Belangrijke doorbraak in de productie van vaste-stofbatterijen

QuantumScape maakte woensdag 25 juni bekend dat het een nieuw productieproces heeft ontwikkeld waarmee de productie van het vaste elektrolytkeramische materiaal tot wel 10 keer sneller kan verlopen .

Deze doorbraak is om verschillende redenen van cruciaal belang:

• Commerciële haalbaarheid: Een van de grootste obstakels voor de brede acceptatie van solid-state batterijen is de moeizame en trage productie ervan. Een tien keer sneller proces brengt deze technologie een enorme stap dichter bij massaproductie.
• Betere prestaties: Vaste-stofbatterijen beloven een revolutie teweeg te brengen in elektrische voertuigen door een hogere energiedichtheid (grotere actieradius op minder ruimte), supersnelle oplaadtijden en vooral een veel hoger veiligheidsniveau dan huidige lithiumionbatterijen, omdat ze geen ontvlambare vloeibare elektrolyt bevatten.
• Kostenbesparing: Het versnellen van de productie is essentieel om kosten te besparen en te kunnen concurreren met de huidige batterijtechnologieën.

Deze QuantumScape-ontwikkeling, waaraan giganten als de Volkswagen Group deelnemen, is een van de meest veelbelovende nieuwtjes van dit jaar voor de volgende generatie elektrische auto's.

Wat is een vastestofbatterij?

Om de omvang van dit nieuws te begrijpen, moeten we eerst begrijpen hoe een solid-statebatterij verschilt van de lithium-ionbatterijen die tegenwoordig in elektrische auto's worden gebruikt.

Een conventionele lithium-ionbatterij bestaat uit drie hoofdcomponenten: een anode (negatieve pool), een kathode (positieve pool) en een vloeibare elektrolyt die ze scheidt. Deze elektrolyt zorgt ervoor dat de ionen tussen de twee polen stromen en elektriciteit opwekken. Het probleem is dat deze vloeistof brandbaar is, gevoelig voor hoge temperaturen en een van de belangrijkste factoren is die de laadsnelheid en energiedichtheid beperken.

Een solid-state batterij vervangt, zoals de naam al doet vermoeden, die vloeibare elektrolyt door een vast materiaal . In het geval van QuantumScape is dat materiaal een innovatieve flexibele keramische plaat . Deze ogenschijnlijk simpele verandering transformeert alles.

Het probleem: de productieknelpunten

Tot nu toe was de "heilige graal" en tegelijkertijd de grootste uitdaging voor vaste-stofbatterijen de productie van deze vaste-keramische separator. Het proces was extreem traag en complex, vergelijkbaar met het bakken van keramische stukken in een oven, een proces dat dagen kon duren.

Stel je voor dat je miljoenen elektrische auto's zou moeten produceren, maar dat het meest cruciale onderdeel van de accu dagen nodig heeft om te 'bakken'. Dat was een knelpunt, waardoor massaproductie niet haalbaar was en de kosten torenhoog bleven.

De oplossing van QuantumScape: een "magnetron" voor batterijen

De doorbraak die QuantumScape deze week aankondigde, pakt dat probleem direct aan. Ze hebben een nieuw verwarmingssysteem voor een snelle oven . Hoewel de technische details bedrijfsgeheimen zijn, is de eenvoudigste vergelijking om het oude proces te vergelijken met een traditionele houtoven en het nieuwe met een krachtige industriële magnetron.

Deze nieuwe methode versnelt het bakproces van keramische films met een factor 10. Wat voorheen dagen duurde, kan nu in een fractie van die tijd worden gedaan, waardoor het grootste obstakel voor opschaling van de productie is weggenomen. Dit maakt het mogelijk om separatorfilms continu te produceren met snelheden die aansluiten op de behoeften van de auto-industrie.

Welke specifieke voordelen brengt deze technologie met zich mee?

1. Grotere actieradius (hogere energiedichtheid): Door "inerte" componenten uit de vloeibare elektrolyt te verwijderen, kan er veel meer energie in dezelfde ruimte worden opgeslagen. Dit resulteert in auto's met een actieradius van meer dan 800 of zelfs 1000 kilometer op één lading, waardoor "actieradiusangst" verdwijnt.
2. Ultrasnel opladen: De vastestofscheider is veel stabieler en zorgt voor een snellere en veiligere ionenstroom. QuantumScape heeft in zijn prototypes aangetoond dat zijn cellen in minder dan 15 minuten van 10% tot 80% . Dit is een wachttijd die vergelijkbaar is met het tanken van benzine.
3. Radicaal verbeterde veiligheid: dit is een van de belangrijkste punten. Door de afwezigheid van een ontvlambare vloeibare elektrolyt wordt het risico op batterijbrand, zelfs bij een ongeval of lekke band, drastisch verminderd. Dit vereenvoudigt de complexe en omslachtige koel- en beschermingssystemen rond de huidige batterijen.
4. Langere levensduur: Solid-statebatterijen degraderen veel langzamer. Tests van QuantumScape hebben aangetoond dat de cellen na meer dan 1000 laadcycli , wat neerkomt op meer dan 800.000 kilometer gebruik. De auto zou eerder verouderd zijn dan de accu.

Wat ontbreekt er om ze op straat te zien?

Hoewel deze productievooruitgang een enorme stap is, zijn er nog steeds uitdagingen die overwonnen moeten worden:

• Industriële schaalvergroting: het is één ding om het proces in een laboratorium of pilotplant te versnellen, maar het is iets heel anders om het op grote schaal te implementeren in een gigafabriek. Dit wordt de volgende grote stap.
• Eindkosten: Ondanks de verbetering zijn de productiekosten nog steeds hoger dan die van lithium-ionbatterijen. Het doel is om deze kosten via massaproductie te verlagen tot ze concurrerend zijn.
• Integratie in het voertuig: Fabrikanten, zoals hun belangrijkste partner Volkswagen, moeten hun platformontwerpen aanpassen om deze nieuwe batterijpakketten te integreren en de voordelen ervan ten volle te benutten.

Kortom, QuantumScape heeft de solid-state batterij niet "uitgevonden", maar lijkt wel de sleutel te hebben gevonden om deze massaal te kunnen produceren tegen het einde van dit decennium de eerste high-end auto's met deze technologie kunnen zien , wat het begin markeert van de daadwerkelijke tweede generatie elektrische auto's.