Wat als een accu van een elektrische auto sneller dan ooit zou kunnen opladen en toch twee keer zo lang mee zou gaan? Stel je voor dat accu's aanzienlijk compacter en efficiënter zouden kunnen zijn. Dit zijn enkele potentiële voordelen van keramische solid-state-accu's. Deze technologie is echter nog niet klaar voor de markt en we leggen je uit waarom.
Hoewel de technologie van keramische vaste-stofbatterijen de energieopslag zoals wij die kennen ingrijpend lijkt te veranderen, moeten vernieuwers nog steeds een aantal uitdagingen oplossen.
Zo zijn de productiekosten van deze batterijen momenteel nog te hoog en is de productie ervan nog te complex om op te schalen.
Maar de toekomst ziet er veelbelovend uit. In dit artikel onderzoeken we de verschillende belangrijke aspecten van de technologie van keramische solid-state batterijen, recente doorbraken en de bijbehorende uitdagingen. Maar eerst een korte introductie van waar het allemaal om draait.
Wat zijn keramische solid-state batterijen?
De meeste gadgets en apparaten die we in ons dagelijks leven gebruiken, zijn afhankelijk van lithium-ionbatterijen – van horloges en telefoons tot laptops, elektrische voertuigen en zonne-energiesystemenNormaal gesproken bevat een lithium-ionbatterij een vloeibare elektrolyt waardoor ionen stromen om de batterij op te laden of een apparaat van stroom te voorzien.
Vaste-stofbatterijen zijn echter anders.
Bron: Britannica
Zoals de naam al doet vermoeden, vervangen solid-state batterijen deze vloeibare elektrolyt door een vast materiaal: keramiek. Met andere woorden: keramische solid-state batterijen gebruiken keramische elektrolyten om ionen tussen elektroden te geleiden.
Hoewel dit misschien een kleine verandering lijkt, bieden keramische elektrolyten verschillende voordelen ten opzichte van hun lithium-ion-tegenhangers. Hier zijn er een paar:
-
Veiligheid: Keramische solid-state batterijen kunnen niet lekken en zijn niet ontvlambaar
-
Laadtijd: Ze kunnen tot zes keer sneller opladen dan lithium-ionbatterijen
-
Energiedichtheid: keramische elektrolyten hebben een dichtheid die minstens twee keer zo hoog is als die van lithium-ionbatterijen, wat een hogere efficiëntie per formaat betekent
- Vermogen: Keramische solid-state-batterijen zijn bij kamertemperatuur minstens drie keer krachtiger dan lithium-ionbatterijen
We kunnen gerust stellen dat solid-state batterijen over de hele linie een duidelijke winnaar zijn. Maar waarom zijn ze nog niet mainstream? Daar komen we zo op terug.
Zijn solid-statebatterijen beter voor het milieu?
Het antwoord is ja. Keramische solid-state batterijen hebben een lagere CO2-voetafdruk omdat er minder materialen nodig zijn voor de productie ervan. Daardoor zijn ze aanzienlijk beter voor het milieu.
In een elektrische auto, statistieken tonen aan Keramische solid-state batterijen kunnen de impact van de auto op het milieu en klimaat tot wel 39% verminderen in vergelijking met lithium-ionbatterijen gedurende dezelfde levenscyclus. Omdat solid-state batterijen een hogere energiedichtheid hebben, vereisen ze veel minder productiematerialen en minder emissies.
Bovendien verbruiken keramische solid-state batterijen tijdens hun levensduur ook minder energie. Omdat ze aanzienlijk sneller opladen en er ook langer over doen voordat ze volledig leeg zijn, zullen gebruikers minder energie verbruiken om deze batterijen te beheren.
Ook moeten we vermelden dat deze langere levensduur betekent dat er minder batterijen geproduceerd en vervangen hoeven te worden. Hierdoor wordt de belasting van het milieu die gepaard gaat met het winnen, produceren en afvoeren van grondstoffen, verminderd.
Laten we eens kijken naar de andere voordelen van keramische vaste-stofbatterijen.
De belangrijkste voordelen van keramische solid-state batterijen
De technologie van keramische solid-state batterijen is nog in ontwikkeling, maar biedt nu al verschillende potentiële verbeterpunten ten opzichte van de huidige batterijen op de markt.
