Een vaste-stofbatterij is een batterij waarin alle componenten zijn solide, in tegenstelling tot conventionele secundaire batterijen, zoals lithium-ionbatterijen, die metalen elektroden (kathode en anode) gebruiken, gescheiden door een vloeibare elektrolyt. Vaste-stofbatterijen gebruiken daarentegen een vaste elektrolyt.
Vaste elektrolyten zullen naar verwachting de creatie van batterijen met een grotere capaciteit en output dan lithium-ionbatterijen vergemakkelijken. Bovendien biedt de overgang naar vaste elektrolyten veiligheidsvoordelen ten opzichte van lithium-ion batterijenwaardoor 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?
Solid-state batterijen werken op een mechanisme dat vergelijkbaar is met lithium-ionbatterijen als het gaat om het extraheren van elektriciteit. Metaal dient als elektrodemateriaal en ionen bewegen door de vaste elektrolyt tussen de kathode en anode om elektrische stroom te genereren. Het belangrijkste onderscheid 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 kritische focus in solid-state batterijonderzoek ligt op de ontdekking en ontwikkeling van geschikte solid-state materialen. Historisch gezien was er een gebrek aan solid-state materialen die ionenbeweging binnen de batterij mogelijk konden maken om voldoende elektrische stroom voor de elektroden te genereren. Echter, Recente ontdekkingen van dergelijke materialen hebben de ontwikkeling van vaste-stofbatterijen gestimuleerd. Door de overstap van vloeibare naar vaste elektrolyten is er sprake van een efficiënte ionenmobiliteit binnen batterijen, waardoor batterijen met een grotere capaciteit en een hoger rendement dan lithium-ionbatterijen kunnen worden gemaakt.
Lees ook: Wat is een loodzuuraccu?
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 zijn vaste-stofbatterijen gebruik niet-ontvlambare materialen in hun elektrolyten, waardoor ze zeer geschikt zijn voor omgevingen met hoge temperaturen.
Bovendien kan bij lage temperaturen vloeistof elektrolyten kan de ionenbeweging belemmeren, wat resulteert in verminderde batterijprestaties en spanningsval. Solid-state batterijen behouden echter consistentere prestaties omdat hun vaste aard bevriezing voorkomt, zelfs in koude omstandigheden.
2. Snellaadvermogen:
De hoge temperatuurbestendigheid van vaste-stofbatterijen is ook voordelen van snel opladen. Bij snelladen ontstaat meer warmte en vanwege hun hittebestendigheid wordt verwacht dat solid-state batterijen sneller kunnen worden opgeladen dan huidige lithium-ionbatterijen.
3. Verlengde levensduur:
De levensduur van de batterij hangt sterk af van de eigenschappen van de elektrolyt. Hoewel lithium-ionbatterijen minimale elektrodeverslechtering vertonen, kan langdurig gebruik leiden tot afbraak van elektrolyten.
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 lekken te voorkomen. Vaste-stofbatterijen daarentegen bieden een grotere ontwerpflexibiliteit. Ze kunnen in verschillende vormen worden vervaardigd, waaronder kleinere, dunnere en flexibele configuraties, waardoor ze geschikt zijn voor uiteenlopende toepassingen, zoals overlappen en buigen, zonder dat er elektrolytlekkage optreedt.
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.
Moet lezen: Wat is een Sealed (SMF) batterij?
