Voor dit artikel spraken we met Marnix Wagemaker, hoogleraar elektrochemische energieopslag aan de TU Delft, over de ontwikkelingen rondom solidstatecellen. Toen we hem twee jaar geleden spraken was hij met zijn team bezig om verschillende soorten vastestofaccu's werkend te krijgen bij kamertemperatuur en de levensduur te verhogen. Momenteel blijft dat nog steken op enkele honderden cycli, terwijl NCM- en vooral LFP-cellen vele duizenden cycli halen.
Andere anode?
Als we hem vragen wat voor nieuwe ontwikkelingen en inzichten er de afgelopen twee jaar zijn geweest, antwoordt hij dat hij ondertussen twijfelt of de veelbelovende lithiummetaalanode wel realistisch is. "Na tien jaar onderzoek blijkt dat het ontzettend lastig is om de problemen rondom lithiummetaal op te lossen, waardoor ik er inmiddels niet meer zo zeker van ben dat dit de juiste weg is voor een vastestofbatterij. Lithium is een zeer reactieve stof die reageert met vrijwel alles waarmee het in aanraking komt en dat maakt het uitdagend in gebruik. Bij een lithiummetaalanode wordt het lithium in feite de anode en groeit het op de koperanode, maar niet als een net laagje. Het gevolg is dat het passiveringslaagje sneller kapotgaat, wat de levensduur verkort. Dendrieten blijven ook een probleem; deze vertakkingen vormen lange draden lithium die tot kortsluiting kunnen leiden tussen elektroden. De cellen presteren beter onder druk, maar het is eigenlijk niet haalbaar om ze in een commercieel product op die manier te gebruiken; het grote voordeel van een laag gewicht zou verloren gaan door extra veiligheidsmaatregelen die juist weer voor extra gewicht zorgen. Ik zie ondertussen meer in een anode van silicium in combinatie met een vaste stof. Onder andere Leydenjar is daar al vrij ver mee."
Soorten vast elektrolyt
Er zijn vastestofaccu's met een elektrolyt op basis van glas, keramiek, polymeer en lithiumsulfide. Naar de beste combinatie wordt nog gezocht. Het Belgische technologie-instituut imec heeft een elektrolyt op basis van nanocomposieten ontwikkeld die begint als een vloeistof, waardoor bestaande productiemethoden voor accu's kunnen worden gebruikt. Na het aanbrengen verhardt de vloeistof, maar blijft deze elastisch, wat positief is voor de levensduur. Het verharde materiaal vormt kanaaltjes in de elektrolyt, waardoor de lithiumionen snel door het materiaal worden getransporteerd.
Verder is het nog niet zeker op basis van welke stof de elektrolyt gemaakt moet worden. Er wordt gedacht aan polymeer, keramiek of een combinatie van beide. De uitdaging voor vaste elektrolyten is dat ze ionen goed geleiden, stabiel zijn, het contact goedhouden en de vorming van dendrieten voorkomen. Wagemaker neigt het meeste naar een hybridemodel op basis van zowel polymeer als keramiek: "Keramiek kan goed geleiden en polymeer is goed produceerbaar. De flexibiliteit van polymeren helpt ook om van de hoge druk af te komen. De Bolloré-accu's gebruiken ook een vastestofelektrolyt op basis van polymeer, alleen de hoge werktemperatuur van 70 tot 80 graden omdat polymeren anders niet genoeg de lithiumionen geleiden, compliceert deze technologie. Juist het hybridemodel zie ik als oplossing hiervoor, waardoor vastestofbatterijtechnologie mogelijk moet worden die veilig is, op grote schaal geproduceerd kan worden en bij praktische temperaturen werkt."
Hoe zit het dan met de beloofde hoge energiedichtheid van solidstate? Als lithiummetaal niet meer de gedoodverfde anode is, moeten de hoge verwachtingen van een aanzienlijk hogere energiedichtheid ook naar beneden bijgesteld worden. Dat kan deels gecompenseerd worden door het feit dat de cellen vuurbestendig zijn, waardoor er ook minder veiligheidsmaatregelen nodig zijn, zodat het omhulsel dunner en lichter kan zijn. Op packniveau kan er dan toch nog sprake zijn van een hogere energiedichtheid. Het is dan ook niet meer nodig om cellen individueel te verpakken, waardoor gebruikgemaakt kan worden van bipolar stacking. Dit scheelt ruimte en gewicht, bij reguliere packs 30 tot 40 procent.
:strip_exif()/i/2005678936.jpeg?f=imagearticlefull)
Er zijn talloze bedrijven, veelal start-ups, die bezig zijn met de ontwikkeling van solidstateaccu's. Bekende voorbeelden zijn: QuantumScape, SolidState, Brightvolt, Theion, Ion en Sald. Ook veel bestaande bedrijven zijn ermee bezig, waarvan Samsung SDI, Toyota en het Chinese CATL bekende spelers zijn; zij hebben ook diverse patenten. Samsung zou vooral geïnteresseerd zijn in het gebruik van solidstateaccu's in haar consumentenproducten en Toyota in EV's. Naar verluidt was Toyota, los van zijn waterstofvisie, in het verleden onder meer terughoudend met EV's omdat het wilde wachten tot solidstateaccu's gereed waren; halverwege 2014 verwachtte het dat dit rond deze tijd het geval zou zijn.
Soms lijkt het alsof er nauwelijks vooruitgang is op het vlak van accutechnologie. Smartphones en -watches gaan nog steeds grofweg een dag mee en EV's met 1000km bereik bestaan nog niet. Maar accu's zijn in de afgelopen decennia een factor vier tot vijf goedkoper geworden en bevatten een factor twee tot drie meer energie per kilogram. Er is dus zeker sprake van vooruitgang, maar meer evolutionair dan revolutionair. Toch wordt het ieder jaar een beetje beter.
Op dit moment lijkt de solidstateaccu nog niet rijp voor een grote opmars, althans niet voor een massamarkt. Als de knelpunten rondom de levensduur, het snelladen en de stabiliteit overwonnen zijn, zullen de cellen in het begin nog erg duur zijn. Net zoals bij de meeste nieuwe technologieën zijn de kosten in het beginstadium hoog en gaan ze pas dalen bij massaproductie. Zelfs als solidstateaccu's productierijp zijn, blijven lithiumionaccu's vanuit financieel oogpunt de eerste jaren veel aantrekkelijker. Bovendien moeten ze duidelijk meerwaarde bieden, zeker als er een meerprijs voor betaald moet worden. Veiligheid is een van de belangrijkste speerpunten, naast een hogere energiedichtheid. Op dit moment lijkt het er dus op dat de siliciumanode voor de korte termijn betere papieren heeft dan de veelbelovende lithiummetaalanode. Dat wordt dan ook het volgende onderwerp in deze serie.
Accu-innovatieserie
Lithiumijzerfosfaat (LiFePO4)
Solid state (dit artikel)
Siliciumanode (Si)
Natrium in plaats van lithium (Na)
Zwavel (NaS, LiS)
Flowcellen