Vaste elektrolyt: de sleutel tot de volgende generatie batterijen
Een vaste elektrolyt is het materiaal in een batterij dat lithium-ionen van de ene naar de andere elektrode laat stromen, zonder dat het zelf vloeibaar is. In een gewone lithium-ionbatterij, zoals die in een smartphone of elektrische auto, zit tussen de twee elektroden een vloeistof of gel die de ionen geleidt. Bij een batterij met vaste elektrolyt is die vloeistof vervangen door een vast materiaal: een keramiek, een glasachtige stof of een speciale kunststof.
Een goede vergelijking is die van een verkeersweg. De vloeibare elektrolyt is als een rivier waarover bootjes (de ionen) heen en weer varen: flexibel, maar ook brandbaar en kwetsbaar voor lekkage. Een vaste elektrolyt is meer als een vaste brug met rijstroken erin gegoten: minder flexibel om te bouwen, maar in principe stabieler en veiliger, omdat er niets kan lekken of vlam kan vatten. Batterijen die op dit principe zijn gebaseerd, worden vaak 'solid-state batterijen' genoemd en gelden als een van de meest besproken doorbraaktechnologieën voor elektrische auto's.
Wat is het precies?
In een klassieke lithium-ionbatterij bestaat de elektrolyt uit lithiumzouten opgelost in een vloeibaar oplosmiddel. Die vloeistof zorgt ervoor dat lithium-ionen zich makkelijk kunnen verplaatsen tussen de positieve elektrode (kathode) en de negatieve elektrode (anode) tijdens het laden en ontladen. Het probleem is dat dit oplosmiddel vaak brandbaar is en bij beschadiging, oververhitting of productiefouten kan leiden tot brand ('thermal runaway').
Bij een vaste elektrolyt wordt deze vloeistof vervangen door een vast materiaal dat toch geleidend genoeg is voor ionen. Er bestaan grofweg drie families. Oxide-gebaseerde elektrolyten, zoals het keramische materiaal LLZO (lithium-lanthaan-zirkoniumoxide), zijn chemisch stabiel maar broos en moeten bij hoge temperaturen worden gebakken (gesinterd) om goed te geleiden. Sulfide-gebaseerde elektrolyten geleiden ionen doorgaans het best en zijn zachter te verwerken, maar reageren bij contact met vocht tot waterstofsulfide (H2S), een giftig gas, wat strikte productieomstandigheden vereist. Polymeer-elektrolyten zijn flexibele kunststoffen die relatief goedkoop te maken zijn, maar geleiden bij kamertemperatuur meestal minder goed en werken beter bij verhoogde temperatuur.
Een tweede cruciale stap is het combineren van de vaste elektrolyt met een lithium-metalen anode in plaats van de gebruikelijke grafietanode. Omdat vaste elektrolyten in principe beter bestand zijn tegen de groei van lithium-'naaldjes' (dendrieten), maken ze het mogelijk om zuiver lithiummetaal als anode te gebruiken. Dat levert een hogere energiedichtheid op: meer rijbereik of gebruiksduur per kilogram batterij. In de praktijk blijkt dendrietvorming echter ook bij vaste elektrolyten nog altijd een lastig probleem, vooral bij hoge laadstromen.
Wat wil men ermee bereiken?
De belangrijkste belofte van vaste elektrolyten is een combinatie van drie dingen die bij vloeibare batterijen elkaar vaak tegenwerken: veiligheid, energiedichtheid en laadsnelheid. Omdat er geen brandbare vloeistof meer in zit, zou het risico op brand en thermal runaway sterk moeten afnemen. Omdat lithiummetaal als anode kan worden gebruikt, kan in theorie meer energie in hetzelfde gewicht en volume worden opgeslagen, wat elektrische auto's een groter rijbereik geeft zonder zwaarder te worden. En doordat het materiaal beter bestand zou zijn tegen snelle ionenstromen, hopen fabrikanten op aanzienlijk kortere oplaadtijden.
Voor de auto-industrie is dit vooral aantrekkelijk omdat batterijgewicht en laadtijd twee van de grootste resterende drempels zijn voor brede acceptatie van elektrische voertuigen. Voor consumentenelektronica en luchtvaart spelen vergelijkbare motieven: meer capaciteit in minder ruimte, met minder brandrisico. Het is belangrijk te benadrukken dat dit vooralsnog vooral beloften en doelstellingen zijn; niet elk voordeel is in de praktijk al op grote schaal bewezen.
Voorbeelden uit de praktijk
Toyota en Idemitsu Kosan kondigden in 2023 een samenwerking aan om sulfide-gebaseerde vaste elektrolyten te ontwikkelen en op te schalen voor productie. Toyota, dat al sinds de jaren 2010 patenten aanvraagt op dit gebied, mikt op commerciële toepassing in auto's rond 2027-2028, met claims over sterk kortere laadtijden en een groter rijbereik. Deze planning is door Toyota zelf meermaals bijgesteld en moet nog worden waargemaakt in productie op schaal.
