Wat is een solid-state lithiumbatterij?

Er zit vloeistof in uw telefoon, uw computer en uw electrisch voertuig (EV). Dat komt omdat bijna alle oplaadbare elektronica gebruik maakt van lithium-ion batterijen, die afhankelijk zijn van vloeibare elektrolyten.

Maar dat gaat veranderen.

“Hoewel solid-state lithiumbatterijen meer dan dertig jaar geleden zijn ontwikkeld, neemt het commerciële gebruik ervan nog maar net een vlucht dankzij nieuwe materialen die ze commercieel levensvatbaar maken”, zegt Vince Caito, vice-president product ontwikkeling bij Yoshino-kracht. “Solid-state haalt vooral de krantenkoppen nu autofabrikanten deze ontwikkelen voor de volgende generatie elektrische auto’s.”

Wat is een solid-state lithiumbatterij?

Simpel gezegd gebruikt een vaste-stof-lithiumbatterij een vaste elektrolyt in plaats van een vloeibare.

“Alle batterijen hebben drie hoofdcomponenten: anode, kathode en een elektrolyt”, zegt Gabriel Adams, een student aan de Arizona State University die onderzoek doet naar de nieuwe technologie aan de Universiteit van Arizona. Rolston Lab.

“In de alom populaire niet-solid-state lithiumbatterijen die in alles te vinden zijn, van consumentenelektronica tot vliegtuigen is de elektrolyt een vloeistof die de overdracht van lithium-ionen tussen de anode en de anode vergemakkelijkt kathode. In een solid-state lithiumbatterij is de elektrolyt een vast materiaal.”

Er zijn verschillende soorten solid-state lithiumbatterijtechnologieën. Sommigen vertrouwen op polymeren om de lithiumionen te geleiden, terwijl anderen sulfiden of oxiden (keramiek) gebruiken.

Voordelen van solid-state lithiumbatterijen

Een grotere veiligheid is een groot voordeel, omdat de elektrolyten niet kunnen weglekken.

“Vloeibare elektrolyten zijn ontvlambaar, en daarom begrijp je het batterij brandt in het nieuws”, zegt Eric D. Wachsman, Ph. D., directeur van de Maryland Energie Innovatie Instituut.

“We kunnen er omheen bouwen, en dat doen we al heel lang, maar er zijn bepaalde fundamentele afwegingen tussen veiligheid en prestaties met vloeibare elektrolyten en de keramische vaste elektrolyten vermijden die afweging omdat het vaste stoffen zijn niet vlambaar."

Nog een voordeel: de hogere energiedichtheid, wat resulteert in een compactere en lichtere batterij. Bij EV’s wordt dit aangeprezen als de ‘Heilige Graal’, omdat auto’s hiermee verder kunnen rijden op een lading en opladen sneller.

Voor de techneuten onder ons: dit is volgens Adams de reden: “Vaste stoffen hebben een hogere dichtheid dan vloeistoffen, en vastestofbatterijen elimineren de noodzaak van een scheidingsteken tussen de anode en de kathode. Ze hebben ook een betere thermische stabiliteit omdat vaste stoffen op atomair niveau steviger met elkaar verbonden zijn, waardoor solid-state batterijen beter bestand zijn tegen hogere temperaturen.”

Nadelen van solid-state lithiumbatterijen

Het grootste nadeel zijn de kosten, vanwege hun geavanceerde materialen, technologie en productiecomplexiteit. Maar naarmate deze batterijen vaker voorkomen, zullen de kosten waarschijnlijk dalen.

Waar worden solid-state batterijen gebruikt?

Momenteel zijn ze niet overal verkrijgbaar voor consumenten, maar dat begint te veranderen. Yoshino Power heeft zojuist enkele van de eerste solid-state lithiumproducten uitgebracht: draagbare elektriciteitscentrales in diverse maten voor thuisback-up, elektrisch gereedschap gebruiken En camping. De komende jaren zal de technologie naar verwachting de EV-markt gaan bestormen.

“Solid-state batterijen zijn de weg van de toekomst”, zegt Adams. “Fabrikanten van nieuwe elektrische voertuigen investeren zwaar in hun ontwikkeling, en bedrijven vinden dat leuk Toyota heeft beweerd dat hun nieuwe elektrische voertuigen zo snel mogelijk gebruik zullen maken van solid-state batterijtechnologie 2027.”

Bijna elke andere autofabrikant heeft zich ook toegelegd op de technologie.

“De focus van het ministerie van Energie op het gebied van financiering lag op elektrische voertuigen vanwege de impact op het aanpakken van klimaatproblemen”, zegt Wachsman. “Maar het zal in de consumentenelektronica terechtkomen. Het zal een gridopslag worden. Er zijn oneindig veel toepassingen voor deze batterijen.”

Maar als u een elektrische auto overweegt en een beperkt budget heeft, wacht dan niet tot de technologie uitkomt. "Ga het nu maar halen", zegt Wachsman. “De eerste zullen duurder worden, en het zal nog een tijdje duren voordat de productieschaal groot genoeg is om de prijs per eenheid te laten dalen.”

Karuna Eberl, freelance schrijver en indiefilmproducent, behandelt de buiten- en natuurkant van doe-het-zelf en onderzoekt dieren in het wild, groen leven, reizen en tuinieren voor Family Handyman. Ze schrijft ook de Elf Procent-column van FH, over dynamische vrouwen in de bouwsector. Enkele van haar andere credits zijn onder meer de maart-cover van Readers Digest, National Parks, National Geographic Channel en Atlas Obscura. Karuna en haar man zijn ook bezig met de laatste fase van de renovatie van een verlaten huis in een bijna spookstad op het platteland van Colorado. Als ze niet aan het werk zijn, kun je ze zien wandelen en over de binnenwegen reizen, terwijl ze kamperen in hun zelf omgebouwde busje.