Solid-state batterijen kunnen een ‘productiehel’ tegemoet gaan

Recente aankondigingen van solid-state batterijen door Volkswagen en QuantumScape wekken de hoop op voor de markt voor elektrische voertuigen, maar deskundigen op het gebied van autobatterijen waarschuwen dat de weg naar wijdverspreid solid-state succes nog steeds lang en moeizaam is. Het is onwaarschijnlijk dat een enkele doorbraak, alsof die van bovenaf komt, de hele sector op korte termijn op zijn kop zal zetten.

“Solid-state is een geweldige technologie”, zegt Bob Galyen, eigenaar van Galyen Energy en voormalig chief technology officer van de Chinese batterijgigant Contemporary Amperex Technology Ltd. (CATL). “Maar het zal hetzelfde zijn als lithium-ion in termen van de tijd die het kost om op de markt te komen. En het duurde lang voordat lithium-ion daar kwam.”

“Ik heb geen kostencijfers gezien die zelfs maar in de buurt komen van concurrentie met lithium-ionbatterijen in vloeibare toestand.” —Bob Galyen, Galyen Energie

Galyen en andere deskundigen die hij raadpleegde IEEESpectrum hij merkte op dat recente aankondigingen van Volkswagen, QuantumScape, Toyota en NIO hebben geresulteerd in indrukwekkende beursprestaties. Deze zelfde deskundigen merkten echter een uitgesproken scepsis op over de technische verdiensten van deze aankondigingen. Niemand heeft iets aan de horizon kunnen isoleren dat erop wijst dat solid-state technologie kan ontsnappen aan de technische en ‘productiehel’ die voor ons ligt.

De resterende hindernissen zijn onder meer het valideren van bestaande solid-state batterijtechnologieën (die momenteel worden gebruikt voor beperktere, vaak medische toepassingen) voor auto’s en vrachtwagens. De adoptiecurve zal, zeggen experts, afhangen van het vermogen van het product om gevalideerd te worden in termen van prestaties, levensduur en kostenkenmerken.

Vaste cellen, zo genoemd vanwege het gebruik van een vaste elektrolyt, worden gezien als de sleutel tot de toekomst van de elektrische auto, omdat ze potentieel meer veiligheid en energie bieden, evenals veel snellere oplaadtijden. Vastestofcellen verschillen van conventionele lithium-ionbatterijen doordat ze een glas- of keramische elektrolyt gebruiken in plaats van een vloeistof die bestaat uit lithiumzouten. Autofabrikanten zijn geïnteresseerd in de toekomst van solid-state batterijen, omdat de technologie een grotere thermische stabiliteit biedt dan op vloeistof gebaseerde batterijen, waardoor onder meer aanzienlijk sneller opladen mogelijk is.

Solid-state is ook het onderwerp geweest van recente aankondigingen van batterijfabrikanten en reguliere autofabrikanten. Begin januari zei het batterijbedrijf PowerCo SE van de Volkswagen Groep dat het de lithium-metaalcellen van QuantumScape had getest, waarbij 1.000 oplaadcycli werden bereikt terwijl 95 procent van de capaciteit van de cel nog intact was. Het bedrijf zei in een verklaring dat de levensduurprestaties van de cel vergelijkbaar zijn met “een elektrische auto die meer dan 500.000 kilometer (300.000 mijl) kan rijden zonder merkbaar verlies aan bereik.”

‘Wat gebeurt er als je over de I-75 rijdt en een grote kuil in de weg tegenkomt? Welke schade zou worden toegebracht aan de vastestofmatrix?” —Bob Galyen, Galyen Energie

Op dezelfde manier kondigde Toyota in oktober aan dat het van plan is tegen 2027 solid-state batterijen in een niet nader genoemd aantal productievoertuigen te installeren. De autofabrikant zei dat het een actieradius van 1.000 km (600 mijl) nastreeft met 80 procent gelijkstroom snel opladen in 10 minuten of minder. In december stapte de Chinese autofabrikant NIO in het spel en zei dat het een ‘halfvaste batterij’ van 150 kilowattuur zou introduceren die theoretisch al deze zomer een actieradius van 1.000 km zou kunnen bieden.

Deskundigen wezen er echter snel op dat de batterij van NIO, gemaakt door WeLion New Energy Technology Co., geen solid-state batterij is. “Dit is eigenlijk een vrij conventionele NMC (nikkel-mangaan-kobalt) gel-elektrolytcel die al 15 jaar in productie is en gewoonlijk lithiumpolymeer wordt genoemd”, zegt Sam Abuelsamid, hoofdonderzoekanalist bij Guidehouse Insights. “Technisch gezien wordt een gel als halfvast beschouwd omdat deze zowel vaste als vloeibare eigenschappen heeft. Maar in de cel mist het de eigenschappen van een echte vastestofelektrolyt.” In het bijzonder, zei hij, kunnen halfvaste cellen bij een botsing worden doorboord, wat dichter bij de aard van traditionele lithium-ionbatterijen ligt – en in tegenstelling tot echte vaste-stofcellen, die zouden versplinteren. Hij merkte ook op dat halfvaste cellen, met mangaan-spinelchemie, werden gebruikt in de Hyundai Sonata-hybride uit 2009.

Een technische uitdaging

Een grote uitdaging voor echte solid-state cellen is echter de lange klim naar technische validatie. Galyen schetst vijf ‘gouden regels’ voor batterijen – veiligheid, prestaties, levensduur, kosten en milieu – waaraan moet worden voldaan voordat solid-state cellen een industriële acceptatie kunnen bereiken.

Het proces doet denken aan de verwijzing van Elon Musk naar de ‘productiehel’ in 2018.

