Wat jarenlang vooral een belofte was, lijkt vanaf 2027 toch echt te gaan komen, als het aan autofabrikanten ligt. Elektrische auto’s met een solid state-batterij kunnen meer kilometers afleggen op één acculading, sneller laden en bieden op papier ook veiligheidsvoordelen.
Logo van QuantumScape, de partner van Volkswagen voor de ontwikkeling van solid state-batterijen. | Credits: Getty Images Meer actieradius, snellere laadtijden en hogere veiligheid. Het zijn belangrijke troeven om de massa die nog twijfelt over een elektrische auto over de streep te trekken. Daarvoor zijn betere batterijen nodig en de zogenoemde solid state-batterij wordt gezien als de heilige graal voor autofabrikanten.
Het lijkt erop dat een aantal partijen in 2027 echt de stap naar massaproductie wil zetten, waarbij het nog steeds spannend is of het alternatief voor de klassieke lithium-ion batterij de hooggespannen verwachtingen kan waarmaken.
Solid state-batterij: de voor- en nadelen
Een klassieke lithium-ion batterij heeft tussen de plus- en minpool (de anode en de kathode) een geleidende vloeistof (de elektrolyt) met in het midden een scheidingslaag (de separator). Bij het laden en ontladen verplaatsen lithium ionen zich via de vloeistof tussen de kathode en de anode.
In een vastestofbatterij (solid state) is de elektrolyt zoals de naam al zegt gemaakt van een vaste stof. Dit heeft grofweg drie grote voordelen, maar er daar staan ook minpunten tegenover.
De belangrijkste pluspunten van solid state batterijen zijn:
- Hogere energiedichtheid per eenheid volume en gewicht: solid-state batterijen kunnen meer energie opslaan op een kleiner oppervlak en met een relatief laag gewicht. Dit is de reden dat ze beter presteren op actieradius.
- Veiligheid: de vloeistof die in lithium-ion batterijen wordt gebruik, brengt bepaalde risico’s mee zoals lek- en brandgevaar. Bij gebruik van een vaste stof zijn dergelijke risico’s op papier kleiner.
- Sneller laden: de samenstelling van solid state-batterijen maakt sneller laden mogelijk, wat de ‘tankervaring’ meer doet lijken op auto’s met klassieke verbrandingsmotoren.
Gegeven deze voordelen, is de vraag uiteraard waarom vastestofbatterijen niet op grote schaal worden geproduceerd. Dit heeft te maken met een twee belangrijke hordes:
- Stabiliteit: één van de grootste uitdagingen is dat solid state-batterijen nog moeten bewijzen dat ze over een langere periode met veel laadcycli stabiel presteren, vanwege de risico’s op degradatie van onderdelen.
- Kosten en schaalbaarheid: de productie van vastestofbatterijen vindt nog op kleine schaal plaats. Als ze grootschalig worden geproduceerd, betekent dit dat aanvoerketens van grondstoffen soepel moeten functioneren en dat de kosten per eenheid substantieel moeten dalen.
Strijd om nieuwe standaard: sleutel ligt bij elektrolyt
In de technologische race rond de ontwikkeling van een betaalbare, stabiele solid state-batterij voor elektrische auto’s zijn er grofweg twee scholen met een afwijkende aanpak voor het materiaalsamenstelling van de elektrolyt. Startups zoals het Amerikaanse Solid Power werken met zogenoemde sulfides, omdat dit een vaste stof geeft waar lithium-atomen relatief makkelijk doorheen kunnen bewegen.
Niet iedereen is ervan overtuigd dat dit gaat werken, omdat er ook nadelen zitten aan sulfides. De Amerikaanse startup Quantumscape schakelde na jarenlang testen met sulfides over naar keramische materialen voor de elektrolyt. In een blog geeft Quantumscape aan waarom het bedrijf dat heeft gedaan. Dit heeft te maken met drie dingen.
Volgens QuantumScape vormen sulfides geen afdoende bescherming tegen dendrieten. Dat zijn wortelachtige structuren van puur lithium die aan de anode-kant van de batterij ontstaan en de werking van de batterijcel kunnen beschadigen. Daarnaast zouden sulfides gevoelig zijn voor reacties met andere materialen in de cel die de stabiliteit beïnvloeden. Tot slot mogen sulfides niet in contact komen met water, omdat er dan een giftig gas ontstaat.
Om deze problemen de baas te worden zijn verschillende oplossingen denkbaar, onder meer bij de keuze van het materiaal van de anode. Aangezien flink wat grote autofabrikanten nog steeds inzetten op solid state-batterijen met sulfides, is er duidelijk ook een school die in deze aanpak blijft geloven.
BMW test solid state-batterijen met de i7.
