Pooja Vadhva 
Pranav Nagaveykar Pooja: Met een conventionele lithium-ionbatterij heb je twee elektroden - een anode en een kathode, en wanneer je de cel ontlaadt, verplaatsen lithiumionen zich van de anode en intercaleren ze in de kathode. De elektroden gevuld met een vloeibare elektrolyt en een polymeerafscheider worden gebruikt om kortsluiting van de cel te voorkomen. De elektroden zijn verbonden met een extern circuit waardoor de elektronen stromen en terwijl u de cel ontlaadt, wordt stroom afgegeven, die wordt gebruikt om een elektrisch voertuig van stroom te voorzien. In een solid-state batterij is het principe hetzelfde, maar je verwijdert de separator en de vloeibare elektrolyt, en in plaats daarvan heb je een vaste elektrolyt tussen de twee elektroden. Een vaste elektrolyt kan een lithiummetaalanode mogelijk maken die tien keer de theoretische capaciteit van een grafietanode heeft, waardoor de energiedichtheid van de cel wordt verdubbeld. Lithiummetaal is zeer reactief en kan tijdens het fietsen dendrieten vormen die de cel kortsluiten. Een vaste elektrolyt kan mechanisch de vorming van dendrieten voorkomen en de veiligheid van de cel verhogen, aangezien u geen ontvlambare vloeibare elektrolyt hebt.
Pranav: Solid-state batterijen zijn in feite de lithium-ionbatterijen zonder vloeibare elektrolyt. De vloeibare elektrolyt wordt vervangen door een vaste elektrolyt, daarom worden deze batterijen solid-state batterijen genoemd. Veel mensen raken in de war dat solid-state batterijen een totaal ander type batterijen zijn dan de bestaande lithium-ionbatterijen. Dat is niet het geval. Alleen is de vloeibare elektrolyt nu vervangen door een vaste.
Li-Ion-batterij versus alle solid-state batterijen Pranav: Zoals we allemaal weten, werkt iedereen in de batterij-industrie continu aan het overwinnen van enkele van de belangrijkste uitdagingen voor de EV-transitie, zoals het verkrijgen van meer energiedichtheid, minder oplaadtijd, een betere levenscyclus om er maar een paar te noemen. Met de nieuw ontwikkelde kathoden, hoger percentage nikkel, silicium ingebedde anodes, is er veel verbeterd in de energiedichtheid van deze cellen, maar tegelijkertijd zijn ze ook thermisch minder stabiel. Bovendien is de relatieve verbetering in laadtijden minder. Het lijkt alsof we met de conventionele lithium-ioncellen een verzadigingsniveau naderen met betrekking tot al deze parameters. Om een nog hogere energiedichtheid, betere thermische stabiliteit en kortere oplaadtijden te krijgen, moeten we overschakelen naar een nieuw type technologie en ik geloof dat dat is waar solid-state batterijen van pas komen.
Pooja: Enkele interessante punten daar. Een ander gebied waar mensen volgens mij geen rekening mee houden, is de luchtvaartindustrie, met een toenemende nadruk op duurzaamheid, en er is interesse in het gebruik van solid-state batterijen om elektrische voortstuwingssystemen in vliegtuigen gedeeltelijk of volledig aan te drijven, zoals tijdens het opstijgen of landen. NASA heeft ook aangekondigd dat het solid-state batterijen gaat maken voor verbeterde oplaadbaarheid en veiligheid, dus dit is echt veelbelovend.
Pranav: Het basiswerkprincipe van Solid State-batterijen is hetzelfde als de conventionele lithium-ionbatterijen. In conventionele lithium-ionbatterijen splitst lithium in de kathode zich op in lithiumionen en elektronen. Het elektron reist door het buitenste netwerk terwijl het lithium-ion door de vloeibare elektrolyt zwemt om de anode te bereiken. Voor solid-state batterijen is het min of meer hetzelfde. De vraag is:hoe verplaatsen we de ionen van anode naar kathode en vice versa? In principe gebruiken we iets dat diffusie wordt genoemd - we verplaatsen de lithium-ionposities binnen het vaste elektrolytrooster, we creëren enkele vacatures binnen de huidige roosterstructuur zodat de lithiumionen van de ene roosterpositie naar de andere kunnen "springen", bewegend van de anode naar kathode en omgekeerd. Dat is het enige verschil in het werkende deel van de batterij.
