Brengt de vastestofbatterij het elektrisch rijden in een stroomversnelling?

Jaarlijks wordt op 18 februari een eerbetoon gebracht aan de batterij en haar Italiaanse uitvinder Alessandro Volta (1745-1827). Anno 2020 schakelt de ontwikkeling van batterijen – letterlijk én figuurlijk – een versnelling hoger. Door de verwachte doorbraak van elektrische voertuigen zullen er immers nog hogere eisen aan batterijen gesteld worden.

De interesse voor elektrische wagens groeit – niet in het minst omdat de autonomie ervan stevig in de lift zit. Om elektrische auto’s echt te laten doorbreken, zal het rijbereik ervan echter minstens even groot moeten zijn als de autonomie van een wagen met interne verbrandingsmotor. 

Vandaag hebben de beste lithium-ion batterijcellen – met een vloeibaar elektrolyt – een energiedichtheid van iets meer dan 700 Wattuur per liter (Wh/l). Met zo’n batterijcellen heeft een elektrische wagen in theorie een autonomie van ongeveer 500 kilometer. Die technologie botst echter stilaan op zijn limieten: de maximale performantie ervan wordt immers geschat op ongeveer 800 Wh/l (als gevolg van de limitaties van de gebruikte materialen).

Vastestofbatterijen, die een vast (in plaats van een vloeibaar) elektrolyt bevatten, hebben het potentieel om beter te doen. In combinatie met nieuwe ontwikkelingen op het vlak van batterijpakketten en -modules kunnen elektrische wagens zo een veel groter rijbereik halen.

Het maximale rijbereik van een elektrische wagen wordt bepaald door de beschikbare energie van de individuele lithium-ion batterijcellen in de batterij; cellen die in serie en parallel geschakeld worden om de hoge stromen en spanningen te kunnen opwekken die nodig zijn voor het aandrijven van de elektrische motor.

Concreet: om een autonomie van 700 kilometer mogelijk te maken, hebben we cellen nodig met een energiedichtheid van 1000 Wh/l (of 500 Wh/kg). Vermits de huidige lithium-ion cellen ‘slechts’ een energiedichtheid hebben van 700 Wh/l (of 230 Wh/kg), moet die densiteit dus drastisch omhoog.

Zoals uitgestippeld in de zogenaamde ‘battery roadmaps’ zullen cellen van 1000 Wh/L naar verwachting beschikbaar zijn tegen 2030 – dankzij de ontwikkeling van vastestof lithium-metaalbatterijen. Maar voor we naar het potentieel van vastestofbatterijen kijken, moeten we zeker ook even blijven stilstaan bij een alternatief scenario om (sneller) een hoge(re) energieopbrengst uit het batterijpakket van een elektrische auto te halen. Dat scenario maakt gebruik van ‘slimme’ batterijcellen.

De batterijmodule van een auto bevat naast de vele individuele cellen in het batterijpakket ook elektronica en sensoren om het batterijgebruik te sturen. Om bijvoorbeeld een lange(re) levensduur te garanderen, zal het batterijbeheersysteem te allen tijde slechts een deel van de energie van de cellen gebruiken – om zo schade aan de elektrodechemie te vermijden.

Met andere woorden: de energie die je kan gebruiken om werkelijk te rijden, is misschien slechts 60 tot 80 procent van wat je meedraagt aan batterijcellen (afhankelijk van het type wagen).

Met behulp van ‘slimme’ batterijcellen – die over microsensoren beschikken die voortdurend de status van die cellen monitoren – zou het energiebeheer van batterijen echter aanzienlijk verbeterd kunnen worden; met op zijn beurt een positieve impact op het rijbereik van elektrische voertuigen.

Binnen EnergyVille – dat de onderzoeksinstellingen KU Leuven, VITO, imec en UHasselt verenigt in het onderzoek naar duurzame energie en intelligente energiesystemen – wordt momenteel aan dergelijke slimme cellen gewerkt. Een eerste prototype wordt in de loop van de volgende jaren verwacht.

De eerste elektrische auto’s voorzien van vastestofbatterijen worden verwacht op de markt te komen ergens in het midden van dit decennium. Toyota, bijvoorbeeld, zal tijdens de Olympische Spelen in Tokio een prototype voorstellen.

Toch zal ook deze technologie een evolutie moeten doormaken: de eerste generatie vastestof lithium-ion batterijcellen zal immers geen hogere energiedichtheid hebben dan het equivalent met een vloeibaar elektrolyt, omdat zij gebaseerd zijn op gelijkaardige actieve elektrodematerialen.

