Lithium-metaalbatterij: de volgende stap na lithium-ion?
Stel je voor dat de accu in je elektrische auto ineens een derde lichter kon zijn en toch verder kon rijden. Dat is de belofte van de lithium-metaalbatterij, een nieuwe generatie oplaadbare batterijen die op een cruciaal punt afwijkt van de lithium-ion batterijen die nu in vrijwel elke telefoon, laptop en elektrische auto zitten. Het verschil zit in de negatieve elektrode, de zogeheten anode: waar gewone lithium-ion batterijen daarvoor grafiet gebruiken (een vorm van koolstof), gebruikt de lithium-metaalbatterij puur lithiummetaal. Dat klinkt als een subtiele wijziging, maar het heeft grote gevolgen voor hoeveel energie er in dezelfde ruimte past.
Vergelijk het met een parkeergarage. Grafiet werkt als een parkeergarage vol lithium-ionen: de ionen rijden naar binnen en parkeren netjes tussen de koolstoflagen, maar de garage zelf neemt ook plaats en gewicht in beslag. Puur lithiummetaal is als een parkeerterrein zonder gebouw eromheen: er is geen 'garage' nodig, want het metaal zelf is de opslag. Daardoor kan een batterij met een lithium-metaalanode in theorie zo'n 40 tot 50 procent meer energie opslaan per kilo of per liter dan een vergelijkbare lithium-ion batterij. Voor elektrische auto's, drones en vliegtuigen betekent dat potentieel een veel grotere actieradius bij hetzelfde gewicht.
Wat is het precies?
Elke oplaadbare batterij werkt met twee elektroden: een positieve (de kathode) en een negatieve (de anode), gescheiden door een elektrolyt waar geladen deeltjes doorheen kunnen bewegen. Bij het opladen en ontladen bewegen lithium-ionen (lithiumatomen die een elektron zijn kwijtgeraakt) heen en weer tussen die twee elektroden.
In een gewone lithium-ion batterij worden die ionen tijdens het opladen 'opgeslagen' tussen lagen grafiet aan de anodekant. Dat proces heet intercalatie: de ionen schuiven tussen de koolstoflagen, zoals bladzijden in een boek. Grafiet is stabiel en veilig, maar het is in feite dood gewicht dat zelf geen energie levert.
Bij een lithium-metaalbatterij valt die grafietlaag weg. In plaats daarvan wordt er tijdens het opladen puur lithiummetaal afgezet op een dun laagje koper, en tijdens het ontladen lost dat metaal weer op tot ionen. Er is dus geen gastheermateriaal meer nodig: het lithium zelf is zowel de energiedrager als de opslagplaats.
Dat klinkt eenvoudiger, maar het brengt een lastig probleem met zich mee: dendrieten. Dit zijn naaldachtige uitgroeisels van lithiummetaal die kunnen ontstaan als het metaal tijdens het opladen ongelijkmatig wordt afgezet. Groeien die dendrieten door de scheidingslaag (de separator) heen, dan ontstaat kortsluiting tussen anode en kathode, met kans op ooververhitting en brand. Dit is de belangrijkste reden waarom lithium-metaalbatterijen nog niet in de gewone winkel liggen.
Om dendrieten te voorkomen combineren onderzoekers lithiummetaal vaak met een vaste elektrolyt in plaats van de vloeibare elektrolyt uit gewone lithium-ion batterijen. Zo'n vaste elektrolyt is een dun keramisch, polymeer- of sulfidemateriaal dat ionen doorlaat, maar mechanisch sterk genoeg is om dendrietgroei tegen te houden — ongeveer zoals een stevig hek een boomwortel niet kan stoppen, maar wel kan dwingen een andere richting op te groeien. Batterijen met deze combinatie worden vaak 'solid-state' of vast-hybride lithium-metaalbatterijen genoemd, al bestaan er ook varianten met verbeterde vloeibare elektrolyten.
Wat wil men ermee bereiken?
Het hoofddoel is simpel: meer energie in minder gewicht en minder ruimte, ofwel een hogere energiedichtheid. Voor elektrische auto's betekent dat een grotere actieradius zonder extra gewicht, of dezelfde actieradius met een kleinere, goedkopere batterij.
Daarnaast hopen ontwikkelaars op snellere oplaadtijden en een langere levensduur, omdat sommige vaste elektrolyten minder gevoelig zijn voor de slijtageprocessen die vloeibare elektrolyten teisteren. Veiligheid speelt ook mee: vaste elektrolyten zijn doorgaans niet brandbaar, in tegenstelling tot de vloeibare, organische elektrolyten in gewone lithium-ion batterijen.
Buiten de auto-industrie is er interesse vanuit de luchtvaart, waar gewicht direct doorwerkt in brandstofverbruik en vlieguren, en vanuit ruimtevaart en medische apparatuur, waar compacte, energiedichte stroombronnen waardevol zijn. Kortom: overal waar gewicht en volume kritiek zijn, is de belofte van de lithium-metaalbatterij aantrekkelijk.
