De staat van solid state batterijen

“De significante doorbraken en groeisprongen”, zo beweren professoren al jaren, “zullen we in batterijtechnologie moeten maken. Alleen daar zit de bottle neck en daar ligt dé doorbraak en de oplossing”.

De spelbederver is en blijft vandaag ‘energiedensiteit’ ofwel de hoeveelheid energie die een batterij kan opslaan. Onze beste lithium-ion batterijen zijn technologische kunstwerkjes, maar ze blijven bijzonder zwaar. Hun energiedensiteit ligt nog steeds 70 tot 100x lager dan voor benzine. Concreet : één kilogram benzine bevat grofweg evenveel energie als een lithium-ion batterij van 70 à 100kg.

De eerlijkheid gebiedt aan te stippen dat het rendement van een vol-elektrisch aandrijfsysteem zowat 3x hoger ligt dan het rendement van een ICE of verbrandingsmotor. Hoewel een liter benzine zo’n 8.800 tot 9.700 Wh/L bevat, wordt slechts 30% van al die energie overgebracht op de aangedreven wielen. Bij een elektrische wagen ligt dat rendement om en bij de 85%.

"Energy is the currency of the universe."
- Don Miguel Ruiz

Het is in het domein van de batterijtechnologie waar de grote winsten en vooruitgang geboekt moeten worden. Naast energiedensiteit zijn ook levensduur, cyclusgevoeligheid, productiekost, laadtijden en de beschikbaarheid van gebruikte grondstoffen essentiële eigenschappen voor toekomstige batterijetechnologie. Om tot een brede elektrificatie te komen waarmee we de komende 30 jaar een mobiliteitssysteem uitbouwen dat ons gestaag loskoppelt van fossiele brandstoffen, daarin is batterijtechnologie ofwel de spelmaker ofwel spelbederver.

Op papier zijn de voordelen van ‘solid state’ batterijen een enorme stap voorwaarts in vergelijking met ‘Lithium-Ion’ chemie (Li-ion). De voordelen bevinden zich mogelijks op een zestal domeinen :

1. Grondstoffen
   Hoewel solid states niet geheel vrij zijn van lithium oxide of andere zeldzame en complexe aardmetalen, worden ze opgebouwd met veel minder schaarse grondstoffen zoals bijv. keramische composieten en/of polymeren. Solid-state batterijen zijn nog in volle ontwikkeling. Testresultaten zullen gaandeweg uitwijzen welke van bovenstaande chemiekeuzes de beste combinatie bieden in de mix van grondstoffamilies, prestaties, veiligheid, schaalbaarheid, en uiteraard kostprijs. Hier de belangrijkste grondstoffen voor de productie van solid-state batterijen:
2. 1. Vaste Elektrolyten : Solid-state batterijen vereisen een vast elektrolyt-materiaal dat lithium-ionen geleidt. Gangbare vaste elektrolytematerialen die worden onderzocht, zijn onder andere keramiek zoals lithiumgarnet (bijv. lithiumlanthaanzirkonaat), sulfiden (bijv. lithiumfosforsulfide) en polymeren (bijv. materialen op basis van polyethyleenoxide). Deze materialen bieden een hogere stabiliteit en veiligheid in vergelijking met vloeibare elektrolyten.
   2. Lithium-metaal Anode: Solid-state batterijen hebben het potentieel om lithium-metaal te gebruiken als anodemateriaal ter vervanging van het grafiet dat wordt gebruikt in traditionele lithium-ion batterijen. Lithium-metaal zorgt voor een hogere energiedichtheid o.a. door een lager elektrochemisch potentiaal. Deze technologie is nog steeds kwetsbaar voor de vorming van lithiumdendrieten. Dat is voorlopig nog een show stopper voor de stabiliteit en voor de commerciële levensvatbaarheid.
   3. Kathode-materiaal: Net als bij lithium-ion batterijen kunnen solid-state batterijen verschillende kathodematerialen gebruiken, zoals lithiumkobaltoxide (LCO), lithiumijzerfosfaat (LFP), lithiumnikkelmangaan-kobaltoxide (NMC) of andere lithiumhoudende verbindingen. De keuze van het kathodemateriaal hangt af van factoren zoals prestatievereisten, stabiliteit en vooral… de kostprijs.
   4. Stroomcollectoren en geleidende additieven: Solid-state batterijen vereisen stroom-collectoren en geleidende additieven die de elektronenstroom tussen de elektroden mogelijk maken. Veelgebruikte materialen zijn onder andere metalen zoals koper of aluminium (collectoren) en geleidende koolstofadditieven zoals koolstofzwart of grafeen.
3. Energiedensiteit
   De nieuwste generatie Lithium-ion batterijen slaan zo’n 150 à 250 watt-uur per kilogram op (Wh/kg), terwijl prototypische solid states in labo-omgeving vandaag reeds een densiteit van 300 tot 500 watt-uur per kilogram behalen. Performante batterijpakketten voor minder kritische toepassingen bieden zo’n 70 à 90 Wh/kg.
4. Laadtijden
   Solid states reduceren laadtijden tot een kwestie van ‘minuten’ en niet ‘uren’ zoals vandaag het geval is met lithium-ion chemie. Zelfs in vergelijking met snelladers wordt de laadtijd tot een fractie herleid.
5. Veiligheid
   U kent het beeld van ontploffende en fel brandende lithium-ion batterijen vast wel. Dat zijn gevallen van lekkage en thermische ontsporing. Het gebruik van vaste (solid) elektrolyten vermijdt het risico op lekkage, wat kan leiden tot ‘thermal runaway’ die vaak catastrofale branden tot gevolg hebben. Solid states vertonen beduidend minder kortsluitingen en vormen minder lithium-metaal dendrieten.
6. Temperatuur gevoeligheid
   Solid states presteren beter bij extreme temperaturen. We zien het zelf, hoe de actieradius van een elektrische wagen in de winter beduidend kleiner is dan in de zomer. Meer nog, solid states presteren in extreme temperaturen. Waar Lithium-ion batterijen moeten worden gekoeld of verwarmd om steeds binnen een operationele temperatuurvenster te worden gehouden, geldt dit nauwelijks voor solid state chemie.
7. Levensduur
   Zover is men voor alle duidelijkheid nog niet, maar in het vooruitzicht ligt een batterijchemie met een voelbare grote levensduur. De verdere ontwikkeling van solid states biedt het vooruitzicht voor een batterij die vaker kan worden geladen en ontladen zonder noemenswaardige degradatie of capaciteitsverlies.

