Hoewel het waar is dat elektrische automodellen steeds concurrerender worden, zou elektrische mobiliteit nog groter moeten zijn om elektrische mobiliteit werkelijkheid te laten worden.
En dat is precies de fundamentele taak van solid-state batterijen, naast het bieden van meer stabiliteit en veiligheid.
Solid-state batterijtechnologie is een evolutie van de huidige lithium-ion (Li-Ion)batterijen; niet alleen gebruikt in elektrische voertuigen, maar ook in allerlei elektronische apparaten, zoals smartphones.
John B. Goed genoeg –een Duits-Amerikaanse wetenschapper en natuurkundige, mede-uitvinder van lithium-ionbatterijen– leidt op zijn 97e ook de ontwikkeling van de vastestofbatterij met behulp van anorganische kristalelektrolyten . En in feite is hij niet de enige in dit onderzoek, aangezien de Universiteit van Californië in San Diego ook heeft geïnvesteerd in anorganische vaste stoffen zoals keramische oxiden en zwavelglas.
De introductie van vastestofelektrolyten op de markt zal het mogelijk maken om grotere autonomie te bieden , grotere veiligheid en stabiliteit, lagere economische kosten en bieden veel kortere oplaadperiodes .
Enerzijds bestaat de lithium-ionbatterij uit twee elektroden; kathode en anode, gescheiden door een separator, ingebed in een cel en ondergedompeld in de elektrolyt , een geleidende vloeistof die de noodzakelijke ionen chemisch laat reageren tussen de elektroden. En de combinatie van meerdere cellen vormt de batterij.
Welnu, wanneer we ons voertuig aanzetten, worden deze chemische reacties geactiveerd en starten de ionencirculatie tussen elektroden, produceren elektronen, brengen ze over naar de accuklemmen en genereren energie. En wanneer we de batterij opladen, circuleren de deeltjes in de tegenovergestelde richting en vindt het omgekeerde proces plaats.
Zoals we weten, hebben deze batterijen een beperkte levensduur van 8 tot 10 jaar , wat overeenkomt met ongeveer 3.000 volledige oplaadcycli . Dit komt door het feit dat vloeibaar lithium na verloop van tijd stolt en kleine holtes creëert die dendrieten worden genoemd. , die zich schuldig maken aan het verzwakken van de batterij, waardoor oververhitting en kortsluiting ontstaat.
En dat niet alleen, maar nog een probleem met vloeibare elektrolyt is dat het ontvlambaar . is , waarvoor veiligheids- en koelsystemen . nodig zijn om warmteopbouw en capaciteitsverliezen te voorkomen. En dit alles betekent hogere kosten, gewicht en volume voor de batterij.
Aan de andere kant valt het belangrijkste verschil in solid-state batterij op de elektrolyt wat in dit geval een vaste stof is in plaats van een vloeistof. Met andere woorden, de energieopslagcellen van deze batterijen bevatten geen geleidende vloeistof, maar zijn opgebouwd uit een vaste verbinding die dezelfde functie vervult als de vloeibare elektrolyt:het zendt ionen tussen de elektroden om energie op te wekken.
De algehele prestatie is hetzelfde, maar met een anorganische vaste elektrolyt faciliteert meerdere aspecten. Om specifieker te zijn, heeft het team van John B. Goodenough, in samenwerking met ingenieur Maria Helena Braga, al in april 2020 zijn patent voor massief glaselektrolyt ingediend. De versie heeft een alkalimetaalanode die het mogelijk maakt om de energiedichtheid en de levensduur van de batterij te verlengen.
Dankzij Spring8-afbeeldingen kunnen we een idee krijgen van hoe deze nieuwe batterijen werken ten opzichte van de huidige lithium-ionbatterijen.
Lagere productie- en verkoopkosten, meer veiligheid, onbrandbaar, langere levensduur, hogere energiedichtheid en meer mogelijkheden voor recycling.
Het gebruik van een vaste stof in de cellen zorgt voor een hogere energiedichtheid, wat een hogere energieopslagcapaciteit betekent. In het geval van glas is het in staat om meer energie op te slaan bij minder gewicht.
Om specifieker te zijn:dit type batterij zou tot drie of zelfs vijf keer meer energie kunnen opslaan dan zijn lithium-ion-equivalent. Daarom betekent dit dat ze een veel grotere autonomie allow mogelijk maken .
Bovendien maken ze het niet alleen mogelijk om de laad- en ontlaadcycli te verlengen (wat het mogelijk maakt om hun levensduur te verlengen), maar ze verminderen ook passieve drainage (het ontlaadproces van de batterij wanneer deze niet wordt gebruikt).
De door John B. Goodenough ontwikkelde lithium-glasbatterijen zijn bestand tegen meer dan 20.000 volledige oplaadcycli (in laboratoriumtests hebben ze 23.000 cycli overschreden ).
Solid-state elektrolyten versnellen het opladen en zorgen voor veel kortere oplaadtijden (slechts binnen een paar minuten), aangezien deze tijden tot zes keer korter zijn vergeleken met de huidige lithium-ionbatterijen.
