- De solid state-batterij belooft grote veranderingen voor elektrische auto’s, zoals grotere actieradius en korte laadtijden.
- De batterijtechnologie zou zo langzamerhand in massaproductie moeten gaan, maar dat lijkt in de praktijk nog verre van mogelijk.
- Inmiddels wordt de baanbrekende batterij pas na 2025 verwacht.
- Lees ook: Supersnel laden en een grotere actieradius voor elektrische auto komen eraan, dankzij een revolutionaire aanpassing van een ‘saai’ onderdeel van de auto – zo werkt het
De solid state-batterij heeft de reputatie van een heilige graal voor elektrische auto’s. Het zou de oplossing zijn voor alle nadelen die bij elektrisch rijden komen kijken. De nieuwe technologie kan er in theorie rvoor zorgen dat het accupakket van een elektrische auto sneller opgeladen kan worden, een hogere energiedichtheid heeft en bovendien veiliger en lichter is.
Met andere woorden: het is een batterij die je binnen enkele minuten kunt opladen, waar je verder mee komt op een volle lading en die niet zomaar in de brand vliegt.
De solid state-batterij is al jaren in ontwikkeling en had volgens eerdere prognoses al op markt moeten zijn. Onlangs doken weer berichten op waarin werd gesteld dat onder meer Toyota en Nio nu toch echt staan te trappelen om de auto’s met solid state-batterijen te gaan leveren. Toch blijken er nog steeds serieuze obstakels te zijn.
Twee jaar geleden hadden onderzoekers en fabrikanten het idee dat we in 2025 de eerste solid state-batterijen in massaproductie zouden hebben. Maar dat lijkt inmiddels niet meer haalbaar. Er zitten nog te veel haken en ogen aan de technologie om deze op te schalen.
Het nieuws dat Toyota klaar is voor solid state, houdt eigenlijk in dat de Japanse autofabrikant werkt aan een oplossing om massaproductie mogelijk te maken. Ook het Chinese automerk Nio is erg vaag over de status van zijn solid state-batterij en de timing van de marktintroductie. Bij Nio lijkt het eerder te gaan om een semi-solid batterij, waarbij een gedeelte van de samenstelling nog steeds een vloeibare elektrolyt vereist.
BMW is wel duidelijk. Hoofd batterijcelontwikkeling Martin Schuster van BMW zegt tegen Business Insider dat de autofabrikant vóór 2025 zeker geen solid state-batterijen verwacht.
Schuster gaat nog een stap verder en stelt dat het nog geen zin heeft om over de levensduur en mogelijkheden van solid state-technologie na te denken, want de basis is nog niet op orde. De batterijen kunnen vanwege fundamentele problemen nog niet op schaal worden geproduceerd.
Dit betekent overigens niet dat BMW stilzit. De Duitse autofabrikant gaat een eigen productielijn voor nieuwe batterijtechnologie in Parsdorf bouwen. Niet om daadwerkelijk solid state-batterijen te produceren, maar om te zien wat er wel en niet kan. Het idee is om gaandeweg te leren, te ontdekken en hopelijk uit te komen op niet alleen een productieklare solid state-batterij, maar ook een bijpassend productieproces.
Waarom de massaproductie van de solid state-batterij nog niet mogelijk is
Mogelijk weet je al dat het maken van een solid state-batterij een proces is waarbij zeer hoge temperaturen en een hoge luchtdruk nodig zijn. Afhankelijk van de samenstelling van de batterij en de productiemethode kan de benodigde luchtdruk oplopen tot meer dan 5.000 bar en zijn temperaturen van meer dan 200 graden Celsius nodig. Hierdoor lopen de energiekosten voor de productie al snel op, wat de batterij te duur maakt voor gebruik in consumentenartikelen.
Daarnaast zijn de foutmarges in het productieproces zeer klein. De separator in een solid state-batterij moet foutloos geproduceerd worden. Een klein gaatje of hobbeltje kan ervoor zorgen dat de accu sneller capaciteit verliest of zelfs eerder stuk gaat. Het blijkt vooralsnog een flinke uitdaging om aan de kwaliteitseisen te voldoen in een kleinschalige testomgeving en dat maakt het lastig om processen op te schalen.
Ook is het nog niet helemaal duidelijk wat de ideale samenstelling de solid state-batterij is. Daarmee is het eigenlijk nog te vroeg om een echte productielijn in te richten.
De solid state-batterij is nog niet geschikt voor gebruik in elektrische auto’s
Naast het productieproces zelf zijn er nog specifieke uitdagingen voor het gebruik van de solid state-batterij in elektrische auto’s. Dat geldt zelfs voor de solid state-batterij van het bedrijf QuantumScape, een van de koplopers op het gebied van de nieuwe technologie.