Voorlopige show stoppers voor Solid States

1. De kostprijs blijft voorlopig een struikelblok. Opschaling en procesverbeteringen moeten op de termijn de prijs drukken. Het Japanese Agentschap voor Wetenschap en Technologie Instituut publiceerde enkele ruwe cijfers.
   Lithium-ion : ¥15.000 per kWh
   Solid state : ¥60.000y tot ¥350.000 per kWh
2. Vooral de problemen met levensduur staan een onmiddellijke uitrol en lancering van Solid States in de weg. Het is een gekend probleem dat de elektroden in solid state batterij uitzetten en krimpen doorheen de laadcycli. Hierdoor scheuren de elektrodes na verloop van tijd los van de elektrolyten. Vandaag kunnen solid states tot een honderd-tal keer te worden geladen, vooraleer zo’n catastrofale breuk zich voordoet. Dat is véél te weinig en veel te vroeg uiteraard om te worden uitgerold in de markt. Batterijen moeten duizenden keren worden geladen, niet tientallen.

Fait Divers en weetjes uit de industrie

• Bij Toyota is men zelfverzekerd. "We found quality material," vertelt Hiroki Nakajima, hoofd van de technologie divisie, "We'll keep up with the rest of the world and definitely put it to practical use." Toyota geldt nog steeds als de marktleider en pionier in geëlektrificeerde mobiliteit en heeft voor wat de ontwikkeling van solid state batterijen betreft zo’n 1.000-tal patenten in eigendom.
• Nissan plant een eerste EV met solid state batterij in het jaar 2028.
• Bij BMW staat de voorstelling van een prototype en concept car met solid state batterij gepland voor 2025 en de lancering ervan in massaproductie tegen het jaar 2030.
• Bij Mercedes, Ford en Volkwagen is men schaarser met aankondigingen maar ook zij laten verstaan solid states chemieën te ontwikkelen die weldra bij kamertemperatuur kunnen worden getest.
• Deze inspanningen zetten uiteraard geen rem op de verdere ontwikkeling van lithium-ion of zelfs van benzine- of dieselmotoren die ook release na release kleiner, efficiënter, zuiniger en goedkoper worden.
• De ‘4680’ van Tesla wordt tot op vandaag nog steeds als de beste batterij beschouwd voor specifieke mobiliteitstoepassingen. Bedenk dat dit batterijconcept werd gebaseerd op een patent dat Tesla kocht voor $3,- van de Canadese start-up Springpower. De royalties per geproduceerde Tesla liggen allicht een pak hoger dan de verkoopprijs van het patent. De 4680 is een ‘traditionele’ lithium-ion NMC batterij (Nikkel Mangaan Cobalt) met een grafiet-anode. Procesverbeteringen naar een droge elektrode heeft de voetafdruk (kost, energie, complexiteit,…) ervan tot een derde herleid.