Dit komt door het feit dat de batterij, die bestaat uit een vaste anorganische verbinding (zoals glas), een gemakkelijkere en snellere beweging tussen elektroden mogelijk maakt.
Door dendrietvorming te voorkomen en de mogelijkheid van explosie en brand te elimineren –welke huidige lithium-ionbatterijen wel hebben (hoewel we niet vergeten dat het brandrisico vier keer hoger is in een benzine- of dieselbatterij dan in een elektrische) – is het mogelijk om de geboden veiligheid verder te vergroten.
Daarom hebben vaste elektrolytbatterijen, die veel minder worden verwarmd, geen veiligheids- of koelsystemen nodig om warmteophoping te voorkomen. Ze hebben ook geen afscheiders tussen elektroden nodig, of de beschermende waterdichte hoes, die uiteindelijk de kosten, het gewicht en meer dan de helft van het volume van Li-ion-batterijen opdrijven.
En alsof dat nog niet genoeg is, werken deze nieuwe batterijen optimaal, zelfs bij extreme temperaturen tot -20°C.
Massaproductie bevindt zich nog in een onderzoeksfase, maar als we het hebben over een materiaal als glas, dat gemakkelijk en snel te vervaardigen is, zou dit de totale kosten mogelijk maken van zowel de batterij zelf als het elektrische voertuig zelf sterk verminderd . Het zou het ook mogelijk maken om de cellen te maken van veel duurzamere materialen dan de huidige lithium-ionen.
Een ander zeer belangrijk punt om rekening mee te houden is dat deze batterijen het mogelijk zouden maken om eliminatie praktisch alle kobalt aanwezig in de cellen; een zeer dure, schaarse en niet-duurzame grondstof.
Aanvankelijk werd niet verwacht dat dit type batterij minstens tien jaar op de markt zou komen . Er is echter al meer dan één fabrikant begonnen te investeren in dit soort technologie en zelfs zijn eigen patent te ontwikkelen, zoals John B. Goodenough en Samsung heb gedaan. Toyota, Porsche, BMW, Fisker, Hyundai, General Motors, Honda, Nissan, Daimler en Volkswagen zijn voorbeelden van merken die al investeren in de ontwikkeling ervan.
Samsung presenteerde in maart 2020 zijn vooruitgang in de ontwikkeling van vaste elektrolytbatterijen, waarvan het prototype belooft batterijen te produceren die 50% kleiner zijn dan de huidige. Het bedrijf schat dat het binnen een paar jaar zijn eerste smartphone . zou kunnen introduceren met deze nieuwe technologie.
Toyota , bijvoorbeeld, had tot dusver geweigerd om volledig elektrische auto's te produceren omdat het van mening was dat er nog steeds twee zeer duidelijke beperkingen waren:oplaadperiodes en het bereik van elektrische voertuigen. Welnu, nu, met de ontwikkeling van vaste elektrolyten, zal Toyota eindelijk zijn eerste 100% elektrische auto met vaste-stofelektrolytenbatterij lanceren in 2022.
We hebben het over de nieuwe C-HR EV die afgelopen april al bij de eerste Chinese dealers is geland, maar in Europa moet het nog zeker een paar jaar duren voordat het aankomt. Onder het nieuwe bedrijf Prime Planet Energy &Solutions, de nieuwe joint venture met Panasonic, werd verwacht dat het merk dit jaar zou presenteren op de Olympische Spelen in Tokio een elektrische auto aangedreven door batterijen met vast elektrolyt, maar door het coronavirus zullen we nog even moeten wachten!
Een nieuwe studie van MIT (Massachusetts Institute of Technology) werkt ook aan het ontwerp van een metalen anode gemaakt van puur lithium.
Proloog (Taiwanese batterijfabrikant) heeft begin dit jaar op CES (wereldpodium waar technologische innovaties worden gepresenteerd) een overeenkomst aangekondigd met verschillende autofabrikanten om de nieuwe hoogspannings-vastestofbatterijen met keramisch elektrolyt (gebaseerd op de MAB, Multi Axis BiPolar+ techniek) in hun elektrische auto's. Ondertussen, KITECH (The Korea Institute of Industrial Technology) wil ook met deze veelbelovende nieuwe technologie niet achterblijven.
Sommigen wijzen erop dat de toekomst van de solid-state batterij silicium zal gebruiken in plaats van glas, anderen dat het meest veelbelovend is om op natrium (zout) gebaseerd glas te gebruiken, omdat het een veel voorkomend materiaal op aarde is en een lage impact op het milieu heeft .
Hoewel zowel de methode als de implementatietijd van deze technologie enigszins onzeker is en moet worden uitgevoerd rekening houdend met criteria voor hergebruik en recycling en processen, is het duidelijk dat het een echte revolutie zal zijn en niet alleen in elektrische mobiliteit, maar in de hele elektronica-industrie.
Kun je je voorstellen dat privévervoer, zware scheepvaart, luchtvaart en zeegebied worden aangedreven door duurzame elektrische batterijen? Een definitief afscheid van de verbrandingsmotor en vervuiling. Een droom die uitkomt?
