Wat zijn solid-state batterijen?
Voor degenen die geïnteresseerd zijn in de batterij-industrie, is de term "solid-state batterij" is zeker bekend. Deze nieuwe technologie wordt beschouwd als een upgrade voor lithiumbatterijen en kan de huidige levensduur van batterijen aanzienlijk verlengen met een aantal keer.
Vooral in de sector van elektrische voertuigen worden solid-state batterijen gezien als de sleutel tot een revolutie in de sector. Stel je een elektrische auto voor die 1000 km kan rijden en slechts vijftien minuten nodig heeft om volledig op te laden - hoe verleidelijk is dat?
Dit potentieel heeft geleid tot een intense concurrentie tussen alle batterijproducenten op dit gebied. Dus, wat maakt solid-state batterijen zo magisch? Lees het volgende artikel voor een uitgebreid begrip van solid-state accu's.
Wat is een Solid-State batterij?
Het concept van de vaste batterij werd voor het eerst geïntroduceerd door de Britse wetenschapper Michael Faraday. Meer dan een eeuw lang leken vaste elektrolyten echter van het toneel van de geschiedenis te verdwijnen en uit het zicht van de mens te verdwijnen. Aan het begin van deze eeuw nam de mensheid rustig de draad weer op waar Faraday meer dan 100 jaar geleden ophield en begon opnieuw met het onderzoeken van vaste elektrolyten.
Het grootste verschil tussen solid-state batterijen en lithiumbatterijen is de SSB afwezigheid van vloeibare of gelelektrolyten. In plaats daarvan gebruiken vastestofbatterijen glasverbindingen van lithium of natrium als vaste elektrolyten waar lithiumionen doorheen migreren. In vaste stoffen is de ionische geleidbaarheid relatief hoog en wordt het risico op lekkage en gasproductie geminimaliseerd, waardoor de veiligheid en energiedichtheid van de accu toenemen.
Waarom Solid-State batterijen ontwikkelen?
In de batterij-industrie worden vloeibare lithiumbatterijen, of het nu lithium-ijzerfosfaat of ternaire lithiumbatterijen zijn, geacht hun "grenzen" te hebben bereikt. Het wordt steeds moeilijker om nieuwe technologische doorbraken te realiseren. Dit betekent dat er nieuwe technologieën moeten worden ontwikkeld om batterijen met een hogere capaciteit en een kleiner volume te verkrijgen.
Tegelijkertijd kunnen solid-state batterijen de belangrijkste veiligheidsrisico's van lithium-ion batterijen fundamenteel aanpakken. Traditionele lithium-ion batterijen kunnen ontbranden of exploderen door de ontvlambare en vluchtige organische elektrolyten die ze bevatten.
Bovendien kunnen problemen zoals elektrolytcorrosie, vervluchtiging en lekkage ernstige veiligheidsrisico's vormen voor het batterijsysteem. Vaste elektrolytenzijn daarentegen inherent niet-ontvlambaar, hittebestendig, niet-corrosief en niet-vluchtig. Ze bieden een betere mechanische sterkte, thermische stabiliteit en elektrochemische stabiliteit in vergelijking met traditionele elektrolyten. de veiligheid aanzienlijk verbeteren van de batterij.
Drie mainstream paden voor Solid-State batterijen
Solid-state batterijen volgen hoofdzakelijk drie technologische paden: polymeer, oxide en sulfide. De kathodematerialen en -paden van solid-state batterijen verschillen niet significant van die van vloeibare lithiumbatterijen. De verschillende technologische routes worden voornamelijk onderscheiden door de soorten elektrolyten die worden gebruikt. Op basis van de elektrolyten kunnen paden voor solid-state accu's worden verdeeld in drie categorieën: polymeer, oxide (film of non-film) en sulfide, elk met zijn eigen voor- en nadelen.
A. Polymeer
Voordelen:
-
- Gemakkelijk te verwerken en bestaande apparatuur en processen voor de productie van vloeibare elektrolyten kunnen voldoen aan de productie- en onderzoeksbehoeften.
Nadelen:
-
- Lage geleidbaarheid, moet worden verwarmd tot 60 graden Celsius om goed te functioneren.
- Slechte stabiliteit, niet compatibel met hoogspanningskathodematerialen en vatbaar voor brand bij hoge temperaturen.