Pooja: De verwijdering van de vloeibare elektrolyt en separator maakt de solid-state batterij compacter, en met het gebruik van lithiummetaalanode verhoogt de volumetrische energiedichtheid. De lithiumionen die door het vaste elektrolytrooster hopen, is een relatief snel proces, maar je krijgt ook grensvlakproblemen met solid-state batterijen, omdat je een solide interface hebt bij de anode en kathode, en dat kan zeer resistief zijn, dus dat is iets om te overwegen en is een actief onderzoeksgebied voor veel industrieën die dit proberen op te lossen.
Pooja: Net als een lithium-ionbatterij zal de kathode nog steeds kobalt, mangaan en nikkel bevatten; we vervangen alleen de vloeibare elektrolyt.
Pranav: Ja, de kathode zal hetzelfde zijn. Er is veel verwarring dat solid-state batterijen geen kobalt, mangaan en nikkel bevatten, maar dat is niet per se waar. Er is een mogelijkheid om verschillende kathodes te gebruiken, maar de huidige zullen nog steeds in gebruik zijn, zelfs met solid-state batterijen.
Pooja: Een voordeel van vaste elektrolyten is dat u hoogspanningskathodes kunt gebruiken, die een hoger nikkel- en een lager kobaltgehalte hebben, en dit is duidelijk een voordeel in termen van het verminderen van kobalt omdat het meestal onethisch wordt geproduceerd, en ook om de energiedichtheid te verhogen die gelijk is aan de capaciteit vermenigvuldigd met het bedrijfsspanningsvenster. De reden dat vaste elektrolyten kunnen worden gebruikt met hoogspanningskathodes, is dat omdat sommige vaste elektrolyten een bedrijfsspanningsvenster hebben dat stabiel is tussen 0 en 5 V, en 5 V is waar veel vloeibare elektrolyten snel beginnen te ontleden (ongeveer 3 -4V). Maar met solid-state batterijen is het niet zo duidelijk waaruit de kathodematerialen zullen bestaan. Als u een materiaal gebruikt zonder kobalt, nikkel of mangaan, zoals lithium-ijzerfosfaat (LFP) kathode, is dit ethisch beter, maar met EV wilt u een hoogspanningskathode voor een hogere energiedichtheid, dan moet dit op nikkel zijn gebaseerd.
Een ander punt is hoe je de vaste elektrolytmaterialen classificeert; je hebt anorganische en organische elektrolyten. De laatste gebruikt meestal een soort polymeerelektrolyten, maar omdat hun ionische geleidbaarheid laag is, gebruik je ze niet voor EV-toepassingen. Als je naar anorganische stoffen kijkt, zijn er echter veel classificaties - de belangrijkste twee zijn oxide- en zwavelmaterialen. Oxiden zijn hard keramiek en gemakkelijk verkrijgbaar, maar je moet ze sinteren bij hoge temperaturen van ongeveer 1000 tot 1200 o C en dat brengt veel kosten met zich mee. Op zwavel gebaseerde chemicaliën zijn zachtere materialen, dus u hoeft ze niet bij zo'n hoge temperatuur te verwerken, wat een voordeel is, maar wanneer zwavel reageert met vocht, produceert het H2 S-gas dat giftig is, dus u moet met deze dingen rekening houden als u een productielijn heeft, evenals met CO2 emissies.