3D printen van batterijen

Met deze technologie kan men batterijen inwerken in de meest ontoegankelijke en grillige vormen van een behuizing, chassis of draagstructuur, wat tot enorme plaatsbesparing leidt en indien gewenst, een nog lager zwaartepunt voor personenwagens, hijskranen of heftrucks.

Deze 3D print technologie gebruikt de ‘binder-jet’ techniek, waarbij poederpartikels worden neergelegd die vervolgens worden uitgehard met een technische vloeistof of ‘agent’. Hiermee kunnen de solids van de solid state batterij worden geprint en uitgehard in laagjes van 25 micron. Dit zijn laagjes van keramische compounds, glas, metalen of polymeren. Kortom, de bouwstenen van een solid state batterij. Vervolgens wordt op dit 25 micro dikke laagje een stroom collector aangebracht van slechts enkele micron. Bedenk dat een menselijk haar een diameter heeft van zo’n 70 micron.

Hiermee worden batterijen ook compacter en bieden daarmee een hogere energiedensiteit, zowel per kg als per liter. Een actuele Li-ion batterij bevat zo’n 350 Wh/L. Met deze technologie kan men momenteel reeds een tiramisu of lasagne van 1200Wh printen in diezelfde kubus van 10 cm x 10 cm x 10 cm.

Andere chemie families

Natrium (engels : sodium) is veel minder complex en minder schaars dan lithium. Hoewel deze chemie een lagere energiedensiteit biedt dan Li-ion, is de beschikbaarheid en de kostprijs van deze grondstof de drijfveer om die batterij-chemie verder te ontwikkelen. De Chinese JAC Group lanceerde weken geleden een eerste klein Na-ion batterijpakket dat zal worden ingebouwd in de Sehol EX10 (Sehol is een joint-venture tussen JAC en Volkswagen Anhui).

De Chinese batterijgigant Amperex Tech. Co. (CATL) werkt momenteel samen met Chery voor de grootschalige uitrol van Natrium batterijen. De energiedensiteit van de huidige generatie sodium-ion of natrium-ion wordt op 160 Wh/kg geschat en vermoed wordt dat deze bij een volgende release stijgt naar 200 Wh/kg.

Datzelfde CATL kondigde de lancering en uitrol aan van haar revolutionaire "semi-solid-state" batterij aan die een energiedensiteit van 500 Wh/kg moet gaan bieden. Daarmee komt geëlektrificeerde luchtvaart in zicht als u bedenkt dat de ‘Best of Class’, nl de 4680 van Tesla die we terug vinden in de Model S, zo’n 186 Wh/kg scoort.

Amprius valideert momenteel een silicium anode batterij (engels : silicon) met een energiedensiteit van officieel 504 Wh/kg. Dit battery pack wordt ontwikkeld voor het Zephyr project van Airbus. Amprius zou erin geslaagd zijn om nanometers dunne lithium filamenten rechtstreek in het silicium te integreren.

Concentratie en verticale integratie

Wie de petroleumindustrie heeft bestudeerd, die weet dat J.D. Rockefeller zijn fortuin maakte door verticale integratie. Hij was er in geen tijd in geslaagd om totale controle te verwerven over 90% van de Amerikaanse olie-industrie. Verticale integratie betekende dat hij de oliebronnen bezat, de bouw van olievaten en jerry-cans, ook de treinverbindingen die zijn ruwe olie naar zijn raffinaderijen transporteerden om tot slot die afgewerkte kerosine (en later ook benzine) te leveren aan zijn tankstations.

150 jaar na J.D. Rockefeller zien we hetzelfde gebeuren. Vandaag heeft China eenzelfde greep op alle segmenten voor de productie van batterijen. Van cobaltmijn tot showroom. Een showroom waarin voornamelijk wagens van Chinese makelij zullen staan.

En net zoals de oliecrisissen van de jaren' ‘70 de Japanse autoindustrie tot heeft leven bracht, zo zal 50 jaar later de zucht naar elektrificatie onze markten overspoelen met goedkopere en kleinere elektrische wagens. Ditmaal niet uit de V.S., Japan, Frankrijk of Duitsland, maar hoofdzakelijk uit China. Op de Amerikaanse automarkt wordt op korte termijn rekening gehouden met een Chinees marktaandeel van 30% dat ook daarna fors zal blijven groeien. En in West-Europa zal dat niet anders zijn. Hieronder het mondiaal marktaandeel per land voor Lithium-Ion batterijen. In blauw 2021 en in zwart de projectie voor 2025.

