Volkswagen partner QuantumScape meldt doorbraak Solid State batterijen

0

Volkswagen partner QuantumScape zou naar verluidt een doorbraak hebben gemaakt bij Solid State batterijen. Het nieuwe type moet binnen 5 jaar in elektrische auto van het autoconcern te vinden zijn.

Het Amerikaanse bedrijf QuantumScape is al jaren een waardevolle bondgenoot van Volkswagen. De 2 bedrijven hebben in 2018 zelfs een joint venture opgericht. Een paar maanden geleden voegde de Duitse fabrikant nog een dimensie toe door 200 miljoen euro op tafel te leggen om een groter aandeel te verwerven in het kapitaal van de Californische energieopslagspecialist. Voor Volkswagen is dit vooral strategisch: het gaat erom een ​​veelbelovende technologie te bemachtigen en deze te integreren in haar auto’s. Dit zou al in 2025 moeten gebeuren.

De Solid State batterijen, waaraan QuantumScape werkt, zijn gebaseerd op een eenvoudig principe: het gebruik van een metalen elektrode die alleen uit lithium bestaat, in plaats van een grafietelektrode in een vloeibare elektrolyt, die de lithium ionen ‘ontvangt’. Dit biedt verschillende voordelen: ruimtebesparing, winst in energiedichtheid en een lager brandrisico. Inderdaad, in het geval van oververhitting (of in bepaalde zeer specifieke omstandigheden), kan de kathode een soort uitsteeksels ontwikkelen die na verloop van tijd de elektrolyt zullen perforeren en vervolgens kortsluiting creëren. Dat levert de inmiddels beroemde vuurzee op die wij soms in een video waarnemen, die zich voordoet in de vloeibare elektrolyt, die zelf brandbaar is. Vandaar de behoefte aan een efficiënt koelsysteem voor lithium/elektrolyt batterijen in de huidige elektrische auto’s.

QuantumScape is het nu gelukt om cellen te maken zijn zonder anode!

 

Over het door QuantumScape ontwikkelde model voor Solid State batterijen ‘verdwijnt’ de anode tijdens de ontlading (verplaatsing van de ionen naar de kathode). Alleen het elektrische contact van de anode blijft direct op de elektrolyt. De anode verschijnt weer bij oplading, wanneer de ionen in de tegenovergestelde richting worden overgedragen. Het gebruik van een lithium-metaalanode biedt vele voordelen, zoals hierboven vermeld. Allereerst een kleiner ruimtebeslag, maar vooral winst aan dichtheid. Omdat het puur lithium is, en meer specifiek grafiet-lithium, is het mogelijk om veel grotere overdrachten van ionen tussen anode en kathode te hebben. Op een conventionele anode kunnen 6 koolstofmoleculen één lithium/ion bevatten. Op een solide batterij hoeven lithium/ionen niet langer in contact te worden gebracht met koolstof: ze worden alleen opgeslagen. En dit alles met een stabielere vorm.

Links een klassieke batterij cel. Aan de rechterkant, de QuantumScape-cel. In groen de anode die verschijnt tijdens het opladen.

 

Het risico van ‘uitsteeksels’ en kortsluiting wordt hier inderdaad tegengegaan door het feit dat de elektrolyt van de anode vast en vloeibaarder is. Dit is de keramische scheidingsplaat, die verschilt van het poreuze materiaal dat wordt aangetroffen in de huidige lithium/ion batterijen. Het is dit materiaal dat alle uitdagingen samenbrengt: het is zowel in staat om ionen door te laten, terwijl het de uitsteeksels blokkeert en fysiek elk risico op kortsluiting en brand voorkomt. En aangezien er aan elke kant een hogere concentratie lithium is (lithiummetaalanode en lithiumkathode), is het risico op kortsluiting bij lithium/ion batterijen des te grote.

QuantumScape presenteert deze afbeelding van het beroemde keramische membraan dat anode en kathode scheidt. In tegenstelling tot de Bolloré batterijen (dit zijn de zeldzame lithium-metaal-polymeer batterijen) die korte tijd in de eigen auto’s op de markt zijn gebracht, maar het enorme nadeel hebben dat ze constant met stroom moeten worden gevoed om een ​​bepaalde temperatuur te behouden wanneer ze niet worden gebruikt), is hier de elektrolyt keramisch en flexibel.

Glas, keramiek, polymeer, veel materialen zijn onderwerp van onderzoek geweest, maar ze stuiten vaak op problemen van zuiverheid en fabricagekwaliteit. Voor de oprichter van QuantumScape is het de vrucht van meerdere jaren werk: “wij hebben de afgelopen 5 jaar gewerkt aan productie met het juiste kwaliteitsniveau, tegen lage kosten en volgens een proces dat geschikt is voor verschillende schaalniveaus”.

De flexibele keramische elektrolyt die wordt gebruikt door QuantumScape.

 

Want dat is de grote uitdaging van de “solide” batterij: de laboratoriumfase doorstaan. Het is vrij eenvoudig om laboratoriumtests uit te voeren op een enkele eenheid (anode en kathode), maar dat is iets anders als je stapels met meerdere cellen moet bouwen en een echte batterij moet bouwen. Bovendien wijzen sommige ingenieurs op het feit dat vaste elektrolyten vaak “onzuiver” zijn, vooral indien zij van glas en keramiek zijn vervaardigd, met onregelmatige oppervlakken waardoor de batterijen soms defect raken.

Samenvattend spreekt QuantumScape over 800 levenscycli (vergeleken met ongeveer 200 voor andere vormen van Solid State batterijen die momenteel worden bestudeerd) en een testtemperatuur van 30 graden. Met dit aantal cycli zou het mogelijk zijn om honderdduizenden kilometers af te leggen.

 

Wie te geloven?

Solid State batterijpakketten zijn al vele, vele jaren in de studie. Net als de beroemde grafeen batterijen (die grafiet zouden vervangen en ook diverse voordelen zouden hebben). Maar in werkelijkheid is tot dusverre nog niemand in staat geweest Solid State batterijen te ontwerpen die winstgevend zijn en industrieel kunnen worden geproduceerd. Het in serie vervaardigen van deze batterijen zou nu dan waarschijnlijk alsnog mogelijk zijn (of in ieder geval snel moeten gebeuren), maar tegen welke prijs? Ze zullen waarschijnlijk niet erg concurrerend zijn met traditionele vloeibare batterijen die nog niet hun volledige exploratie- en onderzoekspotentieel hebben opgeleverd. En zelfs als de energiedichtheid van een Solid State batterij op dit moment 500 Wh per kilo zou kunnen bereiken (dit is meer dan 2 keer zoveel als batterijen in huidige elektrische auto’s), is de factor van de fabricagekosten waarschijnlijk veel meer zijn dan 2.

Voor Volkswagen wordt het een kwestie om zichzelf snel bewijzen. De joint venture met QuantumScape heeft tot doel om in 2022 te beginnen met de bouw van een fabriek, met de ambitie om tegen 2025 het equivalent van 1 GWh aan batterijen te produceren. Tegen die tijd zal het nodig zijn om te laten zien dat er sprake is van industriële winstgevendheid en daarnaast van voldoende concurrentievermogen.

Reageren is niet mogelijk.