Waarom dan überhaupt vastestofbatterijen ontwikkelen, zou je denken? Wel, vastestofbatterijen laten onder meer toe om cellen op een meer compacte manier in het batterijpakket te stapelen – waardoor er simpelweg plaats is voor meer batterijcellen.

Bovendien zijn vastestofbatterijen veiliger. Er is dus minder elektronica nodig voor metingen in de periferie van de batterijmodule. En tenslotte heeft de vastestofbatterij een grotere spanningsmarge doordat het risico op beschadiging van de cel bij laden of ontladen veel lager ligt. Dat laat toe om een groter deel van de celenergie effectief te gaan gebruiken.

Dankzij al die factoren zal de hoeveelheid energie in het batterijpakket van vastestofbatterijen hoger zijn, zelfs als de energiedichtheid van de eerste generatie(s) vastestof lithium-ion batterijcellen gelijk is aan – of zelfs iets lager ligt dan – de energiedichtheid van natte lithium-ion cellen.

Zoals gezegd, zal het louter vervangen van een vloeibaar elektrolyt in een lithium-ionbatterij door een vastestofelektrolyt niet leiden tot een verhoging van de energiedichtheid. Integendeel zelfs: anorganische vastestofelektrolyten in poedervorm nemen meestal meer ruimte in beslag – en wegen meer – dan hun vloeibare variant.

De echte meerwaarde zit hem in het feit dat sommige vastestofelektrolyten ook bij heel hoge spanningen stabiel blijven, in tegenstelling tot de huidige vloeibare elektrolyten. Dat betekent dan weer dat kathodematerialen met een hogere intrinsieke spanning gebruikt kunnen worden – wat voor een hogere celspanning en celenergie zorgt, op voorwaarde dat de lithium-ion opslagcapaciteit dezelfde blijft.

Om de magische grens van 1000 Wh/l te doorbreken, moeten we specifiek in de richting kijken van vastestoflithium-metaalbatterijcellen waarbij lithium-metaal als anode wordt gebruikt. Anodes van lithium-metaal hebben immers de hoogst mogelijke energiedichtheid.

Het gebruik van lithium-metaal werkte tot nog toe niet, omdat bij het opladen van de batterij naaldjes (of dendrieten) van lithium-metaal gevormd kunnen worden. Deze kunnen binnen in de batterijcel kortsluiting geven, met een spontane en snelle ontlading van de batterijcel tot gevolg – waardoor de cel heel snel opwarmt en het vloeibare elektrolyt mogelijk kan ontbranden. Daarom wordt grafiet gebruikt als anode in de natte lithium-ionbatterij. Dat grafiet een veilige oplossing biedt voor de lithium-ionbatterij werd trouwens ontdekt door Akira Yoshino, een van de Nobelprijswinnaars voor Scheikunde vorig jaar. Zijn uitvinding was de laatste stap die nodig was voor de commercialisering van lithium-ionbatterij begin jaren 90.

Een andere uitdaging bleek het vinden van vastestofelektrolyten met voldoende hoge ionische geleiding. Die ionische geleiding geeft de snelheid aan waarmee ionen door de elektrolyt bewegen: hoe hoger de ionische geleidbaarheid, hoe sneller een batterij opgeladen kan worden en hoe hoger het vermogen dat de batterij kan leveren. Onder meer op dat vlak heeft onderzoekscentrum imec de afgelopen jaren baanbrekend werk verricht – met de ontwikkeling van een ‘nanocomposiet elektrolyt’.

Nu er verscheidene werkende vastestofelektrolyten gekend zijn, is het onderzoek de laatste vijf jaar verschoven naar de volgende stap in de ontwikkeling van vastestofbatterijen, namelijk de assemblage van cellen en de integratie van alle componenten in een werkende cel; een onderzoeksdomein waarin ook EnergyVille een belangrijke rol speelt. Imec heeft voor deze ontwikkelingen een speciaal dunne-film platform ontwikkeld waar specifiek naar de fasegrenzen gekeken kan worden. Problemen vormen zich immers meestal aan het grensvlak tussen twee materialen. Door het deponeren van nanometer-dunne filmen aan deze fasegrenzen kan de weerstand voor ionen en elektronen aanzienlijk verbeterd worden 

Met andere woorden: er is nog volop werk aan de winkel, maar het ziet ernaar uit dat vastestofbatterijen ons binnenkort zullen toelaten om vlot en veilig op vakantie te gaan met onze elektrische wagen.  

Dit artikel verscheen eerder als Expert Talk op de EnergyVille blog en werd bewerkt door Wim Van Daele van de imec wetenschapsredactie.