- Smal elektrochemisch venster, waarbij de elektrolyt gemakkelijk ontleedt bij hoge spanningsverschillen (>4V).
B. Sulfide
Voordelen:
-
- Hoogste geleidbaarheid en een breed elektrochemisch stabiliteitsvenster (boven 5V), waardoor het het meest veelbelovend is voor ontwikkeling.
Nadelen:
-
- Slechte thermische stabiliteit, waarbij de thermische reactie begint bij een temperatuurbereik van 400-500°C.
- Complex bereidingsproces en gevoelig voor reactie met water en zuurstof in de lucht om zeer giftig waterstofsulfidegas te produceren.
C. Oxide
Voordelen:
-
- Goede geleidbaarheid en stabiliteit, hogere ionische geleidbaarheid dan polymeer, thermische stabiliteit tot 1000 graden Celsius en uitstekende mechanische en elektrochemische stabiliteit.
Nadelen:
-
- Lager geleidingsvermogen vergeleken met sulfiden.
- Problemen met starre interfacecontacten.
Momenteel verschillen de onderzoeksrichtingen van verschillende accufabrikanten. China en de Verenigde Staten richten zich voornamelijk op oxide-paden en verkennen tegelijkertijd nieuwe routes. Japanse bedrijven, zoals Honda, geven de voorkeur aan het sulfidepad. Vanwege de relatief lagere onderzoekskosten en -moeilijkheden hebben verschillende semi-vastestofbatterijen tegen 2024 commerciële toepassingen gezien in het oxidesysteem. Vanuit een langetermijnperspectief blijft de vaste sulfide elektrolyt, met zijn uitstekende prestaties en aanzienlijke potentieel, echter aanzienlijke investeringen en onderzoeksinspanningen aantrekken van goed gekapitaliseerde batterijbedrijven, ondanks de hoge moeilijkheidsgraad van het onderzoek.
Drie mainstream paden voor Solid-State batterijen
Voordelen van solid-state batterijen
Hoge energiedichtheid:
Met het gebruik van elektrolyten die volledig uit vaste stoffen bestaan, verandert het materiaalgebruik van lithium-ionbatterijen aanzienlijk. Een belangrijke verandering is de eliminatie van de noodzaak voor lithium-geintercaleerd grafietanoden. Solid-state batterijen kunnen lithiummetaal als anodemateriaal gebruiken. De theoretische specifieke capaciteit van lithiummetaal is 3860 mAh/g, vergeleken met slechts 372 mAh/g voor de grafietanode in traditionele lithium-ionbatterijen. Hierdoor kunnen batterijen de chemische beperkingen overstijgen en hogere prestatieniveaus bereiken.
Kleiner volume:
Traditionele lithium-ion batterijen hebben separatoren en elektrolyten nodig, die samen bijna 40% van het volume en 25% van de massa van de batterij innemen. Door deze te vervangen door vaste elektrolyten (voornamelijk organische en anorganische keramische materialen) kan de afstand tussen de positieve en negatieve elektroden (die van oudsher werden gevuld door separatoren en elektrolyten, nu gevuld door vaste elektrolyten) worden teruggebracht tot slechts enkele tot tientallen microns. Dit betekent dat de batterijen kleiner kunnen worden gemaakt, waardoor de solid-state batterijtechnologie een cruciale stap is op weg naar de miniaturisatie van batterijen.
Hoge plasticiteit:
Het gebruik van keramiek als vaste elektrolyt heeft het voordeel dat het een verrassende plasticiteit vertoont wanneer het dun is, ondanks het feit dat keramiek kwetsbaar is bij dagelijks contact. Zelfs na honderden buigingen of vouwen blijven de capaciteit, de laad- en ontlaadefficiëntie en de levensduur van de batterij grotendeels onveranderd. Dit betekent dat solid-state batterijen in elke vorm gemaakt kunnen worden, wat meer ontwerpflexibiliteit biedt voor elektronische apparaten, mogelijk leidt tot innovatieve vormen en structuren en technologische productinnovatie stimuleert.
Verbeterde veiligheid:
In traditionele lithium-ion accu's kan het gebruik van lithiummetaal als anodemateriaal leiden tot dendrietvorming tijdens het laden en ontladen. Dendrieten zijn naaldachtige of boomachtige structuren die worden gevormd door ongelijkmatige afzetting van lithiummetaal in de elektrolyt. Deze dendrieten kunnen groeien en mogelijk de separator binnendringen, waardoor er direct contact ontstaat tussen de positieve en negatieve elektroden, wat kan leiden tot kortsluiting en mogelijk brand of explosies.
