Om het gebruik van elektrische voertuigen verder te stimuleren, zou de beschikbaarheid van vastestofbatterijen (batterijen met een elektrolyt in vaste vorm) wel eens van doorslaggevend belang kunnen zijn. Dankzij de ontwikkeling van vastestofbatterijen zouden elektrische auto’s – op het vlak van rijbereik – in de toekomst immers niet langer moeten onderdoen voor wagens met een interne verbrandingsmotor.
De eerste prototypes van wagens met een dergelijke batterij zullen later dit jaar worden voorgesteld; de commerciële modellen zullen wellicht tegen 2025 klaar zijn. Professor Philippe Vereecken (imec / KU Leuven / EnergyVille) geeft in deze expert talk toelichting bij de ontwikkeling én het potentieel van dit nieuwe batterijtype.
De elektrische auto is niet meer weg te denken
De interesse voor elektrische voertuigen groeit. De grote autofabrikanten hebben verschillende nieuwe modellen voor de komende jaren aangekondigd. Elektrisch rijden heeft bovendien het potentieel om vanaf 2025 competitiever te worden dan alternatieven met een verbrandingsmotor. De autonomie van de elektrische wagen verbetert steeds meer. Een rijbereik van 300km zonder bij te laden zal daarmee snel de norm worden. De toekomst van de elektrische wagen ziet er met andere woorden rooskleurig uit. Om deze tendens verder door te trekken, moeten we de prestaties van elektrische wagens blijven verbeteren en de infrastructuur om elektrisch te rijden blijven uitbreiden.
De elektrische wagen van de nabije toekomst moet betaalbaar zijn voor iedereen, veilig en het comfort aanbieden van voldoende rijbereik en snelle laadtijden. Een rijbereik van 300km kan voldoende zijn als de batterij snel genoeg laadt en er voldoende laadstations aanwezig zijn. Een langer rijbereik, zal echter niet alleen het comfort van de bestuurder verbeteren maar ook de druk op snellaadmogelijkheden en de vraag naar laadstations doen verlagen. Inderdaad, met het stijgende aantal elektrische voertuigen op de weg, is het belangrijk dat het rijbereik mee blijft stijgen om ook de vraag naar laadpalen niet te overbelasten.
De klassieke wagens met interne verbrandingsmotor bieden ons tegenwoordig het comfort van ongeveer 700km rijbereik. Een tankbeurt duurt daarbij enkele minuten. De laadtijd van een batterij, waarbij 15-20 een redelijke termijn is, zal waarschijnlijk altijd trager blijven dan een tankbeurt. De batterijgedreven wagen kan echter wel het rijkbereik van de wagens die aangedreven worden door een interne verbrandingsmotor bereiken of zelfs overtreffen. De belangrijkste ontwikkelingen om dit te bereiken liggen in de batterij zelf, en dan meer specifiek in de overgang naar vastestofbatterijceltechnologieën.
De beste lithium-ion batterijcellen (LiB) hebben vandaag een energie- of E-dichtheid van iets meer dan 700 Wattuur per liter (Wh/l). Met deze cellen, kan een elektrische wagen in theorie een rijbereik aan van ongeveer 500km. De klassieke LiB-cel bereikt echter stilaan zijn limiet en wordt verwacht te stagneren op ongeveer 800 Wh/l omwille van de praktische limieten van de actieve materialen. Vastestofbatterijen die een vaste elektrolyt bevatten in plaats van de vloeibare elektrolyt in de huidige LiB, kunnen deze limiet overstijgen. Met de ontwikkeling van de nieuwe vastestoflithiummetaalbatterijcel, kunnen cellen mogelijk een E-dichtheid bereiken die voorbij 1000 Wh/l gaat. Gecombineerd met nieuwe ontwikkelingen in batterijpakketten en batterijmodules, zal dit ervoor zorgen dat elektrische wagens een autonomie zullen kunnen bereiken van meer dan 700km, zonder laadbeurt tussendoor. De vastestofelektrolyt biedt daarnaast ook een verhoogde veiligheid aangezien de ontvlambare oplossingen in de vloeibare elektrolyt niet langer een risico vormen. Een elektrische wagen met vastestofbatterijtechnologie zal vermoedelijk vanaf 2025 op de markt verschijnen.