Wie zijn de belangrijkste spelers op het gebied van solid state-batterijen?
De ontwikkeling van solid state-batterijen gebeurt vaak in samenwerkingsverbanden tussen autofabrikanten, gespecialiseerde startups, leveranciers van batterij-onderdelen en soms ook afdelingen van techreuzen zoals het Zuid-Koreaanse Samsung.
We noemen hieronder enkele van de belangrijkste spelers, met nadruk op het ecosysteem van de autofabrikanten.
- De Japanse autofabrikant Toyota staat bekend als de vader van de hybride auto (de Prius), maar is lang achtergebleven met elektrische modellen. Het lijkt erop of Toyota met de solid state-batterij een comeback wil maken. Toyota werkt hiervoor met andere partijen samen, zoals Sumitomo Metal Mining dat materialen voor de kathode levert. Toyota zet wat betreft de elektrolyt in op sulfide, vanwege de goede performance bij het doorlaten van de lithium-ionen.
- Het Duitse premiummerk BMW heeft al enkele jaren een strategische samenwerking met de eerder genoemde Amerikaanse startup Solid Power, die met sulfides werkt. Eerder dit jaar kondigden de twee bedrijven aan dat er tests worden gedaan met vastestofbatterijen in een BMW i7. Afgelopen maand werd bekend dat SDI, de batterijtak van Samsung, is aangehaakt voor een demonstratieproject. Daarbij levert Solid Power de elektrolyt. Die wordt door SDI geïntegreerd in een complete batterijcel, waarmee BMW kan testen.
- De Duitse autoreus Volkswagen heeft via zijn batterijdivisie PowerCo een meerjarige strategische samenwerking met de Amerikaanse startup Quantumscape, die inzet op keramische materialen voor de elektrolyt. Volkswagen bezat afgelopen jaar 17 procent van de aandelen QuantumScape, met een waarde van 459 miljoen dollar, volgens persbureau Reuters. PowerCo heeft toegezegd tot 40 gigawattuur aan productiecapaciteit te reserveren voor solid state-batterijen op basis van de technologie van QuantumScape. In tests van PowerCo zijn meer dan duizend laadcycli voltooid met een stabiele performance.
- Ook Mercedes-Benz zit niet stil. Deze Duitse fabrikant heeft sinds 2021 een samenwerking met de Amerikaanse batterijspecialist Factorial Energy, die werkt met sulfides voor de elektrolyt. Begin dit jaar meldde Mercedes dat er tests worden gedaan met de integratie van solid state-batterijen in de EQS Sedan, waarbij inmiddels een afstand van 1.200 kilometer is gereden op één lading.
- De Chinese fabrikant van elektrische en hybride auto’s BYD is ook een grote batterijproducent. De uitdager van Tesla kondigde begin dit jaar aan diverse technische doorbraken te hebben bereikt met op sulfides gebaseerde solid state-batterijen. BYD verwacht dat deze batterijen in eerste instantie vooral in luxere modellen worden ingezet, wat erop duidt dat er qua kosten nog een stap gemaakt moet worden om dit voor goedkopere elektrische auto’s rendabel te maken.
- Tesla houdt zich opvallend genoeg behoorlijk op de vlakte wat betreft de ontwikkeling van solid state-batterijen. In augustus gaf een hoge manager bij het bedrijf van Elon Musk aan vooral te geloven in een continue, geleidelijke verbetering van batterijtechnologie. Van belang in dit verband is wel dat de Chinese batterijmaker CATL een vaste toeleverancier van Tesla is. Aangezien CATL de grootste batterijmaker voor elektrische auto’s ter wereld is, zal Tesla via de Chinezen zeker de vinger aan de pols houden. Ook CATL werkt aan een solid state-batterij en heeft daar naar verluidt meer dan duizend R&D-medewerkers op gezet, waarbij ook in dit geval voor een elektrolyt op basis van sulfides is gekozen.
Wie brengt als eerste een solid state-batterij op de markt?
Afgaande op aankondigingen van diverse autofabrikanten worden solid state-batterijen tussen 2027 en 2030 daadwerkelijk in productiemodellen geïntegreerd, waarbij de één wat stelliger is over de uitrol dan de ander. Toyota lijkt relatief ambitieus. Het Japanse bedrijf mikt op de introductie van elektrische modellen met solid state-batterijen in 2027 en 2028.
CATL wil vanaf 2027 solid state-batterijen in kleinere volumes gaan leveren. Ook BYD zet in op een demonstratiefase tussen 2027 en 2029 met beperkte productie. Europese autofabrikanten houden de kaarten wat meer tegen de borst en lijken pas richting 2030 een concrete invulling te willen geven aan de marktintroductie van vastestofbatterijen.