Dit zijn enkele voordelen die vaste-toestandbatterijen bieden:
Een hogere veiligheidsfactor
De vloeibare component van lithium-ionbatterijen vormt een van de grootste veiligheidsrisico's, omdat deze vluchtig en ontvlambaar is. Omdat solid-state batterijen geen vloeibare elektrolyt bevatten, zijn ze over het algemeen veiliger en stabieler. Bovendien vormt de vaste keramiek een stabielere en hittebestendigere scheiding tussen de anode en kathode van de batterij, waardoor kortsluiting effectief wordt voorkomen.
Grotere energiedichtheid
Een ander gebied waarop keramische solid-state batterijen uitblinken, is hun verbeterde energiedichtheid. Keramische solid-state batterijen gebruiken een zuiver metalen anode in tegenstelling tot de grafietanode in lithium-ionbatterijen. Dit leidt tot een enorme toename van de energiedichtheid van de batterij, wat resulteert in een lichtere en kleinere batterij.
Supersnelle oplaadtijden
Studies tonen aan dat keramische solid-state batterijen mogelijk tot wel zes keer sneller kunnen opladen dan alle andere batterijtechnologieën die momenteel op de markt zijn. Hoewel de exacte cijfers nog niet vaststaan, suggereert onderzoek dat deze batterijen in slechts 10 tot 15 minuten een 80%-laadtijd kunnen bereiken.
Daarnaast zal keramische vaste stoffen ook beter presteren bij hogere temperaturen, omdat keramiek over het algemeen beter bestand is tegen hitte.
Verhoogde capaciteit en bereik
Omdat de vaste keramische elektrolyt de noodzaak van een separator (zoals in lithium-ionbatterijen) elimineert, zullen solid-state batterijen na productie over het algemeen kleiner zijn. Bovendien zorgt de verbeterde energiedichtheid van solid-state batterijen ervoor dat er meer in minder past. Met andere woorden, batterijen kunnen krachtiger zijn zonder te groot te worden. Solid-state batterijen zullen ook minder wegen.
Bron: Niet meer spetteren
Het is onmogelijk om de verschillende aspecten te ontkennen waarin keramische solid-state batterijen uitblinken. Maar laten we eens kijken naar de verschillende uitdagingen en nadelen die ze hebben.
De uitdagingen van keramische solid-state batterijen
De technologie van keramische solid-state batterijen belooft een revolutie teweeg te brengen in de energieopslagsector en tegelijkertijd de efficiëntie van elektrische voertuigen te verhogen. Er zijn echter nog een aantal belangrijke obstakels die overwonnen moeten worden voordat ze klaar zijn voor consumenten en de markt.
Hier zijn drie redenen waarom de doorbraak van vaste-stofbatterijen nog niet heeft plaatsgevonden:
Stabiliteitsproblemen
Tijdens het opladen van een solid-state batterij zetten de cellen uit en keren ze terug naar hun normale staat tijdens het ontladen – bijna alsof de cel ademt. Dit veroorzaakt een zekere mate van instabiliteit, wat uiteindelijk leidt tot degradatie van de batterij. Om dit probleem op te lossen, is er een innovatieve manier nodig om de solid-state cellen tegelijkertijd gefixeerd en gecomprimeerd te houden.
Het is het meest effectief bij hogere temperaturen
Omdat vaste elektroden betere geleiders zijn bij hogere temperaturen – doorgaans temperaturen boven de 10 graden Celsius – betekent dit dat de solid-state batterij mogelijk niet erg effectief is wanneer deze koud is. Daarom moet er onderzoek worden gedaan om ervoor te zorgen dat de solid-state batterij ook bij lagere temperaturen goed presteert.
Hoge productiekosten
Een andere grote uitdaging voor de keramische solid-state batterij zijn de relatief hoge productiekosten. Hoewel de technologie ongetwijfeld innovatief is, vormen de hoge productiekosten een aanzienlijke hindernis voor opschaling.
Bron: Niet meer spetteren
Het samenbrengen
De vooruitzichten van keramische solid-state batterijen zijn veelbelovend, omdat ze de sleutel vormen tot het oplossen van veel problemen waarmee consumenten en bedrijven momenteel kampen met lithium-ionbatterijen. Van hogere energie-efficiëntie tot snellere laadtijden en verbeterde veiligheid: de voordelen die deze nieuwere batterijtechnologieën bieden, zijn talrijk.
De weg naar massale acceptatie vereist echter meer innovatie om de bestaande uitdagingen met keramische solid-state batterijen op te lossen. Solid-state batterijtechnologie belooft echter een nieuwe definitie te geven aan energieoplossingen, en we kunnen niet wachten tot het op de markt komt!