Innovatie / Techniek: hoe werkt de vastestofbatterij (solid-state) ?

Wat is een vastestofbatterij?

Dit is een batterij met een vaste in de plaats van een vloeibare elektrolyt. Dat maakt ze minder temperatuurgevoelig en brandveiliger, en ze heeft ook een langere levensduur en kan sneller opgeladen worden dan de bestaande lithium-batterijen, die momenteel in hybrides en EV’s gebruikt worden. Er wordt algemeen aangenomen dat deze technologie de definitieve doorbraak kan betekenen van elektrisch rijden, maar ze verschijnt wellicht niet voor 2025 in gewone auto’s, en zal normaliter ook niet meteen goedkoper zijn.

Hoe werkt het?

Batterijen staan in het brandpunt van de overstap van fossiele naar hernieuwbare mobiliteit, en de technologie bepaalt mee het ritme daarvan. Cruciaal is dat elektrisch rijden qua gebruikskosten en gebruiksvriendelijkheid minstens even goed doet dan we gewend zijn van de bekende aandrijving op benzine en diesel.

Hoewel een rijbereik van 700 kilometer veel meer is dan de gemiddelde bestuurder dagelijks nodig heeft, lijkt het een psychologische barrière die doorbroken moet worden opdat EV’s als volwaardig bestempeld worden. Met een lihiumbatterij is dat onhaalbaar: je hebt er een zodanig groot batterijpakket voor nodig dat het qua prijs, formaat en gewicht niet past in een gewone auto. De industrie botst met de hendendaagse technologie dus op een limiet. Bovendien zijn er door de stijgende vraag problemen met de productiecapaciteit, wat de prijs van batterijcellen hoog houdt, ook al is ze dan stevig gedaald de afgelopen jaren.

Het gekke is dat de vastestofbatterijen op het eerste gezicht niet beter presteren dan de lithiums van vandaag. Om te vergelijken moet je naar de volumetrische energiedichtheid kijken, oftewel hoeveel energie (wattuur) een batterijcel kan opslaan in verhouding met zijn volume, uitgedrukt in liter. Simpel gezegd: zoveel mogelijk rijbereik in een zo klein mogelijke batterij is wat je zoekt. In beide gevallen gaat het om zo’n 800 wattuur per liter. Kijk je echter naar het grotere plaatje, dan zie je waar het voordeel zit.

Het probleem van de huidige lithiumbatterijen is dat ze gevoelig en instabiel zijn, en voor langdurig gebruik in een auto moet er heel wat veiligheidsmarge ingebouwd worden. Om de levensduur en de veiligheid te garanderen draaien ze maar op 60 tot 80 procent van hun volle potentieel. Dat betekent dus dat 20 tot 40 procent van de capaciteit niet dient om energie op te slaan, en dus eigenlijk een verspilling is van geld, gewicht en ruimte. Een vastestofbatterij kan echter zonder veiligheidsrisico veel dichter tegen haar oplaadlimiet gaan. Daarmee kan je dus ofwel een groter rijbereik halen, ofwel een lichtere en goedkopere batterij monteren om dezelfde actieradius te hebben als met een lithium-ion van vandaag.

Er rust dus veel hoop op haar schouders, al hoedt Dr. Andreas Hintennach, die bij Mercedes de batterijontwikkeling leidt, zich ervoor om van een heilige graal te spreken. ‘Het is niet magisch, maar het opent nieuwe deuren’, zo vertelde hij ons laatst. ‘In elk geval moet je naar het totale systeem kijken, niet enkel de cel.’ Hij heeft het over de randapparatuur van een batterij, zoals de stuurunit, de temperatuurhuishouding en de bekisting.

Aangezien lithiumbatterijen met vloeibare elektrolyt slechts ideaal presteren in een beperkt temperatuurbereik (kamertemperatuur is ideaal; onder de 10 en boven de 55 graden is het een heel stuk minder) heeft een batterijpakket bijvoorbeeld zijn eigen klimaatregeling. Omdat ze bovendien ontvlambaar zijn en dus goed beschermd moeten worden bij ongevallen, zitten ze ingebed in een stevige bekisting. Dat is een periferie die veel plaats inpalmt en een boel extra kilo’s op de balans zet. Met vastestofbatterijen kan dat allemaal een stuk bescheidener en kun je dus in een even groot en zwaar batterijpakket veel meer cellen kwijt, ook al omdat ze door hun stabiliteit compacter op elkaar gepropt kunnen worden.

Doordat ze stabieler zijn, is er ook minder nood aan precieze metingen en bijsturingen op celniveau. Om een idee te geven van hoeveel rekenkracht er nodig is om een hedendaagse lithiumbatterij te laten opereren met alle parameters die spelen: 3 tot 5 keer die van een PC. Dat betekent dat een EV vandaag veel en dure apparatuur aan boord heeft om de batterij optimaal te laten werken, met software die veel ontwikkeling vraagt, wat ook weer veel geld kost.

Voor alle terminologische duidelijkheid: ook een vastestofbatterij gebruikt lithium. Batterij-ontwikkeling is bovendien geen rechtlijnig pad, honderden fabrikanten, universiteiten en andere onderzoekcentra vorsen in alle mogelijke richtingen en gaan aan de slag met een heel gamma aan kathode- en anodematerialen. Dat hier uit de doeken doen, zou ons in afwachting van een doorbraak echter te ver leiden.

Wie gebruikt het?

Voorlopig niemand, momenteel is de consensus echter dat het iets voor 2025 zal worden. Mercedes levert dit jaar echter wel al enkele tientallen elektrische stadsbussen met vastestofbatterij in Duitsland. Toyota, dat momenteel nog geen EV aanbiedt, is zinnens dit jaar een prototype van een auto met zulke batterij voor te stellen. Productie is dan gepland tegen 2025, een tijdslijn die ook Volkswagen voor ogen houdt.

Het is een race tegen de tijd, want de beschikbaarheid en kostprijs van batterijen gaat het komende decennium centraal staan in het zakenmodel van de autosector. In de tussentijd wordt wel hoop gevestigd op zogenaamde ‘slimme cellen’, uitgerust met microsensoren en een betere sturing op maat. Daarmee kan het potentieel van de bestaande lithiumcellen met vloeibare elektrolyt beter benut worden. Elke percent telt.