De volgende generatie accu’s voor elektrische voertuigen, met een groter bereik en verbeterde veiligheid, zou kunnen verschijnen in de vorm van lithiummetaal, solid-state technologie.
Maar belangrijke vragen over deze veelbelovende stroomvoorziening moeten worden beantwoord voordat deze de sprong van het laboratorium naar productiefaciliteiten kan maken, aldus onderzoekers van de Universiteit van Michigan. En met inspanningen om elektrische voertuigen naar een groter deel van de bevolking te brengen, zeggen ze, moeten die vragen snel worden beantwoord.
Jeff Sakamoto en Neil Dasgupta, universitair hoofddocent werktuigbouwkunde aan de UM, zijn de afgelopen tien jaar vooraanstaande onderzoekers geweest op het gebied van lithium-metaal, solid-state batterijen. In een perspectiefstuk in het tijdschrift Joule, Sakamoto en Dasgupta leggen de belangrijkste vragen uit waarmee de technologie wordt geconfronteerd. Om de vragen te ontwikkelen, werkten ze nauw samen met leiders in de auto-industrie.
Grote autofabrikanten gaan dit jaar all-in voor elektrische voertuigen, en velen hebben plannen aangekondigd om auto's met verbrandingsmotor de komende jaren uit te faseren. Lithium-ionbatterijen maakten de vroegste EV's mogelijk en ze blijven de meest voorkomende voeding voor de nieuwste modellen die van de lopende band komen.
Die lithium-ionbatterijen naderen hun topprestaties in termen van het EV-bereik op een enkele lading. En ze komen met de behoefte aan een zwaar en omvangrijk batterijbeheersysteem, zonder welke het risico van brand aan boord bestaat. Door lithiummetaal te gebruiken voor de batterijanode samen met keramiek voor de elektrolyt, hebben onderzoekers het potentieel aangetoond om het EV-bereik te verdubbelen voor een batterij van hetzelfde formaat, terwijl de kans op branden drastisch wordt verminderd.
"De afgelopen tien jaar is er enorme vooruitgang geboekt in de ontwikkeling van lithium-metaal-solid-state-batterijen", zei Sakamoto. "Er blijven echter verschillende uitdagingen op het pad om de technologie te commercialiseren, vooral voor EV's."
Vragen die moeten worden beantwoord om van dat potentieel te profiteren, zijn onder meer:
- Hoe kunnen we keramiek, dat broos is, produceren in de massieve, flinterdunne platen die lithium-metaalbatterijen nodig hebben? Compenseert het gebruik van keramiek door lithium-metaalbatterijen, die energie nodig hebben om ze tijdens de productie tot meer dan 2,000 graden Fahrenheit te verwarmen, hun milieuvoordelen in elektrische voertuigen?
- Kunnen zowel het keramiek als het proces dat wordt gebruikt om ze te vervaardigen worden aangepast om defecten, zoals barsten, op te lossen op een manier die batterijfabrikanten en autofabrikanten niet dwingt hun activiteiten drastisch te vernieuwen?
- Een lithium-metaal solid-state batterij zou niet het zware en omvangrijke batterijbeheersysteem vereisen dat lithium-ionbatterijen nodig hebben om de duurzaamheid te behouden en het risico op brand te verminderen. Hoe zal de vermindering van massa en volume van het batterijbeheersysteem - of de verwijdering ervan in zijn geheel - de prestaties en duurzaamheid van een solid-state batterij beïnvloeden?
- Het lithiummetaal moet constant in contact staan met de keramische elektrolyt, wat betekent dat er extra hardware nodig is om druk uit te oefenen om contact te houden. Wat betekent de toegevoegde hardware voor de prestaties van de batterij?
Sakamoto, die zijn eigen startup-bedrijf heeft gericht op lithium metalen solid-state batterijen, zegt dat de technologie nu een moment heeft. Maar het enthousiasme dat het moment aanstuurt, zegt hij, mag niet op de zaken vooruitlopen.
Het artikel is getiteld: "Transitioning solid-state batterijen van laboratorium naar markt: elektrochemische mechanica koppelen aan praktische overwegingen."