Bovendien zijn de organische vloeibare elektrolyten in traditionele batterijen gevoelig voor nevenreacties, oxidatie, gasproductie en verbranding bij hoge temperaturen. Vaste materialen kunnen deze problemen volledig vermijden.
Betere prestaties bij hoge en lage temperaturen:
Het bedrijfstemperatuurbereik van momenteel aangekondigde solid-state batterijen is -20°C tot 105°C. Elektrolyten voor lithium-ion batterijen maken gebruik van ontvlambare organische oplosmiddelen, wat risico's met zich meebrengt in omgevingen met hoge temperaturen. Voor elektrolyten van alle solid-state batterijen worden geen ontvlambare materialen gebruikt, waardoor ze geschikt zijn voor gebruik bij hogere temperaturen.
Bij lage temperaturen kan de ionenmobiliteit in vloeibare elektrolyten traag worden, waardoor de prestaties en spanning van de batterij afnemen. Vaste elektrolyten bevriezen niet zoals vloeistoffen, dus de interne weerstandsveranderingen zijn minimaal, waardoor ze beter blijven presteren bij lage temperaturen.
Vergelijking van Lithium-Ion batterijen en Solid-State batterijen
| Functie | Lithium-ion batterij | Solid-state batterij |
|---|---|---|
| Energiedichtheid | 150-250 Wh/kg | 250-500 Wh/kg |
| Type elektrolyt | Vloeibare elektrolyt of gel | Vaste elektrolyt |
| Veiligheid | Risico op lekkage, brand en explosie | Lager risico, stabieler |
| Bedrijfstemperatuur | -20°C tot 60°C | -30°C tot 100°C |
| Levenscyclus | 500-1000 cycli | 1000-3000 cycli |
| Kosten | Relatief laag | Momenteel hoog |
| Complexiteit van productie | Gevestigde processen | Complex, minder gevestigd |
| Commerciële beschikbaarheid | Op grote schaal beschikbaar | Beperkt, in ontwikkeling |
Drie mainstream paden voor Solid-State batterijen
QuantumScape
Achtergrond bedrijf: QuantumScape werd opgericht in 2010 en wordt geleid door President en CEO Dr. Jagdeep Singh. Het bedrijf heeft zijn hoofdkantoor in San Jose, Californië, en is actief in zowel de VS als Japan.
Technologie: QuantumScape richt zich op oxide technologie. Hun solid-state batterij is uniek omdat er geen anodemateriaal vooraf is ingesteld. Tijdens het opladen verandert puur lithiummetaal in lithiumionen die naar de andere kant van de batterij migreren om de anode te vormen, een techniek die ze "anodeloos" noemen. Dit wordt mogelijk gemaakt door hun gepatenteerde keramische materiaal dat wordt gebruikt voor de batterijseparator, waardoor lithiumionen vrij kunnen bewegen terwijl wordt voorkomen dat lithiummetaal reageert met het kathodemateriaal en dendrieten vormt.
Voordelen: QuantumScape heeft meer dan 200 patenten en toepassingen gecreëerd. Hun gepatenteerde keramische scheider in vaste toestand, gecombineerd met organische vloeibare elektrolyten (katholiet), maakt op maat gemaakte katholietmaterialen mogelijk die beter geschikt zijn voor de spannings- en transmissievereisten van de kathode.
Laatste vooruitgang: Op 27 maart 2024 begon QuantumScape met het leveren van Alpha-2 prototypes aan klanten.
Vast vermogen
Achtergrond bedrijf: John Van Scoter is sinds juni 2023 CEO en President. Solid Power heeft partnerschappen met BMW en Ford en heeft zijn hoofdkantoor in Louisville, Colorado.
Technologie: Solid Power richt zich op sulfidetechnologie, aangedreven door hun eigen vaste elektrolyt op basis van sulfide. Het kathodemateriaal is NMC en het bedrijf heeft twee batterijtechnologieën die verschillende anodematerialen gebruiken: één met een hoog siliciumgehalte en een andere met lithiummetaal.
Voordelen: De belangrijkste component van Solid Power is hun op sulfide gebaseerde vaste elektrolyt, dat een optimale combinatie biedt van geleidbaarheid, produceerbaarheid en batterijprestaties.