Nieuwe ontwikkelingen in de batterijcel en het batterijpakket zorgen voor meer autonomie
Het maximale rijbereik van een elektrische wagen wordt bepaald door de beschikbare energie in het batterijpakket. De energie van deze batterij wordt aangeleverd door vele individuele lithium-ion batterijcellen (LiB) die in serie en parallel met elkaar verbonden worden om de hoge stromen en spanningen te bereiken die nodig zijn voor de elektrische motor.
De beschikbare energie wordt dus in de eerste plaats bepaald door de energiedensiteit van de LiB-cellen. De energie- of E-dichtheid vertelt ons hoeveel energie (in wattuur of Wh) past in ofwel het volume van een cel (volumetrische E-dichtheid in Wh per liter of Wh/l) ofwel per gewicht van een cel (gravimetrische E-densiteit in Wh per kilogram of Wh/kg). Beiden zijn uiteraard belangrijk voor de prestaties van de auto, maar automobielfabrikanten kijken in eerste instantie naar de volumetrische E-dichtheid aangezien er geen compromis mogelijk is wat betreft het volume van een auto. Om de reikwijdte van 700km te halen, zullen cellen met een E-densiteit nodig zijn van 1000 Wh/L (500Wh/kg). De huidige LiB-cellen kunnen 700Wh/L (230Wh/kg) aanleveren. Een significante duw in energiedensiteit is dus nodig.
Het geplande traject voor ontwikkeling van batterijcellen voorziet dat cellen van 1000 Wh/L beschikbaar zullen zijn in 2030 dankzij de komst van vastestoflithiummetaalbatterijen (zie onder). We hoeven echter niet noodzakelijk 10 jaar te wachten om het doel van 700km te bereiken. Een alternatief kan ook een verhoogde energieopbrengst zijn in het batterijpakket of de batterijmodule zelf. Naast de vele individuele cellen in grote batterijpakketten, bevat de batterijmodule van een auto elektronica en sensoren om de veiligheid te garanderen en het batterijgebruik te sturen. Om bijvoorbeeld een lange levensduur te garanderen, zal het batterijbeheersysteem (“battery management system” of BMS) slechts een deel van de energiedichtheid van de cellen gebruiken om schade aan de elektrodechemie te vermijden door, bijvoorbeeld, lokaal overladen of –ontladen. De beschikbare energie om te rijden is daarmee mogelijks maar 60-80% van wat je meedraagt aan batterijcellen, afhankelijk van welk type van elektrische wagen. Dit fenomeen staat bekend als overdimensionering van de batterij. Nieuwe innovaties in zogenaamde slimme cellen kunnen het energiebeheer van batterijen verbeteren en het rijbereik van elektrische voertuigen zo verhogen. Deze nieuwe slimme cellen zullen microsensoren hebben die ingebouwd zijn in de cel om hun laadstatus en gezondheidsstatus te monitoren. Binnen EnergyVille ontwikkelen we een multi-array van sensoren met geïntegreerde elektronica in de cel om te communiceren met het BMS van de batterijmodule. Het eerste prototype kan verwacht worden in de komende jaren.
En ander voorbeeld zijn vastestofbatterijen. De eerste elektrische voertuigen met deze nieuwe technologie worden op de markt verwacht ergens in het midden van de jaren 2020. Toyota heeft al een prototype aangekondigd dat getoond zal worden op de Olympische Spelen van 2020 in Tokyo. Deze eerste generatie van vastestof-LiB-batterijcellen zullen echter geen hogere energiedichtheid hebben dan hun equivalent met een vloeibare elektrolyt. Inderdaad, de vastestof-LiB zullen initieel gelijkaardige actieve elektrodematerialen bevatten, en dus ook een gelijkaardige energie opwekken in de cel. Dus, waarom dan de moeite om vastestof te ontwikkelen? Wel, de vastestofbatterij laat andere, meer compacte, stapelingen van cellen toe in het batterijpakket. Vastestofcellen kunnen nu ook gebouwd worden in bipolaire arrangementen wat een hogere spanning mogelijk maakt op celniveau. Dit vereenvoudigt het elektrisch verbinden van de cellen en maakt zo ruimte voor meer cellen in het batterijpakket. Vastestof-LiB zijn ook veiliger van aard, wat wil zeggen dat minder elektronica nodig is voor metingen in de periferie van de batterijmodule. Ten slotte heeft de vastestofbatterij ook een grotere spanningsmarge dan de natte LiB, wat betekent dat het risico op beschadiging van de cel bij laden of ontladen veel lager ligt. Zo wordt een groter deel van de celenergie bijkomend beschikbaar voor gebruik. Al deze effecten samen zorgen dat de beschikbare energie van het batterijpakket groter is voor vastestofcellen, zelfs voor cellen met eenzelfde energiedichtheid zoals deze van de eerste generatie vastestofbatterijen die mogelijks zelfs een lagere E-dichtheid zullen hebben dan natte LiB-cellen.