QuantumScape, een Amerikaans bedrijf opgericht in 2010 als spin-off vanuit onderzoek aan Stanford University, ontwikkelt een keramische (oxide-gebaseerde) separator in combinatie met een lithiummetalen anode. Het bedrijf werd financieel gesteund door onder meer Volkswagen, dat via zijn batterijtak PowerCo testcellen van QuantumScape heeft geëvalueerd. QuantumScape ging in 2020 naar de beurs en heeft in de jaren daarna opeenvolgende testcelgeneraties (zogeheten 'sample' cellen) aan autofabrikanten geleverd, maar grootschalige serieproductie moet nog beginnen.
Samsung SDI presenteerde een proeflijn voor solid-state batterijen in Zuid-Korea en leverde vanaf 2023 testcellen aan autofabrikanten, met als doelstelling massaproductie rond 2027. Solid Power, een Amerikaans bedrijf met sulfide-technologie, werkte samen met BMW en Ford aan proefcellen; Ford heeft zijn directe betrokkenheid later afgebouwd, wat illustreert hoe onzeker de tijdlijnen in deze sector nog zijn. Het Taiwanese ProLogium ontwikkelt een 'lithium-keramische' batterij en werkte samen met Mercedes-Benz; het bedrijf kondigde plannen aan voor een fabriek in Frankrijk, al is de voortgang daarvan afhankelijk gebleken van financiering en marktomstandigheden. De Chinese batterijgigant CATL presenteerde in 2023 een 'condensed matter'-batterij, een tussenvorm die deels vloeibaar en deels vast is, en werkt daarnaast aan volledig vaste varianten met een langere tijdshorizon.
Hoe ver is de techniek?
Vaste elektrolyten zijn wetenschappelijk al decennia bekend, maar de stap van laboratoriumcel naar betaalbare massaproductie blijkt hardnekkig lastig. De meeste bedrijven bevinden zich in de fase van kleine testseries ('A-sample' of 'B-sample' cellen) die aan autofabrikanten worden geleverd voor evaluatie, niet in serieproductie voor consumenten.
Er zijn drie terugkerende technische obstakels. Ten eerste blijft dendrietvorming, het doorgroeien van lithiumnaaldjes die kortsluiting kunnen veroorzaken, ook bij vaste elektrolyten optreden, vooral langs korrelgrenzen in het materiaal en bij snel laden. Ten tweede is er het contactprobleem: twee vaste materialen sluiten van nature minder goed op elkaar aan dan een vloeistof op een vast oppervlak, wat leidt tot hoge weerstand op het grensvlak tussen elektrolyt en elektrode. Dit vereist vaak mechanische druk op de cel om goed contact te houden, wat de celontwerpen complexer en zwaarder maakt. Ten derde is opschalen naar fabrieksniveau duur: dunne, defectvrije lagen vaste elektrolyt produceren met consistente kwaliteit is technisch veeleisender dan het gieten van vloeibare elektrolyt.
Door deze obstakels zijn de meeste door de industrie genoemde commercialiseringsdata (doorgaans ergens tussen 2027 en 2030) in de afgelopen jaren al meerdere keren opgeschoven. Dat betekent niet dat de technologie niet vordert, maar wel dat voorzichtigheid bij tijdlijnen op zijn plaats is.
Wie werken eraan?
Japan speelt een voortrekkersrol: het ministerie van Economie, Handel en Industrie (METI) en onderzoeksorganisatie NEDO financieren al sinds ongeveer 2018 gezamenlijke onderzoeksprogramma's waarin Toyota, Panasonic, Honda en Nissan samenwerken. Zuid-Korea steunt vergelijkbaar onderzoek bij Samsung SDI, LG Energy Solution en SK On. In de Verenigde Staten financiert het ministerie van Energie (DOE), onder meer via nationale laboratoria zoals Argonne en Oak Ridge, fundamenteel onderzoek, terwijl private spelers als QuantumScape en Solid Power met beursgeld en autofabrikanten als investeerders verder ontwikkelen.
In Europa zet de Europese Unie via het Batterij-alliantie-initiatief en Horizon Europe-subsidies in op eigen productiecapaciteit, mede om afhankelijkheid van Aziatische batterijmakers te verminderen. Volkswagen en Mercedes-Benz zijn de belangrijkste Europese autofabrikanten die rechtstreeks investeren in solid-state-ontwikkelaars. China stimuleert via zijn ministerie van Industrie en Informatietechnologie (MIIT) en staatssteun eigen spelers als CATL en diverse universitaire onderzoeksgroepen, met een sterke focus op zowel auto- als vliegtuigtoepassingen.