All-solid-state batterij: de vaste-stof accu die elektrisch rijden moet veranderen
Een all-solid-state batterij is een type oplaadbare batterij waarin de vloeistof die normaal de stroom geleidt, is vervangen door een vast materiaal. In een gewone lithium-ionbatterij, zoals die in de meeste elektrische auto's en telefoons zit, zwemmen lithium-ionen heen en weer tussen de twee elektroden door een vloeibare, vaak brandbare elektrolyt. Bij een all-solid-state batterij gebeurt datzelfde transport door een dun laagje vaste stof: een soort keramiek, glas of stevige polymeerfolie.
Een handige vergelijking: stel je een gewone batterij voor als een zwembad vol brandbare vloeistof waarin de elektroden liggen te weken. Vervang die vloeistof door een dun, stevig plaatje waar de ionen toch doorheen kunnen bewegen, en je hebt in essentie een all-solid-state batterij. Omdat er geen vloeistof meer hoeft te lekken of te verdampen, kan de batterij compacter, veiliger en potentieel energierijker worden gebouwd. Het is dezelfde chemische familie als de batterij in je smartphone, maar dan met een fundamenteel andere "binnenkant".
Wat is het precies?
Elke batterij bestaat uit drie hoofdonderdelen: een positieve elektrode (kathode), een negatieve elektrode (anode) en een elektrolyt daartussenin. De elektrolyt geleidt de ionen, maar moet de elektronen tegenhouden zodat die via de buitenkant van het apparaat lopen — dat is precies wat elektrische stroom oplevert.
In gangbare lithium-ionbatterijen is die elektrolyt een vloeibare oplossing van lithiumzouten. Vloeistoffen geleiden ionen van nature goed, maar ze zijn ook brandbaar en kunnen bij beschadiging lekken. Bij een all-solid-state batterij wordt deze vloeistof vervangen door een vaste ionengeleider. Onderzoekers experimenteren voornamelijk met drie families materialen: sulfide-elektrolyten (goede geleiding, maar gevoelig voor vocht en kunnen bij blootstelling aan water het giftige gas waterstofsulfide vormen), oxide- of "granaat"-elektrolyten zoals LLZO (lithium-lanthaan-zirkoonoxide, stabiel maar bros als glas) en polymeer-elektrolyten (flexibel en makkelijker te verwerken, maar geleiden bij kamertemperatuur minder goed).
Een vaste elektrolyt maakt het bovendien mogelijk om een anode van puur lithiummetaal te gebruiken in plaats van de grafietanode uit gewone accu's. Lithiummetaal kan veel meer energie per kilo opslaan, maar in een vloeibare batterij vormt dit al snel gevaarlijke naaldvormige uitgroeisels, dendrieten genoemd, die de batterij kunnen kortsluiten. Een goede vaste elektrolyt moet deze dendrieten tegenhouden — in de praktijk lukt dat nog niet altijd volledig.
Wat wil men ermee bereiken?
De belofte van all-solid-state batterijen draait om drie dingen: meer energie, meer veiligheid en snellere laadtijden. Omdat de vaste elektrolyt dunner kan zijn dan een vloeibare elektrolytlaag en omdat lithiummetaal-anodes meer energie bevatten dan grafiet, passen fabrikanten meer capaciteit in dezelfde ruimte. Dat betekent in theorie een grotere actieradius voor elektrische auto's zonder dat de accu zwaarder of groter wordt.
Veiligheid is de tweede drijfveer. Vloeibare elektrolyten zijn brandbaar; bij beschadiging of oververhitting kan een lithium-ionaccu in brand vliegen ("thermal runaway"). Een vaste elektrolyt is niet ontvlambaar op dezelfde manier, wat batterijpakketten in theorie veiliger maakt en mogelijk minder zware beschermingssystemen nodig maakt.
Tot slot hopen fabrikanten op snellere laadtijden en een langere levensduur, omdat vaste elektrolyten minder snel afbreken door herhaalde chemische bijreacties die in vloeibare systemen optreden. Dit zijn echter doelen en ambities; niet elk voordeel is in de praktijk al bewezen op grote schaal, en er is nog geen consensus over hoeveel winst haalbaar is zodra deze batterijen daadwerkelijk in massaproductie gaan.
Voorbeelden uit de praktijk
Toyota geldt al jaren als koploper qua patenten op dit gebied en werkt samen met partners als Panasonic (via het gezamenlijke bedrijf Prime Planet Energy & Solutions) en de olie- en chemieonderneming Idemitsu Kosan, die sulfide-elektrolyt levert. Toyota heeft herhaaldelijk ambitieuze doelen aangekondigd, waaronder een actieradius tot ongeveer 1.200 kilometer en een laadtijd van rond de tien minuten, met een beoogde praktijktoepassing rond 2027-2028. Het is goed om te weten dat Toyota dit soort deadlines al sinds het begin van de jaren 2010 meerdere keren heeft bijgesteld.