Laatste vooruitgang: Op 16 januari 2024 ondertekende Solid Power een nieuwe overeenkomst met SK om hun partnerschap te verdiepen.
Dyson (Sakti3)
Achtergrond bedrijf (Dyson): Dyson is een Brits technologiebedrijf gespecialiseerd in huishoudelijke producten, met een uitvindingsteam van 1200 wetenschappers en ingenieurs. Dyson begon zijn eigen batterijprogramma meer dan tien jaar geleden.
Achtergrond bedrijf (Sakti3): In 2015 werd Sakti3 overgenomen door Dyson Ltd. Sakti3 werd in 2007 mede opgericht door Dr. Ann Marie Sastry, Dr. Chia-Wei Wang en Dr. Fabio Albano als spin-out van de Universiteit van Michigan.
Technologie: Sakti3 maakt gebruik van dunne-film depositie technologie, meestal gebruikt in fotovoltaïsche zonnecellen. Hun solid-state batterijen hebben geen vloeibare elektrolyten, maar maken gebruik van een "sandwich" structuur om een normale ionenoverdracht te garanderen.
Voordelen: Dyson heeft onthuld dat Sakti3's solid-state batterijen een ultrahoge energiedichtheid van 550 Wh/kg kunnen bereiken, bijna een verdubbeling van de maximale energiedichtheid van 300 Wh/kg voor ternaire lithium batterijen.
Laatste vooruitgang: Op 16 juni 2023 kondigde Dyson plannen aan om een geavanceerde productiefabriek voor de volgende generatie batterijen te openen in Singapore.
Toyota
Achtergrond bedrijf: Toyota werkt sinds 2006 aan de ontwikkeling van solid-state batterijen, waarbij de nadruk ligt op sulfidetechnologie. Toyota heeft meer dan 1300 patenten op solid-state accu's en het hoofdkantoor is gevestigd in Tokio, Japan.
Technologie: De bekendgemaakte informatie van Toyota wijst op een focus op sulfidetechnologie.
Voordelen: Toyota heeft 1331 patenten op solid-state batterijen, waaronder batterijstructuren, materiaaltoepassingen en fabricageprocessen. Daarmee is Toyota het bedrijf met de meeste patenten wereldwijd. Ze zijn van plan om tussen 2026 en 2027 met de commerciële productie te beginnen.
Laatste vooruitgang: Op 13 juni 2024 kondigde Toyota een technologische doorbraak aan die het al lang bestaande probleem van de duurzaamheid van batterijen aanpakt.
Ampcera
Achtergrond bedrijf: Ampcera heeft zijn hoofdkantoor in Silicon Valley, Californië, en werd opgericht in 2017. De CEO is Dr. Sumin Zhu.
Technologie: De ASSB-technologie van Ampcera bestaat uit IP-beschermde sulfide vaste elektrolytmaterialen die ontworpen zijn om ultrasnel op te laden. Ze maken gebruik van NMC-kathoden met hoge capaciteit en silicium-gebaseerde anoden om een beoogde energiedichtheid van 400 Wh/kg te bereiken.
Voordelen: De ASSB-technologie (All Solid State Battery) van Ampcera heeft een snellaadproces van 0 tot 80% (SOC) bereikt in 15 minuten bij een pieksnelheid van 4C.
Laatste vooruitgang: Op 25 februari 2024 overtrof Ampcera's technologie voor volledig vaste accu's de extreme snellaaddoelstelling van het Amerikaanse DOE van 80% opladen in 15 minuten.
Samsung SDI
Achtergrond bedrijf: Samsung SDI heeft zijn hoofdkantoor in Yongin, Gyeonggi-do, Zuid-Korea, en de CEO is Yoon Ho Choi.
Technologie: Het bedrijf richt zich op sulfide-elektrolyten en gebruikt een Ag-C composietanode zonder overtollig lithium. De Ag-C laag reguleert effectief lithiumafzetting, waardoor een lange elektrochemische levensduur wordt bereikt.
Voordelen: Samsung SDI's Super-Gap solid-state batterijtechnologie heeft een energiedichtheid van 900 Wh/L, ongeveer 40% hoger dan hun huidige lithium-ion batterijen. Ze beweren dat ze een prismatische cel in 9 minuten kunnen opladen van 8% tot 80%. Massaproductie is gepland voor 2026.
