Solid state batterijen? Dat zijn batterijen zonder vloeistof of gels, zoals gebruikelijk in de standaard huidige batterijen voor auto's en thuisbatterijen.
Solid state batterijen ontwikkelen zich in rap tempo en kunnen een echte “gamechanger” zijn als het gaat om opslaan van energie.
Sneller, veiliger en efficiënter.
Maar waarom zijn ze sneller, efficiënter en veiliger? Wat brengt de toekomst voor deze veelbelovende technologie? We praten je even bij.
Heel simpel uitgelegd.
Stel je een traditionele batterij voor als een sandwich, waarbij je twee plakjes brood hebt (de elektroden) en daartussenin zit jam of pindakaas (de vloeibare elektrolyt). Wanneer de batterij energie levert of oplaadt, bewegen er kleine deeltjes (ionen) door die jam of pindakaas van het ene plakje brood naar het andere.
Nu, bij een solid-state accu, vervang je die jam of pindakaas door een stevige plak kaas (dit is de vaste elektrolyt). Die stevige plak kaas laat nog steeds de kleine deeltjes (ionen) door, maar doet dit op een manier die veiliger en efficiënter kan zijn dan de jam of pindakaas in traditionele batterijen.
Dus, in essentie: in plaats van vloeistoffen die ionen laten bewegen in een traditionele batterij, gebruikt een solid-state accu vaste materialen om hetzelfde te doen.
Een solid-state accu is een type elektrochemische energieopslageenheid waarbij zowel de anode, kathode als elektrolyt solide materialen zijn.
In tegenstelling tot conventionele lithium-ion batterijen, waar de elektrolyt een vloeibare of gelachtige substantie is, wordt in solid-state accu's een vaste elektrolyt gebruikt.
Basisprincipe:
Net als bij andere batterijtechnologieën, functioneren solid-state accu's door het faciliteren van ionentransport tussen de anode en kathode tijdens laad- en ontlaadcycli.
Het primaire mechanisme hierachter is de beweging van lithium-ionen tussen de elektroden door de solide elektrolyt, die dient als een ionengeleider.
Elektrolyt:
De vaste elektrolyt in een solid-state batterij fungeert als zowel een separator als een ionische geleider.
Het voorkomt direct elektrisch contact tussen de anode en kathode (wat kortsluiting zou veroorzaken), terwijl het tegelijkertijd lithium-ionen toestaat zich tussen de elektroden te verplaatsen.
Veel gebruikte materialen voor vaste elektrolyten zijn onder andere sulfiden zoals lithiumfosforsulfide (Li10GeP2S12) en oxiden zoals lithium lanthanum zirkoniumoxide (LLZO).
Laad- en ontlaadproces:
Tijdens het opladen verplaatsen lithium-ionen zich van de kathode, door de solide elektrolyt, naar de anode. Hierbij wordt lithium afgezet op de anode.
Tijdens het ontladen bewegen de lithium-ionen zich in de tegenovergestelde richting, van de anode naar de kathode, waarbij elektronen vrijkomen die door een extern circuit stromen, waardoor elektrische energie wordt geleverd aan een apparaat.
Voordelen:
Dankzij de afwezigheid van vloeibare componenten hebben solid-state batterijen een aantal inherente voordelen, zoals verminderde veiligheidsrisico's, potentieel hogere energiedichtheden en langere levensduur.
Uitdagingen:
Ondanks de voordelen zijn er technologische uitdagingen die moeten worden aangepakt voordat solid-state accu's grootschalig commercieel levensvatbaar zijn.
Enkele van deze uitdagingen zijn: het waarborgen van een duurzaam elektrolyt-elektrode contact, het beheersen van uitzettingsproblemen tijdens het laden en ontladen, en het vinden van een geschikte productiemethode die zowel schaalbaar als kosteneffectief is.
Onderzoekers aan de University of New South Wales, in samenwerking met de Yokohama National University, hebben een 300mAh solid-stateaccu ontwikkeld die na honderden oplaadcycli niet minder is geworden qua prestaties. Dit is een zeer knappe prestatie gezien het feit dat eerdere solid-state accu's gevoelig waren voor het snel minder worden van capaciteit.
In ons eigen land werkt de startup LionVolt aan een solid-state batterij die de vloeibare stoffen in traditionele batterijen vervangt door een vaste stof. Deze technologie zou elektrische auto's duizenden kilometers op één lading kunnen laten rijden. Niet slecht.
Toyota, een gigant in de auto-industrie, heeft een grote doorbraak in solid-state technologie aangekondigd en plant in 2025 de eerste elektrische auto’s met solid-state accu te lanceren.
De evolutie van solid-state accu's is zonder twijfel een spannende ontwikkeling in de wereld van energieopslag. Terwijl we meer doorbraken zien van zowel academische instellingen als bedrijven, komt de belofte van een efficiëntere, veiligere en snellere batterijtechnologie dichterbij.
Als deze technologieën commercieel levensvatbaar worden, zouden ze de manier waarop we denken over energieopslag en -verbruik radicaal kunnen veranderen.
De toekomst voor solid-state accu's ziet er in ieder geval zonnig uit.
Deze trotse en sportieve Groninger heeft verregaande interesse in duurzaamheid, energie en domotica. Hij is mede-eigenaar van B2Design en maakt shuffleboards met de drie broers van Tafelsmaak.