, terwijl vloeibare elektrolyten al bij iets boven de 70 °C risico’s kunnen vormen. Solid‑state elektrolyten kunnen lekvrije werking bieden en een grotere elektrochemische stabiliteit dan hun vloeibare tegenhangers.

Solid‑state elektrolyten zijn ook wenselijker omdat ze de capaciteitafname en interne kortsluitingen kunnen verminderen. Hun hoge ionische geleidbaarheid en lage elektronische geleidbaarheid zorgen er bovendien voor dat voertuigen sneller worden opgeladen.

Volgens de schattingen van QuantumScape zou een voertuig dat met één van de huidige toonaangevende traditionele lithium‑ioncellen met een energiedichtheid van ~700 Wh/L ongeveer 350 mijl bereik per lading heeft, tussen de 400 en 500 mijl bereik kunnen behalen met de solid‑state cellen van QuantumScape.

Al met al zijn solid‑state batterijen essentieel voor toekomstige mobiliteit. Ze moeten efficiënt, veilig, kosteneffectief en duurzaam zijn.

Klik hier om te leren waarom het de moeite waard is nu een EV te kopen ondanks solid‑state batterijen aan de horizon.