Een solid-state batterij is een batterij waarvan alle componenten vast zijn, in tegenstelling tot conventionele oplaadbare batterijen , zoals lithium-ionbatterijen, die metalen elektroden (kathode en anode) gebruiken die gescheiden zijn door een vloeibare elektrolyt. Solid-state batterijen gebruiken daarentegen een vaste elektrolyt.
Er wordt verwacht dat vaste elektrolyten de ontwikkeling van batterijen met een grotere capaciteit en een hoger vermogen dan lithium-ionbatterijen mogelijk zullen maken. Bovendien biedt de overstap naar vaste elektrolyten veiligheidsvoordelen ten opzichte van lithium-ionbatterijen , waardoor ze aantrekkelijk zijn voor gebruik in elektrische voertuigen en andere toepassingen.
Als zodanig wordt aangenomen dat solid-state batterijen verschillende voordelen bieden zodra ze praktisch worden. Momenteel zijn meerdere bedrijven bezig met concurrerende inspanningen voor productontwikkeling en het bereiken van massaproductie om te voldoen aan de vraag naar grote volumes.
Hoe werken solid-state batterijen?
Vastestofbatterijen werken volgens een mechanisme dat vergelijkbaar is met lithium-ionbatterijen als het gaat om het opwekken van elektriciteit. Metaal dient als elektrodemateriaal en ionen bewegen door de vaste elektrolyt tussen de kathode en de anode om elektrische stroom op te wekken. Het belangrijkste verschil is het gebruik van een vaste elektrolyt.
In tegenstelling tot vloeibare elektrolyten, die een separator nodig hebben om abrupte menging tussen de kathode- en anodezijde te voorkomen, is bij vaste-stofbatterijen zo'n separator niet nodig.
De cruciale focus in het onderzoek naar solid-state batterijen ligt op de ontdekking en ontwikkeling van geschikte solid-state materialen. Historisch gezien was er een tekort aan solid-state materialen die ionenbeweging binnen de batterij mogelijk maakten om een voldoende elektrische stroom voor de elektroden te genereren. Recente ontdekkingen van dergelijke materialen hebben echter de vooruitgang in solid-state batterijen een impuls gegeven. De overstap van vloeibare naar vaste elektrolyten maakt efficiënte ionenmobiliteit binnen batterijen mogelijk, waardoor batterijen met een grotere capaciteit en een hoger vermogen dan lithium-ionbatterijen kunnen worden ontwikkeld.
Lees ook: Wat is een loodaccu?
Welke soorten solid-state batterijen zijn er?
Vastestofbatterijen worden op basis van hun productiemethode in twee hoofdcategorieën verdeeld. Ze verschillen in hun energieopslagcapaciteit.
1. Bulk vaste-stofbatterijen:
- Deze batterijen maken gebruik van poedervormige materialen voor zowel de elektroden als de elektrolyt.
- Ze kunnen een aanzienlijke hoeveelheid energie opslaan.
- Wordt vooral gebruikt voor grotere toepassingen, zoals elektrische voertuigen.
2. Dunne-film vaste-stofbatterijen:
- Ze worden vervaardigd door een dunne film elektrolyt op de elektroden af te zetten in een vacuümomgeving.
- Hoewel ze een beperkte energie opslag capaciteit bieden ze het voordeel van een langere levensduur en een eenvoudige productie.
- Vanwege hun compacte formaat zijn ze het meest geschikt voor kleine apparaten zoals sensoren.
Wat zijn de voordelen van solid-state batterijen ten opzichte van lithium-ionbatterijen?
Vaste-stofbatterijen, die naar verwachting de volgende generatie secundaire batterijen worden, bieden verschillende opmerkelijke voordelen:
1. Verbeterde temperatuurtolerantie:
Lithium-ionbatterijen maken gebruik van elektrolyten op basis van ontvlambare organische oplosmiddelen, waardoor er zorgen ontstaan over hun prestaties bij hoge temperaturen.
Aan de andere kant maken solid-state batterijen gebruik van niet-brandbare materialen in hun elektrolyten, waardoor ze zeer geschikt zijn voor omgevingen met hoge temperaturen.
Bovendien kunnen vloeibare elektrolyten bij lage temperaturen de ionenbeweging belemmeren, wat resulteert in verminderde batterijprestaties en spanningsverlies. Solid-state batterijen daarentegen behouden een constantere prestatie, omdat hun vaste structuur bevriezing voorkomt, zelfs bij koude temperaturen.
2. Snellaadvermogen:
De hoge temperatuurbestendigheid van solid-state batterijen is ook gunstig voor snelladen. Snelladen genereert meer warmte, en solid-state batterijen zullen dankzij hun hittebestendigheid naar verwachting snellere laadsnelheden ondersteunen dan de huidige lithium-ionbatterijen.
3. Verlengde levensduur:
De levensduur van een batterij hangt in belangrijke mate af van de eigenschappen van de elektrolyt. Hoewel lithium-ionbatterijen minimale slijtage van de elektroden vertonen, kan langdurig gebruik leiden tot degradatie van de elektrolyt.
Daarentegen is er bij vaste-stofbatterijen minder sprake van elektrolytverval dan bij vloeibare batterijen, waardoor hun operationele levensduur mogelijk wordt verlengd.
4. Veelzijdige vormfactoren:
Vloeibare elektrolyten leggen structurele beperkingen op om lekkage te voorkomen. Vastestofbatterijen daarentegen bieden meer ontwerpvrijheid. Ze kunnen in verschillende vormen worden geproduceerd, waaronder kleinere, dunnere en flexibele configuraties, waardoor ze geschikt zijn voor uiteenlopende toepassingen, zoals overlappen en buigen, zonder dat er risico is op lekkage van de elektrolyt.
Lees ook: Loodzuur- versus lithium-ionbatterijen – welke is beter?
Wat zijn de toepassingen van solid-state batterijen?
Vastestofbatterijen hebben een breed scala aan potentiële toepassingen:
- Elektrische voertuigen: Deze batterijen bieden verbeterde veiligheid door het elimineren van ontvlambare componenten, waardoor het risico op ontsteking bij ongelukken wordt verminderd. Ze maken ook sneller opladen mogelijk in vergelijking met lithium-ionbatterijen.
- Elektronica: Hun hittebestendige aard maakt direct solderen op elektronische substraten mogelijk, waardoor ze geschikt zijn voor elektronische apparaat back-upvoedingen en IoT-sensoren. Ze kunnen de operationele duur van pc's en smartphones verlengen.
- Vervoer: De grotere capaciteit en het hogere rendement van vaste-stofbatterijen maken ze geschikt voor gebruik in vliegtuigen en schepen, waardoor de opslag- en leveringsmogelijkheden van energie worden verbeterd.
- Ruimteonderzoek: Doordat deze batterijen bestand zijn tegen hoge temperaturen, zijn ze geschikt voor gebruik in ruimtevaartuigen, waar de temperatuur kan schommelen van extreem koud tot extreem heet.
Lees dit zeker: Wat is een verzegelde (SMF) batterij?
