Bij een anode van lithiummetaal is de samenstelling van de elektrolyt extra belangrijk, omdat dit een rol speelt in de stabiliteit. Een elektrolyt moet ionen geleiden, maar mag niet uit elkaar vallen door bijvoorbeeld hitte of een te grote stroomsterkte. De meeste elektrolyten zijn vloeibaar; ze bestaan uit een organisch oplosmiddel met daarin een lithiumzout. Lithium uit de anode reageert met de elektrolyt en vormt daarmee een ‘beschermlaag’ op de anode: solid electrolyte interphase, ofwel sei. De samenstelling hiervan is vooral bij metaalanoden heel bepalend voor de prestaties. Als de sei te dik wordt, houdt die ionen tegen, maar bij scheuring kunnen zich dendrieten vormen.
Voor lithiummetaalaccu's wordt gekeken naar twee opties: een ionische vloeistof en een vaste elektrolyt, ofwel solidstate. Een vaste elektrolyt kan voorkomen dat lithium onregelmatige structuren vormt. Het nadeel van een vaste elektrolyt is dat er nog geen materialen zijn die én ionen goed geleiden én stabiel zijn in contact met de anode en de kathode. Een vaste elektrolyt geleidt ionen slechter dan een vloeibare variant en kan daardoor een kleinere stroomsterkte aan. Ook kan een vastestofelektrolyt scheuren door de mechanische spanning die in de anode ontstaat. Een ionische vloeistof is een zout dat bij kamertemperatuur vloeibaar is. Ionische vloeistoffen geleiden ionen wel goed en zijn niet brandbaar. Welke ionische vloeistof de vorming van dendrieten het best onderdrukt, wordt nog onderzocht. Lithiummetaalanoden lijken het beste te presteren als de accu onder druk staat. In veel experimentele cellen zit vaak een veer omdat de metaalanode krimpt bij het ontladen en weer uitzet bij het opladen. Momenteel wordt onderzocht of het haalbaar is om meer druk te zetten op de anode, zoals drie bar of meer. Dit komt de stabiliteit en de prestaties ten goede, maar het zou betekenen dat accucellen er heel anders uit zouden zien dan nu gebruikelijk is. Dat brengt weer andere uitdagingen met zich mee, zoals een soort container om een accu, wat een negatieve impact heeft op het gewicht.
In de praktijk: Bolloré Bluecar en Mercedes-Benz eCitaro
Solidstateaccu's worden in de praktijk al ingezet, zij het op relatief kleine schaal. Daarvan zijn twee concrete praktijkcases bekend: deelauto's in Parijs en eCitaro-bussen van Mercedes-Benz. Het eerste voorbeeld is er al sinds 2011. Het gaat om de Bluecar die ontworpen is door het Italiaanse ontwerpbedrijf Pininfarina en de Franse autobouwer Bolloré. Deze auto heeft een solidstate-elektrolyt op basis van polymeren en gebruikt de veelbelovende lithiummetaalanode. De wagen werd al in 2008 getoond als B0-concept en de eerste 250 exemplaren rolden in 2011 van de band voor een deelautoprogramma in Parijs. Sinds 2013 is hij ook te koop en te leasen. De vanafprijs begon bij 19.000 euro exclusief btw en exclusief de accu, waarvoor 80 euro per maand gevraagd werd. De Bluecar is een kleine auto met vier zitplaatsen. De accu heeft een capaciteit van 30kWh en zit gemonteerd onder de achterbank. Daarnaast gebruikt hij nog een supercapacitor die razendsnel ontladen kan worden. Volgens opgave kan de wagen 250km rijden in een stedelijke omgeving en 150km op de snelweg. De accu weegt ongeveer 300kg en de Bluecar haalt een snelheid van maximaal 130km/u. De auto werd onder andere als deelauto ingezet in Parijs, Singapore, Londen, LA en Indianapolis. De meeste deelprogramma's zijn ondertussen weer gestopt. In Frankrijk is de wagen als occasion te koop met prijzen van 2300 tot 8000 euro.
Een belangrijk nadeel van het concept is dat de accu stabiel is, maar vóór gebruik moet worden opgewarmd. Dat maakt de wagens minder praktisch inzetbaar. Bovendien moet hij heel voorzichtig, dus zeer langzaam, geladen worden om de vorming van dendrieten te voorkomen. De solidstateaccu's met lithiummetaalanode en een elektrolyt van polymeer moeten op ongeveer 70 graden werken om optimaal te functioneren en de levensduur te verlengen. Op een hogere temperatuur loopt de chemische reactie beter; de deeltjes bewegen dan sneller. In kou functioneren ze, net als de meeste accu's, minder goed. Bij een temperatuur van ongeveer 70 graden is de accu stabiel en wordt de vorming van dendrieten voorkomen.