In het laatste kwartaalrapport van QuantumScape meldt het bedrijf trots dat het nieuwste model tot wel 800 volledige laadcycli heeft gehaald, waarbij het laadvermogen niet onder de 95 procent daalde. Een indrukwekkende ontwikkeling, maar dit gebeurde onder een atmosferische druk van 3,4 bar en bij twee tot drie keer langzamere laadtijden dan de norm.
Ter vergelijking, een lithium-ion batterij wordt nu geproduceerd met een levensduur van minimaal 1.000 laadcycli waarbij hij tot maximaal 20 procent aan laadvermogen mag verliezen. Het verlies aan laadvermogen is in de praktijk vaak vele malen lager. Tesla schermt zelfs met een levensduur van 1.500 laadcycli.
Onderzoek wijst uit dat de levensduur van de huidige lithium-ion batterijen bij normaal gebruik ongeveer neerkomt op 20 tot 22 jaar laden en ontladen. Hierbij gaat het niet om volledige laadcycli, want die zou je in de praktijk amper uitvoeren. De onderzoekers gingen dan ook uit van een minimaal aantal volledige cycli en een veel groter deel van laadsessies waarbij het accupakket gedeeltelijk geladen werd.
Maar zelfs als we deze vergelijking buiten beschouwing laten, daalt levensduur van solid state-batterij onder normale luchtdrukdruk aanzienlijk sneller. Volgens de gegevens van QuantumScape gaan 800 volledige laadcycli dan gepaard met meer dan 10 procent vermindering van het laadvermogen. Ook geeft het bedrijf aan dat het nog stappen te maken heeft op het gebied van de stabiliteit van de batterijen die in ontwikkeling zijn.
De solid state-batterij ademt
Nog een probleem van de solid state-batterij waar nog geen echte oplossing voor is: de cellen 'ademen'. Niet letterlijk natuurlijk, maar de batterijcellen zetten uit en krimpen tijdens het op- en ontladen. Hoe dat werkt, kun je goed zin in onderstaande video.
Het ademen maakt het inbouwen in een accupakket een uitdaging. Je kunt de cellen niet simpelweg tegen elkaar aan zetten, want als ze dan uitzetten, drukken ze elkaar kapot. Bouw je de batterijcellen in als ze op hun dikst zijn, dan loop je tegen het probleem aan dat je bij het krimpen structurele rigiditeit verliest in het accupakket, en dus in de gehele auto.
Gelukkig lijkt dit probleem relatief simpel op te lossen met een passende behuizing per cel. Al kan dit pas ontworpen worden als duidelijk is hoe het uitzetten en krimpen van de batterijcellen in een productiemodel in z'n werk gaat.
En dan hebben we het nog niet eens over het materiaalverbruik van de solid state-batterij gehad. Daar zit ook nog een punt van aandacht, want hij vereist nagenoeg de dubbele hoeveelheid aan lithium als een vergelijkbare natte accu. En laat lithium nu net een vrij kostbare en schaarse grondstof zijn waar de komende jaren nog flinke tekorten voor verwacht worden.
Klassieke lithium-ion batterij wordt ook beter
Pas als bovengenoemde praktische problemen zijn opgelost en de massaproductie kan beginnen, gaat het kostenplaatje van solid state-batterijen omlaag en worden ze interessant voor grootschalig gebruik in elektrische auto’s. Maar zelfs dan is nog niet gezegd de dit de nieuwe standaard wordt
De ontwikkelingen op het gebied van de lithium-ion batterij die we nu in elektrische auto’s tegenkomen, staan ook niet stil. De energiedichtheid neemt nog steeds toe doordat fabrikanten verbeteringen doorvoeren in de chemische samenstelling. Daarbij wordt de productie ervan ook verder geoptimaliseerd (dit is de hoofdreden voor BMW om een speciaal Cell Manufacturing Compentence Center te bouwen in Parsdorf). Prijstechnisch worden lithium-ion batterijen de komende vijf jaar naar verwachting dan ook aantrekkelijker.
Aan de andere kant zien veel westerse autofabrikanten de solid state-batterij niet alleen als een technische vooruitgang, maar ook als een middel om de afhankelijkheid van China verder te beperken. De nieuwe batterijtechnologie is overal ter wereld nog in ontwikkeling zonder dat China hier een overduidelijke voorsprong heeft. Het maakt dat iedere fabrikant zijn eigen model, productie en fabrieken kan bouwen zonder dat daar tussenkomst van China bij nodig is.
Hoe zit het dan met de toekomst van de solid state batterij? Een definitief antwoord is er nog niet. Of zoals Schuster van BMW het zegt: "We moeten tot een stabiel proces komen waarbij deze technologie gebruikt kan worden in massa- en serieproductie. Op dat punt zijn we nog niet. Daarom doen we onderzoek en misschien wordt dit tegen het einde van dit decennium een realistische optie."