Figuur: De energiedichtheid van de Li-ion batterijcel (LiB) is meer dan verdrievoudigd sinds deze geïntroduceerd werd op de markt door Sony in 1991. Voortdurende verbeteringen in verschillende componenten van de LiB met LiCoO2-grafietsamenstellingen resulteerden in een stijging van gemiddeld 25 Wh/L per jaar van 1995 tot 2010. De introductie van nieuwe actieve kathodematerialen, zoals NiCoAl-gebaseerde en NiMnCo-gebaseerde lithiummetaaloxides (NCA en NMC) en de geleidelijke toevoeging van silicium aan de grafietanode hebben de nog verdere groei in E-dichtheid mogelijk gemaakt. Het wordt echter verwacht dat met de huidige materialen een praktische limiet van 800 Wh/L voor LiB zal bereikt worden. Vastestofbatterijtechnologieën zijn nodig om door dit plafond heen te breken en de trend verder te zetten richting 1000Wh/L en verder.
Vastestoflithiummetaalbatterijen zijn de volgende stap
Door enkel de vloeibare elektrolytoplossing in de natte LiB te vervangen door een vastestofelektrolyt zal op zich geen verhoging in de E-dichtheid verwezenlijkt worden. Integendeel, anorganische vastestofelektrolyten in poedervorm nemen meestal meer ruimte in beslag en wegen meer dan de vloeibare variant in de huidige LiB. Bij gevolg zullen vastestofelektrolyten de energiedichtheid initieel verlagen voor een cel met dezelfde actieve elektrodematerialen.
Figuur: Schematische weergave van een vastestof-Li-on-batterij (SS-LIB) met grafiet-siliciumelektrode en een vastestofmetaalbatterij met dun lithiummetaal als anode.
Hierboven lichtten we al de toegevoegde meerwaarde toe die deze vastestof-LiB kunnen geven op het niveau van het batterijpakket. De vastestof-LiB kan echter nog meer. De grote meerwaarde ligt in het feit dat sommige vastestofelektrolyten een groter elektrochemisch venster kunnen aanbieden. Of in andere woorden: zij blijven stabiel, ook bij heel hoge spanningen waar de huidige vloeibare elektrolyten dat niet zijn. Dit betekent dat kathodematerialen met een hogere intrinsieke spanning gebruikt kunnen worden dan deze gebruikt in de LiB met typisch 3,6 tot 3,8V vandaag. En een hogere celspanning zorgt voor een hogere celenergie, op voorwaarde dat de Li-ion opslagcapaciteit dezelfde blijft. Bijvoorbeeld LiMn1.5Ni0.5O2 of LMNO heeft een elektrodepotentieel van 4,7V en kan niet gebruikt worden met vloeibare elektrolyten omdat zij zelf reageren bij deze voltages. Vastestofelektrolyten als lithium-lanthanum-zirconiumoxide of LLZO zijn stabiel tot 5V en dus compatible met deze hoge spanningskathodes. De vastestof-LiB kunnen daarmee het plafond van 800Wh/L voor natte LiB overstijgen.
Om echter de langverwachte grens van 1000Wh/l (en meer) te bereiken, kijken we naar de vastestoflithiummetaalbaterijcellen (LMB) waar we de langverwachte heilige graal van lithiummetaal als anode zullen gebruiken. Uit veiligheidsoverwegingen heeft de huidige LiB grafiet (in combinatie met silicium) als anode. Lithiummetaal heeft de hoogste energiedichtheid als anode en biedt daarbij de hoogste spanning mogelijk voor de anode in de cel. Lithiummetaal werkte voorlopig nog niet omdat het opladen van de batterij leidt tot de vorming van naaldjes of dendrieten van lithiummetaal waardoor intern kortsluiting kan ontstaan in de batterij met als gevolg een plotse sterk oplopen van de temperatuur in de cel en mogelijks zelfs explosies. Het was Dr. Akira Yoshino, een van de drie Nobelprijswinnaars in scheikunde vorig jaar, die de oplossing voor dit probleem wist te vinden.