QuantumScape, een Amerikaans bedrijf waarin Volkswagen een grote aandeelhouder is, ontwikkelt een lithiummetaal-cel met een keramische scheidingslaag. Het bedrijf verstuurde vanaf 2023 zogeheten "B-sample"-cellen naar autofabrikanten voor tests, een stap richting mogelijke commercialisering, maar grootschalige productie was eind 2024 nog niet gestart.
Samsung SDI in Zuid-Korea zette een proeflijn op, intern bekend als de "S-Line", om kleine hoeveelheden solid-state cellen te produceren voor validatie door autofabrikanten, met massaproductie op de planning voor rond 2027.
Nissan kondigde een proeffabriek aan in Yokohama, Japan, met als doel solid-state batterijen rond 2028 in productiemodellen te introduceren.
Het Taiwanese bedrijf ProLogium, dat samenwerkt met Mercedes-Benz, plande een grote fabriek in Duinkerke (Frankrijk). Berichten uit 2024 wezen op vertraging van dit project, mede door onzekerheid rond Franse staatssteun — een voorbeeld van hoe ambitieuze fabrieksplannen in deze sector nog geregeld tegenslag ondervinden.
Hoe ver is de techniek?
All-solid-state batterijen bevinden zich in de fase tussen laboratoriumonderzoek en industriële opschaling. Er zijn wereldwijd al werkende prototypecellen en zelfs kleine proeflijnen, maar echte massaproductie voor consumentenauto's is er nog nergens. De meeste serieuze spelers noemen doelen tussen 2027 en 2030 voor de eerste toepassing in productieauto's, vaak eerst in dure of premium modellen voordat de techniek betaalbaarder wordt.
De grootste obstakels zijn technisch én industrieel van aard. Aan de materiaalkant blijft het lastig om een goed, stabiel contact tussen de vaste elektrolyt en de elektroden te behouden: bij het laden en ontladen zetten materialen lichtjes uit en krimpen ze weer, en bij een vaste stof leidt dat tot scheurtjes of loslatende lagen — iets waar een vloeistof zich juist makkelijk aan aanpast. Deze zogeheten interface-weerstand kan de prestaties flink beperken, vooral bij lage temperaturen. Dendrietvorming is bij lithiummetaal-anodes ook nog niet volledig opgelost.
Aan de productiekant is het een uitdaging om dunne, foutloze vaste-elektrolytlagen op grote schaal en tegen acceptabele kosten te maken, met name voor sulfide-elektrolyten die extreem droge productieomgevingen vereisen vanwege hun gevoeligheid voor vocht. Kosten liggen daardoor vooralsnog aanzienlijk hoger dan bij gangbare lithium-ionbatterijen. Sommige industrieleiders, waaronder vertegenwoordigers van het Chinese CATL, hebben in interviews openlijk twijfels geuit over hoe snel volledige (in plaats van gedeeltelijke, "semi-solid") solid-state batterijen daadwerkelijk betaalbaar op grote schaal geproduceerd kunnen worden.
Wie werken eraan?
Japan speelt een voortrekkersrol, met Toyota, Panasonic en Nissan, gesteund door overheidsprogramma's zoals die van NEDO (de Japanse organisatie voor nieuwe energie- en industrietechnologie). Zuid-Korea investeert zwaar via Samsung SDI, LG Energy Solution en SK On. China zet fors in via CATL en met actieve steun van de Chinese overheid, die batterijtechnologie als strategische sector beschouwt.
In de Verenigde Staten zijn QuantumScape en Solid Power (dat samenwerkt met BMW en eerder ook met Ford) de bekendste namen, mede gesteund door onderzoek van het Amerikaanse ministerie van Energie en nationale laboratoria zoals Oak Ridge National Laboratory, dat al decennialang fundamenteel werk verricht aan dunne-film vaste elektrolyten. In Europa combineren bedrijven als het Taiwanees-Franse ProLogium en autofabrikanten als Mercedes-Benz en Volkswagen (via zijn belang in QuantumScape) industriële ambities met academisch onderzoek, onder meer bij het Karlsruhe Institute of Technology en het Fraunhofer-instituut in Duitsland. Ook Japanse universiteiten, zoals het Tokyo Institute of Technology waar onderzoekers al langer werken aan zogeheten superionische geleiders, blijven belangrijk fundamenteel werk leveren.