Voorbeelden uit de praktijk
QuantumScape (Verenigde Staten), opgericht in 2010 en sinds 2020 beursgenoteerd, is een van de bekendste namen in dit veld. Het bedrijf ontwikkelt een vaste-oxide-elektrolyt in combinatie met een lithium-metaalanode en levert sinds 2023 testcellen aan autofabrikant Volkswagen, via diens batterijdochter PowerCo, voor evaluatie in het laboratorium.
Solid Power (Verenigde Staten), opgericht in 2011, werkt aan een sulfidegebaseerde vaste elektrolyt en heeft langlopende samenwerkingen met BMW en Ford om deze cellen te testen voor toekomstige elektrische modellen.
ProLogium (Taiwan) ontwikkelt een lithium-keramische batterij met een siliciumhoudende anode en werkte samen met Mercedes-Benz aan testtrajecten. In 2023 kondigde het bedrijf een fabriek in Duinkerke (Frankrijk) aan, al is de omvang van dat project later naar beneden bijgesteld door tegenvallende marktvraag.
SES AI, oorspronkelijk SolidEnergy Systems, een spin-off van het Amerikaanse MIT uit 2012, bouwt hybride lithium-metaalcellen met een deels vloeibare, deels vaste elektrolyt. Het bedrijf opende in 2023 een pilotfabriek in Shanghai, in samenwerking met onder meer General Motors en Hyundai.
CATL, 's werelds grootste batterijproducent, presenteerde in 2023 een 'condensed matter'-batterij met een zeer hoge energiedichtheid, bedoeld voor onder meer elektrische vliegtuigen. Het bedrijf noemt lithiummetaal-achtige technologie als onderdeel van deze ontwikkeling, al zijn niet alle technische details openbaar gemaakt.
Hoe ver is de techniek?
Lithium-metaalbatterijen met vloeibare elektrolyt bestaan al decennia in laboratoria, maar faalden altijd door dendrietvorming en een korte levensduur. De combinatie met vaste elektrolyten heeft dat probleem sterk verminderd, maar niet volledig opgelost.
De sector werkt met een systeem van 'samples' om voortgang te meten: A-samples zijn kleine testcellen die het basisconcept moeten bewijzen, B-samples zijn grotere cellen die dichter bij productiekwaliteit komen, en C-samples zijn vrijwel productierijp. De meeste grote spelers, waaronder QuantumScape en Solid Power, bevonden zich de afgelopen jaren in de B-samplefase: cellen worden getest door autofabrikanten, maar massaproductie voor consumenten is er nog niet.
Belangrijke obstakels blijven bestaan: de levensduur in laadcycli (hoe vaak je kunt op- en ontladen voordat de capaciteit te veel afneemt), de kostprijs van vaste elektrolyten, de productiesnelheid op fabrieksschaal, en het feit dat sommige vaste elektrolyten hoge druk of temperatuur nodig hebben om goed te functioneren — lastig in te bouwen in een compacte auto- of telefoonbatterij.
Autofabrikanten als Toyota, Volkswagen en BMW noemden de afgelopen jaren doorgaans een periode rond 2027-2030 voor de eerste commerciële toepassing in personenauto's, al zijn dergelijke tijdlijnen in de batterij-industrie herhaaldelijk opgeschoven. Voor kleinere toepassingen, zoals drones of medische apparatuur, kunnen eerste producten sneller op de markt komen, omdat de eisen aan levensduur en veiligheid daar minder streng zijn dan in een auto.
Wie werken eraan?
Naast de hierboven genoemde bedrijven QuantumScape, Solid Power, ProLogium en SES AI investeren ook gevestigde batterij- en autoconcerns fors in eigen onderzoek: Toyota, Samsung SDI, Panasonic, CATL en LG Energy Solution hebben allemaal interne programma's voor lithium-metaal- en aanverwante vaste-stofbatterijen.
Op onderzoeksgebied spelen universiteiten en nationale laboratoria een grote rol, waaronder het Amerikaanse Department of Energy via instituten als Argonne National Laboratory en Oak Ridge National Laboratory, en in Europa organisaties als het Duitse Fraunhofer-Institut en het Franse CEA. China investeert via staatsgesteund onderzoek eveneens fors in deze technologie, mede vanwege de strategische waarde van batterijtechnologie voor de elektrische-voertuigenindustrie.
Autofabrikanten fungeren vaak tegelijk als investeerder en testpartner: naast de eerdergenoemde samenwerkingen investeert bijvoorbeeld ook Hyundai in SES AI, en heeft Ford een belang in Solid Power. Deze nauwe banden tussen batterijontwikkelaars en autofabrikanten zijn typerend voor de sector: de technologie is te kapitaalintensief om zonder grote industriële partners tot productie te brengen.