Pooja: Een vermindering van laadtijden; QuantumScape citeerde dat zijn cel in 15 minuten tot 80% capaciteit kan opladen, wat een stuk minder is vergeleken met de huidige industriestandaard, die ergens rond de 30-40 minuten ligt, en een van de belangrijkste redenen waarom je dit kunt doen, is omdat er geen ontvlambare vloeibare elektrolyt in een solid-state batterij, zodat u niet hoeft na te denken over een verhoging van de celtemperatuur wanneer u sneller oplaadt.
Pranav: Zoals Pooja al zei, zal een snelle oplaadtijd een groot voordeel zijn met SSB's. 80% in 15 minuten betekent dat we ongeveer 26% opladen in 5 minuten tijd. Zelfs uitgaande van een bereik van 400 km, is dat een bereik van meer dan 100 km binnen 5 minuten snelle oplaadtijd, wat behoorlijk indrukwekkend klinkt. Afgezien daarvan denk ik dat een verbeterde batterijverpakking een ander voordeel is vanuit ontwerptechnisch oogpunt.
QuantumScape heeft met succes hun enkellaagse cellen gestapeld en zegt nu dat het meerlaagse solid-state batterijcellen zal ontwikkelen wanneer het overgaat op proefproductie
Pooja: Het is moeilijk te zeggen omdat nog niemand een volledig pakket heeft gemaakt. Recycling moet in principe mogelijk zijn. Maar zal het kosteneffectief zijn om de materialen via recycling te extraheren? Uiteindelijk hangt het af van de chemie van de vaste elektrolyt. De vaste aard van vaste elektrolyten maakt het gemakkelijker om de componenten te extraheren in vergelijking met een vloeibare elektrolyt. En als een zwavel-vast elektrolyt wordt gebruikt, is zwavel erg goedkoop, dus het is misschien niet effectief om te worden gerecycled. Als een keramische vaste elektrolyt wordt gebruikt, die verwerking bij hoge temperatuur vereist en daarom duur is om te produceren, dan zou dit de recyclingkosten kunnen rechtvaardigen. Ik denk alleen dat deze dingen nog niet volledig zijn overwogen, aangezien we nog geen solid-state batterij-EV hebben.
Pranav: Precies. Afgezien van het vaste elektrolytgedeelte, is de rest hetzelfde als een conventionele batterij, dus in termen van recycling zou het op hetzelfde pad moeten blijven vorderen.
BASF bouwt nieuwe prototypefabriek voor batterijrecycling in Schwarzheide, Duitsland
Pooja: Solid State-batterijen bieden een dubbele energiedichtheid en zijn inherent veilig. Het probleem is de technische uitdagingen en het op een kosteneffectieve manier opschalen naar grootformaat cellen voor EV's.
Pranav: Wat de voortgang betreft, worden Solid State-batterijen (SSB's) op meerdere niveaus geconfronteerd met problemen. Vanuit technisch oogpunt worden SSB's geconfronteerd met problemen met de elektrolyt-elektrode-interface zelf, het contact tussen de vaste elektrolyt en de anode en de kathode. De vaste celinterface zorgt voor veel problemen op het gebied van energie wanneer de ionen stromen. Er is ook een probleem met de mechanische staat. Vaste elektrolyten kunnen mogelijk barsten onder de druk van stapelcellen bij het maken van een batterijpakket. Dan is er nog het commercialiseringsprobleem om deze batterijen op te schalen naar productievolumes.
Pooja: Ik ben het ermee eens dat de productie anders zou kunnen zijn, maar ik zie dit niet als een groot probleem. Je kunt solid-state batterijen niet echt als een cilindrische cel maken, omdat ze niet flexibel genoeg zijn om in een cilindrisch formaat te worden opgerold. De huidige productielijnen voor lithium-ionbatterijen zouden zich dus moeten aanpassen aan cellen van het zaktype. Maar dit heeft een voordeel, want als je het gebruik van dure modules kunt elimineren en cellen direct in packs kunt plaatsen, ja, dan moet je misschien je celformaat veranderen, maar je zult winnen in termen van gewichtsbesparing en kostenbesparing.
