Werken in de droge ruimte van het Battery Research and Innovation Center van Deakin University is geen dagje op het strand.
“[It’s] meer woestijn dan strand”, zegt directeur dr. Timothy Khu. ‘Je wordt tenminste nog nat op het strand.’
De 150m2 De droge ruimte is, voor zover Khoo weet, de grootste in Australië voor onderzoeksdoeleinden en essentieel voor het prototypen en het testen van de volgende generatie batterijen.
“Het is heel moeilijk om daar lange tijd te werken”, zegt Khoo. “Het is niet gevaarlijk, maar je ogen beginnen uit te drogen, je huid wordt droog en het voelt alsof je de hele zomer in de zon hebt gezeten.”
De kamer moet droog zijn, omdat water, vocht en vocht tijdens de productie dodelijk zijn voor de batterij. Verontreiniging, zegt Khoo, betekent dat het mogelijk niet werkt of dat de prestaties ervan in gevaar komen.
Afhankelijk van de materialen kan het worst case scenario ook gevaarlijk zijn.
“Lithium reageert slecht met water”, zegt Khoo. ‘Ik weet niet of je ooit natuurkunde hebt gevolgd op de middelbare school, maar het valt in dezelfde chemische categorie als natrium en kalium. Als je ooit natrium in water hebt gegooid, explodeert het. Het is een soortgelijke reactie in de context van lithiummetaal.”
Het centrum functioneert snel, terwijl bedrijven zich haasten om de volgende generatie batterijtechnologie te ontwikkelen.
De meesten zullen bekend zijn met de lithium-ionbatterij, die in de jaren negentig voor het eerst op de markt werd gebracht door Sony om draagbare muziekspelers van stroom te voorzien. Vanaf dit bescheiden begin is de oplaadbare lithium-ionbatterij nu de koning, die mobiele telefoons, laptops en – in hun krachtigste toepassing – elektrische auto’s van stroom voorziet.
Eén analyse van McKinsey suggereert dat de mondiale markt voor lithium-ionbatterijen in 2030 zal uitgroeien tot een industrie van $400 miljard. Maar nu de lithium-iontechnologie goed wordt begrepen, kijken degenen die op zoek zijn naar transformatieve verandering steeds meer naar solide batterijen.
Hype en hoop
Dr. Rory McNulty, senior analist bij Benchmark Minerals Intelligence, zegt dat de hype rond solid-state batterijen is toegenomen sinds het Franse bedrijf Blue Solutions in 2015 de eerste commerciële solid-state batterij introduceerde.
Hun batterij was ontworpen voor gebruik in e-bussen, maar had ontwerpbeperkingen en oplaadtijden van vier of meer uur – een illustratie van hoe moeilijk het ontwikkelingsproces kan zijn, zelfs voor een bedrijf als Toyota.
Afgelopen juli kondigde de mondiale autogigant vooruitgang aan bij de ontwikkeling van solid-state batterijen, waarvan hij beweerde dat deze de omvang, het gewicht en de productiekosten zouden halveren.
Dit werd met zowel opwinding als scepsis ontvangen, deels dankzij Toyota’s investeringen in de ontwikkeling van solid-state batterijen sinds 2006 en de terughoudendheid om zich de afgelopen tien jaar in te zetten voor volledig elektrische voertuigen.
Deze ontwikkeling volgde al snel in oktober: Toyota en de Japanse oliemaatschappij Idemitsu zeiden dat ze een vaste elektrolyt wilden ontwikkelen en produceren en deze tegen 2028 op de markt wilden brengen.
Toyota is niet het enige bedrijf dat op dit gebied actief is. In januari kondigde Volkswagen succesvolle tests aan van een door QuantumScape ontwikkelde solid-state batterij die meer dan 1.000 oplaadcycli volbracht en 95% van zijn capaciteit behield.
Ondertussen hebben Chinese bedrijven als WeLion en Nio EV de handen ineengeslagen om tegen 2024 een solid-state batterij op de markt te brengen – zij het met een minder ambitieuze chemie –, maar McNulty zegt dat de bedrijven in de westerse landen zullen moeten wachten tot het einde van het decennium.
“Toyota heeft zijn leveringsschema voor solid-state systemen in de loop der jaren verschillende keren uitgesteld, wat volgens mij een bewijs is van hoe moeilijk sommige technische uitdagingen kunnen zijn die ten grondslag liggen aan de ontwikkeling van nieuwe technologie”, zegt hij.
Accumulatormechanica
De basisbelofte van solid-state batterijen is dat er meer stroom wordt geproduceerd door een kleinere batterij. Pogingen om de technologie te ontwikkelen hebben verschillende benaderingen gevolgd, maar Khoo zegt dat een groot deel van de aandacht van het publiek zich heeft geconcentreerd op twee materialen: silicium en lithiummetaal.
“Anodes op basis van silicium zijn iets geavanceerder wat betreft hun technologische gereedheid dan lithium-metaalbatterijen”, zegt hij. “Puur vanuit wetenschappelijk of technisch perspectief geloof ik dat lithium-metaalbatterijen iets revolutionairder zijn.
“Dat wil zeggen, als mensen ze kunnen laten werken.”