Elektrificatie aan de bron

De grote reconversie, die grootste elektrificatie, die is alleen haalbaar bij gratie van een grootschalige mijnbouw die in staat moet blijken al die ertsen, mineralen en zeldzame aardmetalen te delven. In vorige bijdragen werd er reeds op gewezen hoezeer de globale mijnbouw zal moeten worden uitgebreid om de vraag naar grondstoffen slechts deels te beantwoorden. Voor wie mijn substack-kanaal volgt en leest, moet het inmiddels glashelder zijn dat het ons aan de benodigde energie en grondstoffen ontbreekt om dit elektrificatie-traject in één rechte, ononderbroken lijn af te leggen.

Het was Ir. en Assoc. Prof. Simon Michaux die enige tijd geleden opmerkte dat elektrificatie hoort te beginnen aan de bron. Nl, bij de mijnbouw. “Als we zelfs niet in staat zijn de energie-intensieve mijnbouw (de upstream) te elektrificeren, hoe en waarom zouden we dan beginnen met een afgeleide daarvan, het eindpunt, nl de personenwagen (downstream)? Dat is kar voor het paard spannen.”

BHP Group Limited, ‘s wereld grootste mijnbouwbedrijf en een kolossale producent van petroleum, ijzererts, koper en steenkool heeft de rekening gemaakt. Zij nemen zich voor om het hele diesel-park gaandeweg ‘om te churnen’ naar vol-elektrisch. Het zware materieel en materiaal waarmee BHP Group de aardkorst te lijf gaat, verbruikt zo maar even 1,5 miljard liter diesel per jaar.

Komatsu en Caterpillar leveren in 2024 de eerste elektrische machines die door BHP Group kunnen worden getest. De drijfveer voor deze testfase - meer dan uitstoot en het klimaatargument, is de kostprijs. Alleen wanneer een geëlektrificeerd machinepark een lagere OPEX vs CAPEX oplevert dan het huidige dieselkonvooi, zullen we mijnbouwbedrijven deze stap zien maken.

En hetzelfde geldt voor alle andere omwentelingen en toepassingen. Alleen wanneer zon- en windenergie ook zonder overheidssubsidie en fiscale kunstgrepen goedkoper blijken dan kernenergie of kolenkracht, alleen dan kan en mag men verwachten dat het aandeel van deze extreem intermitterende energieproductie fors toeneemt. Nieuwe en veel goedkopere batterijtechnologieën met hogere energiedensiteit zijn hier cruciaal. Wispelturige productie uit wind en zon vereist (1.) een enorme overcapaciteit aan geïnstalleerd vermogen om (2.) een buitensporig batterijpark te bufferen tijdens donkere en windstille perioden die weken of maanden kunnen aanhouden. Tot op vandaag bestaan er geen sluitende studies of consensus over de grootte van die batterijbuffer. Evenmin over welke batterijtechnologie de voorkeur krijgt : pumped hydro, waterstof, lithium-ion, etc…

Afsluitend

Al deze nieuwe batterij-technologieën zijn wondertjes en het zoveelste bewijs van ons menselijk vernuft en onze drang naar innovatie. Het laat evenwel de meest essentiële vraag onbeantwoord… “wanneer we alles elektrificeren, hoe gaan we die benodigde elektriciteit dan opwekken en afleveren, daar waar ze wordt verbruikt, daar waar ze wordt omgezet in arbeid?”

Dit artikel verscheen eerder op de Substack van Joachim Van Wing:

DOSSIER : de staat van solid state batterijen

Toyota kondigde de voorbije week een doorbraak aan in batterijtechnologie en daarmee het voornemen om binnen enkele jaren de ‘solid state’ batterij in de praktijk en in massaproductie te brengen.

Joachim Van WingSubstack van Joachim Van Wing

Noot van de auteur:

Zoals gezegd doet deze ministudie geen uitspraak over de wenselijkheid, de hoogdringendheid of de haalbaarheid van geëlektrificeerde mobiliteit. Wie de JVW substack publicaties leest, weet inmiddels dat ook onze geëlektrificeerde wereld niet zonder benzine, diesel of aardgas kan, zolang die voorraad strekt en betaalbaar blijft. Meer nog,… om onze wereld van vandaag volledig te gaan elektrificeren, zullen we alle steenkool, aardgas, uranium en ruwe olie die ons rest op de meest doelmatige, behoedzame en rigoureuze wijze moeten aanwenden, investeren en converteren tot schaalbare technologieën die met zekerheid als substituut kunnen dienen in de fossiel-vrije wereld die we ons voorstellen en aanpraten.