:strip_exif()/i/2005676798.jpeg?f=imagearticlefull)
Mercedes-Benz levert al enige tijd elektrische bussen onder de noemer eCitaro. Naast reguliere NMC-accu's zijn de bussen optioneel leverbaar met solidstatecellen, de 18 meter lange eCitaro G. Het bedrijf gebruikt hiervoor dezelfde, zij het iets meer doorontwikkelde lithiummetaalpolymeeraccu als Boloré, die dus eveneens een hoge werktemperatuur vereist om goed te functioneren, idealiter tussen de 60 en 80 graden. De bus bevat 7 individuele 63kWh-packs met een totale capaciteit van 441kWh en een gewicht van 3150 kilo, waarvan 2500kg op het dak. Dat is een hogere capaciteit dan de meeste eCitaro's met reguliere accu's, met een capaciteit van 292kWh. Er is plek voor 100 passagiers en daarmee kan de bus ongeveer 200km rijden. Mercedes-Benz biedt 10 jaar garantie op de accu of een energiedoorvoer van minimaal 280MWh per batterijpakket. De eerste tientallen exemplaren werden eind 2019 voor het eerst uitgeleverd. In maart 2021 was er een terugroepactie vanwege een kans op kortsluiting, maar dit is hersteld.
:strip_exif()/i/2005678734.jpeg?f=imagenormal)
We wilden graag meer weten over hoe de bussen in de praktijk werken en bevallen en wat Mercedes-Benz als de grootste voordelen ziet, maar ook welke eventuele nadelen er in de praktijk merkbaar zijn. Hoewel contact hierover wel tot stand kwam, wilde het bedrijf hier niets over zeggen, behalve dan dat de bussen niet meer actief gepromoot worden en alleen nog leverbaar zijn in Duitsland. Mercedes-Benz verzocht ons de informatie uit publieke bronnen te halen. Een verzoek daartoe bij De Decker-Van Riet in België, dat de bussen ook gebruikt, leidde evenmin tot een inhoudelijke reactie. In november 2021 zei Erik Van den Berghe, Operations Manager Maintenance & Infrastructure bij De Decker-Van Riet, er in een persbericht het volgende over: "Ik ben zeer onder de indruk van de eerste testrit waarbij het lage energieverbruik boven mijn verwachting lag. Ik ben benieuwd naar de resultaten bij dagelijkse inzet. De actieradius en het lage verbruik zijn dus alvast veelbelovend. Dit voertuig is de eerste e-bus maar er zullen er binnenkort allicht meer volgen." In het persbericht wordt als reden gegeven om voor de solidstateversie te kiezen: "Met name de hoge energiedichtheid en de lange levensduur van 10 jaar, heeft DDVR doen besluiten om hiervoor te gaan."
Hoewel de eCitaro G via een combined charging system, ofwel ccs, in theorie met een laadvermogen van maximaal 150kW kan worden opgeladen, lijkt het erop dat het laden in de praktijk gelimiteerd is tot 88kW DC, wat een beduidend lager laadvermogen is dan andere elektrische bussen. Dat komt neer op 0,2C. Waarschijnlijk is dit om te voorkomen dat de temperatuur van de cellen te hoog wordt, wat slecht is voor de levensduur.
:strip_exif()/i/2004240812.jpeg?f=imagenormal)
Kamertemperatuur
In de bovengenoemde praktijkvoorbeelden presteren solidstateaccu's goed bij hoge temperaturen, maar juist minder goed bij lage. Ze leverden dan slechtere prestaties of functioneren simpelweg suboptimaal, zoals een accu tijdens de vrieskou. Momenteel wordt er in labs aan manieren gewerkt om de temperatuur te verlagen. Zo worden ze bijvoorbeeld eerst geconditioneerd door ze op 60 graden te laden en ontladen, waardoor een tussenlaagje gevormd wordt. Vervolgens leverden de accu's betere prestaties op kamertemperatuur. Maar optimaal is het dan nog steeds niet. Lithiumionen zijn op kamertemperatuur minder bewegelijk in een vaste elektrolyt, dus wordt er nog onderzocht welke materialen betere prestaties bieden, maar ook stabiel blijven.
Alles hangt af van de specifieke vaste stof voor de elektrolyt. In labs wordt vaak gewerkt met vaste sulfide-elektrolyten die vaak wel tien keer beter geleiden dan vloeibare elektrolyten, ook bij kamertemperatuur. Een groter probleem is de externe druk die nodig is om de vaste elektrolyt en elektrodes goed contact te laten houden. De uitdaging is dat goed geleidende elektrolyten vaak relatief onstabiel zijn, en dus kapotgaan in contact met de elektrodes, en dat de stabielere elektrolyten minder geleiden; juist deze moeten vaak op temperatuur worden gebracht.
Al met al is het dus de vraag of solidstateaccu's met de huidige ingrediënten de grote beloften kunnen waarmaken of dat het noodzakelijk wordt om de samenstelling te veranderen, en wellicht ook de verwachtingen wat bij te stellen.