Het wegstoppen van de Li-ionen tussen de grafietlagen was een veilige middenweg, maar ging ten koste van de energiedichtheid en celspanning. Verscheidene van de vastestofelektrolyten zijn bestand tegen metallisch lithium dat nu opnieuw als anode gebruikt zou kunnen worden. Trouwens, lithiummetaalbatterijen met vaste polymeerelektrolyten zijn reeds commercieel beschikbaar. Deze batterijen werken echter enkel op temperaturen boven 70°C en zijn daarom niet geschikt voor elektrische wagen. De reden voor de verhoogde temperatuur is een te lage Li+ ionengeleidbaarheid voor deze vaste polymeerelektrolyten. Daarom heeft het onderzoek op vastestofbatterijen zich initieel gefocust op het vinden van vastestofelektrolyten met voldoende ionische geleiding.
In de afgelopen jaren zijn echter verschillende goede opties ontdekt met een ionengeleidbaarheid die deze van de vloeibare elektrolyten gebruikt in LiB vandaag evenaart of zelfs overstijgt. Toyota is vandaag de kampioen met een anorganisch sulfide-type vastestofelektrolyt dat een Li+ ionengeleiding vertoont dat 3 keer hoger ligt dan dat van een vloeibare elektrolyt. En andere kanshebber is LLZO, een anorganisch granaatoxide-type elektrolyt dat evenwel een iets lagere ionengeleiding heeft dan de vloeibare elektrolyten, maar een grote elektrochemische stabiliteit heeft (zie boven). Een nadeel van deze anorganische elektrolyten is dat ze extreem gevoelig zijn voor vocht wat het productieproces van vastestofbatterijen sterk bemoeilijkt. Binnen imec hebben we een nanocomposiet elektrolyt ontwikkeld dat gemaakt wordt van een vloeibare precursoroplossing die vast wordt nadat het in de cel is gebracht. Dit maakt het materiaal perfect compatibel met de huidige productieprocessen voor Li-ion cellen.
In de afgelopen vijf jaar, werd de focus van het onderzoek naar vastestofbatterijen inderdaad verschoven naar de assemblage van cellen en de integratie van alle componenten in een werkende cel. Een van de problemen daarbij is de sterke reactiviteit van de materialen waardoor hoog impedante laagjes vormen tussen de functionele componenten die de werking van de cel belemmeren. Zogenaamde ‘artificiële interfase coatings’ worden ontwikkeld om deze reacties te voorkomen. Binnen EnergyVille, worden opschaalbare en kostefficiënte methodes ontwikkeld om deze (sub)nanometer-dunnefilm-coatings af te zetten in de dikke poreuze lagen die de batterij-elektrodes vormen. Deze nanocoatings zullen essentieel zijn in de verdere ontwikkeling van batterijen. En dit niet alleen voor de vastestoflithiummetaalbatterijen die in ontwikkeling zijn, maar uiteindelijk ook voor verbeteringen aan de klassieke LiB met vloeibaar elektrolyt. Immers de know-how over vaste-stof elektrolyten kan ook aangewend worden voor deze LiB. Wie weet wordt oplossing uiteindelijk toch een hybride aanpak waar dunne vaste-stof elektrolyten samen gaan met vloeibare elektrolyten.
Key takeaways
Vastestofbatterijtechnologieën zijn volop in ontwikkeling. Deze vastestofbatterijtechnologieën zullen de elektrische wagen in staat stellen om de autonomie van een wagen met een interne verbrandingsmotor te evenaren of zelfs overtreffen. Een eerste prototype van een elektrische wagen met deze vastestofbatterijcellen zal dit jaar nog voor het eerst getoond worden. Commerciële modellen zullen op de markt verschijnen vanaf 2025. Bijkomend zullen ontwikkelingen op batterijpakketniveau, zoals slimme cellen met sensoren, de effectieve of bruikbare energie van het batterijpakket reduceren of zelfs de nood om batterijen te overdimensioneren volledig elimineren in de toekomst. De elektrische wagen is daarmee niet alleen een feit maar biedt ook een rooskleurige toekomst aangezien de elektrische wagen minstens hetzelfde comfort zal kunnen aanbieden als voertuigen met een interne verbrandingsmotor.