Op langere termijn is het grootste probleem het probleem van druk en dendriet. De vaste elektrolyt waar we het eerder over hadden, fungeert ook als een barrière die voorkomt dat lithiumdendrieten tussen de elektroden gaan en kortsluiting veroorzaken. Door stapeldruk toe te passen, kan de dendrietvorming worden verminderd door een beter grensvlakcontact te bieden. Zelfs QuantumScape die heeft gezegd dat hun batterij alle kernproblemen oplost die solid-state batterijen hebben geplaagd, zoals een korte levensduur en een langzame oplaadsnelheid, zijn nog steeds fietsende cellen bij een atmosferische druk van 3,4. Kunnen we dit in een rijdend voertuig doen? Vaak wordt 1MPa gerapporteerd als levensvatbare druk voor een EV en dus moeten we hiernaar streven. We hebben dezelfde celprestaties nodig voor solid-state batterijen, maar onder een realistische druk die we zouden kunnen uitoefenen door alleen cellen te stapelen.
Als u een zwavelelektrolyt gebruikt, is er nog steeds een probleem bij een crash waarbij zwavel wordt blootgesteld aan lucht en giftige gassen vrijkomen. Oxide-elektrolyten produceren dergelijke giftige gassen niet, maar vereisen hoge temperaturen voor sinteren, wat duur is. Er is dus een wisselwerking tussen een verlaagde sintertemperatuur van de elektrolyten voor zwavelelektrolyten en de kosten die gepaard gaan met het bouwen van vochtgevoelige kamers.
Het andere probleem is het bouwen van voldoende gigafabrieken om de totale productiekosten van solid-state batterijen te verlagen, aangezien ze duurder zullen zijn dan lithium-ionen, zelfs als de initiële chemiekosten lager zijn.
Puur elektrische Volvo C40 en XC40 opladen bij een laadpaal Pranav: Dat klinkt ongeveer goed met de huidige staat. Er is nog niet eens een echt model op ware grootte beschikbaar. Het commercialiseringsgedeelte kan afhangen van hoe de productie van deze cellen wordt aangepast.
Pooja: Om te zeggen of het specifiek 2030 of 2034 is, is erg moeilijk omdat deze bedrijven kijken naar verschillende vaste elektrolytmaterialen en alle bijbehorende kosten en de productielijn zal anders zijn, dus het is te vroeg om te zeggen, maar ik zie ze niet goedkoper zijn dan lithium-ionbatterijen voor deze periode.
Pooja: Ja, ze hebben eigenlijk een voordeel omdat ze niet ontvlambaar zijn, dus je kunt ze meenemen naar hogere temperaturen en zelfs bij lagere temperaturen waar dendrieten lijken te vormen. Dus hoewel het pakket iets duurder is, kan het worden gebruikt in meer toepassingen zoals ruimtevaart of high-performance voertuigen die tijdens het gebruik een hoog temperatuurbereik kunnen vereisen. Naarmate EV's populair worden, kunnen bedrijven schaalvoordelen behalen door de productie te verhogen en de kosten te verlagen.
Pranav: Ja, dat is een van de belangrijkste hoogtepunten van solid-state batterijen. Breed temperatuurbereik.
Pranav: Ja. ze hebben geen dure koelsystemen nodig. Het is mogelijk dat ze geen koelsysteem nodig hebben. Het betekent ook dat fabrikanten van elektrische voertuigen die ruimte kunnen gebruiken om meer batterijen te plaatsen of om de bestaande batterijgrootte efficiënter te verpakken.
Pooja: Ja precies, en dat kan ook helpen om de productiekosten te verlagen.
Pranav: Elektrische passagiersvoertuigen, er is veel onderzoek gaande op het gebied van luchtvaart, zoals we al zeiden, dus dat zou een van de toepassingen kunnen zijn, maar van wat ik heb gelezen, zullen we ze eerst in EV's zien.