Over het algemeen zijn er drie componenten waaruit een batterij bestaat: de kathode, de anode en de elektrolyt. Vanuit wetenschappelijk of technisch perspectief, zegt Khoo, laat de anode, algemeen bekend als de ‘negatieve’ kant van de batterij, elektronen vrij in het circuit; de positieve kant, de kathode, ontvangt binnenkomende elektronen. De elektrolyt zorgt ervoor dat ionen ertussen kunnen passeren.
De interactie van deze componenten geeft de batterij zijn “energiedichtheid”: de hoeveelheid energie die hij kan bevatten, in verhouding tot zijn gewicht. Batterijen met een hogere dichtheid kunnen meer lading vasthouden, waardoor ze geschikt zijn voor bijvoorbeeld elektrische auto’s.
In tegenstelling tot de huidige lithium-ionbatterijen, die een grafiet-siliciumanode met een vloeibare elektrolyt gebruiken, vervangen solid-state batterijen – zoals de naam al aangeeft – de vloeistof door een vast materiaal.
Hierdoor ontstaat een veiligere batterij, omdat er geen risico bestaat op vloeistoflekkage als de behuizing wordt doorboord, zoals bij een auto-ongeluk, en de kans op lithiumbranden wordt verkleind. Wat nog belangrijker is voor EV-rijders is dat het een enorm verbeterd bereik belooft.
na het promoten van de nieuwsbrief
Maar ondanks alle populariteit wordt de ontwikkeling van solid-state batterijen tegengehouden door de anode.
Dendrieten en ontwikkeling
Van de verschillende varianten die er bestaan, hebben lithium-metaalanode-vastestofbatterijen aanzienlijke aandacht gekregen als een potentiële toekomstige krachtige batterijtechnologie.
De vangst? Hun ontwikkeling stuitte op een probleem dat bekend staat als “dendrieten”.
Dendrieten ontstaan wanneer lithiumionen zich op een zuivere metalen anode “neerslaan”, waardoor kleine sporen op het oppervlak achterblijven.
Lee Finniear, CEO van Li-S Energy en oprichter en directeur van de Council on Advanced Materials and Batteries, zegt dat naarmate deze onvolkomenheden in de loop van de tijd groter worden, ze ‘tijdens een blikseminslag fungeren als een hoogtepunt op een gebouw in een grote stad’.
‘Lithiumionen proberen de kortste weg naar de anode te vinden’, zegt hij. “Als je een variatie of een hoog punt op de anode krijgt, zal deze de neiging hebben om meer ionen aan te trekken, die zich vervolgens als lithium zullen uitzetten, waardoor het hoogtepunt toeneemt.”
Afhankelijk van hoe groot deze dendrieten worden, kunnen ze door het materiaal heen breken dat de anode van de kathode scheidt en kortsluiting veroorzaken.
“En dat doodt de batterij”, zegt hij.
Er zijn nog andere uitdagingen, maar het oplossen van deze problemen kan moeilijk – en duur – zijn. Daarom hebben anderen er de voorkeur aan gegeven om met siliciumanodes te werken, die afhankelijk zijn van een materiaal dat vergelijkbaar is met het materiaal dat wordt gebruikt in fotovoltaïsche zonnepanelen.
Omdat het zeer geleidend is, wordt aangenomen dat hoe meer silicium in de anode wordt gebruikt, hoe meer de prestaties zullen verbeteren.
Siliconenanodes werken als een waterabsorberende spons, die bij elke oplaadcyclus uitzet en samentrekt. Door meer silicium toe te voegen, neemt de uitzetting van de anode toe, en een zuivere siliciumanode kan tot vier keer zo groot worden.
Zonder tussenkomst zal de anode uiteindelijk vanzelf verdwijnen.
De ene oplossing bestaat uit het op een speciale manier structureren van silicium, de andere uit het vinden van additieven die het gedrag ervan zullen veranderen.
Het is mogelijk om deze problemen op te lossen, maar het is nog steeds lastig om deze batterijen commercieel beschikbaar te maken voor gebruik in elektrische voertuigen.
Als toekomstige technologieën zullen productielijnen opnieuw moeten worden ontworpen en zullen problemen met de toeleveringsketen moeten worden aangepakt, vooral omdat niemand momenteel voldoende zuivere lithium-metaalfolie produceert om fabrikanten van autobatterijen te bevoorraden.
Elke vooruitgang die deze problemen aanpakt en de productiekosten van solid-state batterijen verlaagt, zou revolutionair zijn, maar Toyota is tot nu toe terughoudend geweest over de materialen waarmee het in zijn anodes werkt.
Desgevraagd zei een woordvoerder van Toyota in Australië dat ze dit niet konden onthullen omdat “onderzoek en ontwikkeling wordt uitgevoerd door het moederbedrijf”.
Hoe het ook zij, cijfers uit de sector zeggen privé dat het het beste is om simpelweg aan te nemen dat het bedrijf ‘alles’ nastreeft.
“Mensen vergeten dat we het hier over wetenschap hebben”, zegt Finniear. “We hebben het over het overtuigen van elektronen, ionen en chemicaliën om te doen wat hen wordt opgedragen; het is geen softwareontwikkeling, het is niet iets dat je kunt programmeren.
“Deze ontdekkingen zijn erg belangrijk, maar vereisen veel werk.”