Laatste vooruitgang: In maart 2024 kondigde Samsung SDI plannen aan om tegen 2027 te beginnen met de massaproductie van solid-state batterijen voor elektrische voertuigen en andere toepassingen.
Chinese fabrikanten
Chinese batterijfabrikanten zijn discreter, maar het is bekend dat BYD en CATL ontwikkelen solid-state batterijen. Wereldwijd zijn er 20.798 belangrijke technologische patentaanvragen voor solid-state batterijen, waarvan China er 7640 voor zijn rekening neemt, oftewel 36,7%. In de afgelopen vijf jaar was China's jaarlijkse groei in octrooiaanvragen voor solid-state batterijen 20,8%, de hoogste ter wereld.
Meningen over Solid-State batterijen van andere industrieleiders
Uitdagingen van Solid-State batterijen
Hoge kosten
Voor de sulfideroute bedragen de kosten van vaste sulfide elektrolyten momenteel meer dan $195 per kilogram, veel hoger dan de $50 per kilogram die nodig is voor commercialisatie. Dit probleem komt voort uit de hoge kosten van lithiumsulfide (niet minder dan $650 per kilogram) die nodig zijn voor de synthese van vaste sulfide elektrolyten. Bovendien maken de hoogwaardige materialen (zoals hoogzuivere keramiek) en complexe fabricageprocessen die gebruikt worden in solid-state batterijen de kosten aanzienlijk hoger dan traditionele lithium-ion batterijen.
Productieproblemen
Als de sulfide vaste elektrolytroute wordt gebruikt, is de productie een uitdaging vanwege de neiging van de elektrolyt om te reageren met vocht en zuurstof. Dit vereist een zeer gecontroleerde productieomgeving, idealiter in een met inert gas gevulde afgesloten kamer.
Laag ionisch geleidingsvermogen
In vastestofaccu's verandert het interfacecontact tussen de elektrode en de elektrolyt van vast-vloeibaar in vast-vaste stof contact. Vergeleken met vloeibare elektrolyten is het contactoppervlak tussen vaste stoffen kleiner, wat resulteert in een hogere grensweerstand. Bovendien bevatten vaste elektrolyten veel korrelgrenzen, die vaak een hogere weerstand hebben dan het bulkmateriaal, waardoor het lithiumiontransport tussen de elektroden wordt belemmerd en de snellaadprestaties en levensduur negatief worden beïnvloed.
Slechte levensduur
Het vast-vaste contact in vastestofbatterijen is stijver, waardoor het gevoeliger is voor volumeveranderingen in elektrodematerialen. Tijdens het fietsen kan dit leiden tot slecht contact tussen de elektrodedeeltjes onderling en tussen de elektrodedeeltjes en de elektrolyt.Dit veroorzaakt spanningsaccumulatie, elektrochemische prestatievermindering en zelfs barsten, wat de capaciteit snel kan doen afnemen en kan leiden tot een slechte levensduur.
Wanneer zullen Solid-State batterijen beschikbaar zijn?
Vanaf juli 2024 zijn er nog geen echt commercieel verkrijgbare volledig solid-state batterijen. Chinese autofabrikanten die beweren solid-state batterijen te gebruiken, gebruiken in werkelijkheid semi-solid-state batterijen met een verlaagd vloeistofgehalte. Net als bij lithiumbatterijen, die tientallen jaren nodig hadden om van technologische ontwikkeling tot wijdverspreid gebruik te komen, geloven veel experts dat solid-state batterijen nog langere periodes nodig hebben voor validatie en technologische doorbraken.
Het wachten is echter niet oneindig. Het significante potentieel van solid-state batterijen heeft geleid tot intense concurrentie, waardoor de vooruitgang op dit gebied is versneld. Veel fabrikanten mikken op 2027 als het jaar waarin solid-state batterijen op de markt worden gebracht. Laten we de ontwikkelingen in de gaten houden terwijl de industrie naar dit ambitieuze doel toewerkt.
Geld besparen, milieu beschermen
PKNERGY helpt je bij het verlagen van je energierekening voor thuisopslag van zonne-energie. Sla je zonne-energie op voor gebruik wanneer je maar wilt, 's nachts of tijdens een storing.
NL 
EN 
ES 
DE 
PT 
AR 
KU 
ID 
RU 
SL 
KO 
FR 
IT 
BG 
CS 