“De meeste producenten van solid-state batterijen voldoen niet aan minstens drie van de vijf gouden regels”, zei hij. “Ik heb nog nooit iemand levenscijfers zien posten die zinvol zijn. En ik heb geen kostencijfers gezien die zelfs maar in de buurt komen van concurrentie met lithium-ionbatterijen in vloeibare toestand.” Volgens hem liggen de kosten van solid-state batterijen ongeveer op het niveau van tien jaar geleden.

Autofabrikanten moeten ook de ‘prestatieregel’ controleren op drie belangrijke gebieden: temperatuurprestaties, hoogteprestaties en schok- en trillingsprestaties. Van deze, zei Galyen, zijn schokken en trillingen van bijzonder belang. ‘Wat gebeurt er als je over de I-75 rijdt en een grote kuil in de weg tegenkomt?’ zei hij. “Welke schade zou worden aangericht aan een vaste matrix?”

Autofabrikanten zullen pas overgaan tot wijdverbreide adoptie als ze de mogelijkheden van de nieuwe technologie op al deze belangrijke gebieden kunnen testen, voegde Galyen eraan toe. “Geen van deze batterijen is nog bevestigd”, zei hij. “Dus hoe ben je van plan iets in de autoproductie te stoppen als het nog niet is bevestigd?”

Validatie zal enige tijd vergen, aangezien autofabrikanten in de fabriek gebouwde cellen onder reële omstandigheden testen. Om dit te doen zullen fabrikanten eerst batterijfabrieken moeten bouwen, wat twee jaar kan duren, en vervolgens halfjaarlijkse prototypeproducten moeten lanceren en deze moeten distribueren onder klanten, die ze door hun werkcycli heen loodsen. “Vervolgens breng je de producten in productie en ontdek je wat je ‘foutjes’ zijn”, zei Galyen over de onvermijdelijke problemen.

Het proces doet denken aan de verwijzing van Elon Musk naar de ‘productiehel’ in 2018. Destijds zei Musk dat zijn bedrijf binnenkort een zogenaamde ‘hel’ van zes maanden zou binnengaan, omdat het moeite had om defecten in de Model 3-lijn weg te werken. Vervolgens vertelde hij de verslaggevers dat een overstroming, tornado of zelfs een zinkend schip waar dan ook ter wereld de plannen van zijn bedrijf zouden kunnen verstoren.

Galyen zei dat dergelijke hoofdpijnen veel voorkomen in de productie, maar vooral in de batterijproductie. “Er is geen enkele batterij die ik ooit heb gezien die niet veel ‘pijn’ heeft”, zei hij.

Het kan gemakkelijk zeven jaar of langer duren om te ontwikkelen, produceren en valideren, zei Galyen.

De wetenschap is bijna klaar

Deskundigen verwachten dat de wetenschap zich in die tijd zal blijven ontwikkelen. Tegenwoordig zijn er talloze versies van solid-state batterijen die alles gebruiken, van traditioneel grafiet tot silicium tot lithiummetaal in de anode, en er zijn kathodes gemaakt van traditionele NMC en nikkelrijke materialen.

De meeste experts gaan ervan uit dat het meer tijd kost om de technische validatieketen te doorlopen, zelfs voor de grootste, meest geheimzinnige bedrijven.

Batterijwetenschappers zijn optimistisch dat een nieuw type batterij twee belangrijke tekortkomingen van conventionele lithium-ionbatterijen kan overwinnen. Ten eerste, zeggen ze, zullen nikkelrijke kathodes de batterijindustrie in staat stellen minder kobalt in de kathode te gebruiken. Ten tweede zal de vaste stof-chemie ervoor zorgen dat batterijfabrikanten lithiummetaal in de anode kunnen gebruiken.

Het vermogen om kobalt in de kathode te verminderen is belangrijk omdat kobalt schaars en duur is en vaak wordt gewonnen in landen met zwakke arbeidswetten. En de mogelijkheid om metallisch lithium in de anode te gebruiken is belangrijk omdat dit de energiedichtheid zou verhogen en tegelijkertijd de veiligheid zou bevorderen. Fabrikanten van op vloeistof gebaseerde lithium-ionbatterijen gebruiken momenteel geen lithium-metaalanodes vanwege brandgevaar.

“Dat is de reden waarom we in de eerste plaats aan deze (vastestof) reis zijn begonnen – om metallisch lithium te kunnen gebruiken”, zegt Helena Braga, universitair hoofddocent technische natuurkunde aan de Universiteit van Porto, Portugal, en een bekende onderzoeker. die samen met Nobelprijswinnaar John Goodenough aan solid-state batterijen werkte. Braga zei dat ze er vertrouwen in heeft dat de nieuwe chemie binnenkort klaar zal zijn, als dat nog niet het geval is.

Wat onbekend is, is hoe ver deze chemie kan zijn bij sommige van de grote productiebedrijven die weinig publieke verklaringen afleggen, zoals LG Chem en BYD. Sommige van die bedrijven bestaan ​​misschien nog steeds, maar het is moeilijk om dat te weten te komen omdat er zo weinig betrouwbare informatie is.

Voorlopig gaan de meeste experts ervan uit dat het langer duurt om de technische validatie te doorstaan, zelfs voor de grootste, meest geheimzinnige bedrijven.

“De meeste bedrijven hebben hoge verwachtingen van succes met de vijf gouden regels”, aldus Galyen. “En ze verwachten dat dit in het komende decennium zal gebeuren.”

UPDATE 29 januari 2024: Het verhaal is bijgewerkt met het woord ‘kan’ vóór ‘de productiehel’ in de kop en wijst op de gevaren en beloften van het batterijproductieproces.