Pooja: Ja, ik ben het ermee eens, maar ik zou waarschijnlijk zeggen meer luxe EV's, vanwege de kosten. Elke toepassing waarbij veiligheid en energiedichtheid voorop staan en kosten geen probleem zijn, zullen we het eerst zien, dus luchtvaart zoals Pranav zei. Ik zou zeggen voor grid-schaal of maritieme toepassingen waar je wilt dat batterijen erg goedkoop zijn en het maakt niet uit over de energiedichtheid of de grootte, dan zullen industrieën niet naar solid state kijken.
Pranav: Alle autofabrikanten moeten een tijdlijn opstellen voor elk project, en 2025 is een agressief doelwit, hoewel heel goed mogelijk voor een demo, maar ik zie het tegen die tijd nog niet productieklaar zijn.
Pooja: Ik zou zeggen van een academische kant, we moeten eerst het dendrietprobleem oplossen. Laten we zeggen dat we QuantumScape's woord aannemen dat ze het dendrietprobleem hebben opgelost, en dat ze op dit moment een cel met tien lagen hebben die deel zal uitmaken van een enkele buidelcel. Hun eerste cyclustests zijn gedaan op een cel met een enkele laag, dus ze moeten deze resultaten reproduceren op hun cel met tien lagen. Zodra de tienlaagse cel goed presteert, moeten ze deze buidelcellen in een pakket integreren, wat een tot twee jaar zal duren, en dan moeten ze het in een prototypevoertuig proberen en samen een productielijn bouwen. Ten eerste moeten we zien of ze, als ze het eenmaal in een volledig pakket hebben gestopt, de prestaties krijgen die ze nodig hebben om te zien of het de moeite waard is om op te schalen naar gigafabrieken.
Solid Power is een ander bedrijf dat een 2Ah-zakcel heeft gemaakt en die momenteel 20Ah produceert. Hoewel de tijdschema's vrij ver zijn, denk ik dat we in de komende twee jaar op zijn minst zullen weten of dit commercieel zal zijn en geïntegreerd in EV's met de bovengenoemde problemen opgelost. Dat is wanneer het tijd is om enthousiast te worden, maar het is niet ver weg:van laboratoria naar productie gaan en, als het zijn waarde bewijst, met voldoende geld en investeerders, snel productielijnfaciliteiten maken.
De BMW Group en Ford streven ernaar om de low-cost, high-energy all solid-state batterijtechnologie van Solid Power te gebruiken in toekomstige elektrische voertuigen Pooja: Ik denk dat beide nodig zijn, en in het geval van superieure toepassingen zoals prestaties/luxe EV's waar prestaties en veiligheid voorop staan, hebben we solid state, maar ik zie lithium-ion niet snel verdwijnen, het is vrij goedkoop en voor dingen zoals energieopslagsystemen, het is perfect, vanwege hun snelle reactie, modularisatie en flexibele installatie.
Pranav: Ik ben het ook eens met Pooja, in ieder geval voor de komende decennia en totdat de kosten van solid-state batterijen dalen, zullen we zien dat ze allebei worden gebruikt. En in termen van VW's verklaring denk ik dat we de actieradius met wel 50 procent kunnen zien toenemen.
Pooja: Dat zijn er nogal wat, daar is Samsung, die samenwerkte met Toyota. Honda en Nissan, dan is er Solid Power met wie BMW en Ford zwaar geïnvesteerd hebben - die een zwavelelektrolyt gebruiken die anders is dan QuantumScape, die een keramisch elektrolyt gebruikt. Solid Power is ook op zoek naar een siliciumanode, wat interessant is omdat de industrie voornamelijk lithiumanoden gebruikt. Er zijn Solid Energy Systems waarmee General Motors samenwerkt en ze gebruiken een hybride elektrolytsysteem - een vast polymeerelektrolyt om de lithiumanode te beschermen, maar heeft een vloeibaar elektrolyt.
