Hoe solid-state batterijen het transport kunnen transformeren

In 1992 ontketende Sony een revolutie in draagbare elektronica. Door gebruik te maken van tientallen jaren laboratoriumonderzoek naar lithium-ionbatterijen kon het Japanse bedrijf producten introduceren zoals mobiele telefoons en draagbare videocamera’s die de levens van miljarden consumenten hebben veranderd.

Batterijen ondersteunen nu de wonderbaarlijke taak om het mondiale energie- en transportsysteem te herzien om de afhankelijkheid van fossiele brandstoffen te verminderen. Hoewel de kosten voor het maken van lithium-ionbatterijen sterk zijn gedaald, waardoor de verkoop van elektrische auto’s de afgelopen jaren een hoge vlucht heeft genomen, zijn de basisprincipes van de technologie sinds de commercialisering weinig veranderd.

Na drie decennia van stapsgewijze optimalisatie zou deze orthodoxie echter spoedig op zijn kop kunnen worden gezet. Toyota, ‘s werelds grootste autofabrikant, heeft de afgelopen weken aangegeven dat het dicht bij een productiedoorbraak staat voor een potentieel baanbrekende technologie: solid-state batterijen. De hype bouwt voort sinds een reeks aankondigingen over de volgende generatie technologie door de Japanse autofabrikant in juni. De marktkapitalisatie is sindsdien met 26 miljard dollar gestegen.

Als dit lukt, zou Toyota al in 2027 elektrische voertuigen kunnen gaan verkopen die veiliger zijn, sneller kunnen opladen en 1.200 kilometer kunnen rijden met één oplaadbeurt – ongeveer het dubbele van het huidige gemiddelde van het bedrijf.

“Er is wereldwijd een race gaande om succes te boeken op het gebied van vastestofbatterijen”, zegt Peter Bruce, medeoprichter en hoofdwetenschapper van de Faraday Institution, een Brits onderzoeksinstituut voor batterijen. “Als Toyota of wie dan ook erin slaagt solid-state batterijen te vervaardigen die qua kosten concurrerend zijn en de benodigde levensduur bieden, dan kunnen ze een stap hoger in energiedichtheid en laadtijd van 10 minuten realiseren. Als ze die cijfers halen, zal dat ontwrichtend zijn.”

Als de technologie met succes wordt geïntroduceerd, kunnen de gevolgen dramatisch zijn. Het zou de auto-industrie opschudden, waar de verkoop van elektrische voertuigen en batterijen momenteel wordt gedomineerd door Tesla, en de Chinese BYD en CATL; het zou geopolitieke implicaties hebben gezien de westerse bezorgdheid over China’s huidige dominantie op het gebied van batterijen en hun grondstoffen; en het zou de toepassing van batterijen in nieuwe transportsectoren, zoals de luchtvaart, kunnen openstellen.

Sommige waarnemers zijn van mening dat de verschuiving net zo belangrijk zou kunnen zijn als die van vaste telefoons en vaste lijnen naar mobiele telefoons.

Maar de solid-state batterijtechnologie is niet zonder sceptici. Critici vragen zich af of fundamentele wetenschappelijke kwesties zijn aangepakt; Anderen vragen zich af of er ooit sprake kan zijn van snelle productie op grote schaal, of dat er ooit een omvangrijke markt zal bestaan.

“De opwinding rond solid-state batterijen impliceert dat de bestaande reeks oplossingen niet goed genoeg is. Het is vanzelfsprekend niet waar. De verkoop groeit met 20 tot 30 procent per jaar en bijna iedereen die ze probeert, zegt dat ze nooit meer terug zullen gaan”, zegt Alex Brooks, analist bij Canaccord Genuity. “Op dit moment is het een gehyped onderzoeksproject.”

Toyota’s laatste bewering over een doorbraak heeft de vraag doen rijzen over hoe snel solid-state batterijen een belangrijke bijdrage zullen gaan leveren aan het koolstofarm maken van het mondiale transportsysteem. Venkat Srinivasan, directeur van het Argonne Collaborative Center for Energy Storage Science, een door de Amerikaanse overheid gefinancierd laboratorium, noemt ze op de lange termijn de “heilige graal” van de batterij-industrie.

“Maar zijn dit interessante innovaties op laboratoriumschaal die nog een grote brug moeten oversteken voordat ze maakbaar zijn, of iets dat binnenkort op grote schaal geproduceerd kan worden?” hij vraagt. “Daar heb ik nog steeds moeite mee.”

Een solide basis

Alle batterijen werken op dezelfde manier: een stroom elektrisch geladen atomen, bekend als ionen, stroomt door een chemisch materiaal dat elektrolyt wordt genoemd, van de anode naar de kathode, de twee elektroden van de cel, en genereert daarbij een stroom.

Vastestofbatterijen verschillen van de huidige lithium-ioncellen doordat de elektrolyt vast is in plaats van vloeibaar. Verschillende materialen, waaronder polymeren, oxiden en sulfiden, worden getest als potentiële elektrolyten. Auto’s met vastestofbatterijen zouden veel veiliger zijn, omdat vloeibare elektrolyten een groter risico op brand lopen.

Het vervangen van de elektrolyt op zichzelf zou niet noodzakelijkerwijs resulteren in een grote verandering in de prestaties van de batterij. De echte opwinding hangt af van een technologische ontwikkeling die dit mogelijk zou maken: lithiummetaalanodes. Het vervangen van het grafiet dat in de huidige anodes wordt gebruikt, zou het bereik van de batterij kunnen verdubbelen, deels omdat deze lichter zou zijn.

Solid-state batterijen hebben al lang te kampen met uitdagingen op het gebied van de basistechnologie. Eén daarvan is de moeilijkheid om de prestaties van de batterij op peil te houden en defecten te voorkomen, aangezien herhaaldelijk opladen en ontladen de vorming van dendrieten, bundels lithium, veroorzaakt, die tot barsten kunnen leiden. Een andere uitdaging is het mogelijk maken van een stabiel contact tussen vaste materialen.

De eerste “doorbraak”, die Toyota in juni claimde, had betrekking op het oplossen van de technische problemen op het gebied van duurzaamheid, hoewel er weinig details waren over het soort materialen dat tot de doorbraak leidde. Vorige week kondigde het een partnerschap aan met de petrochemische groep Idemitsu Kosan om gezamenlijk een sulfide-elektrolyt te ontwikkelen en produceren, waarvan het zei dat het de sleutel zou zijn tot commercialisering binnen vijf jaar.

“We zijn ervan overtuigd dat op sulfide gebaseerde vaste elektrolyten de meest veelbelovende oplossing zijn voor problemen met elektrische voertuigen, zoals actieradius en oplaadtijden”, zei Idemitsu’s CEO Shunichi Kito op een gezamenlijke persconferentie met Toyota.

Wetenschappers zijn het er steeds meer over eens dat de uitdagingen op het gebied van de basistechnologie niet langer onoverkomelijk lijken. Dat maakt de volgende uitdaging het opschalen voor massaproductie. Het assemblageproces vormt een van de grootste obstakels, omdat lagen kathode-anodecellen snel en met hoge precisie moeten worden gestapeld, zonder de materialen te beschadigen.

De ingenieurs van Toyota hebben ook hier vooruitgang geboekt. De groep heeft er nu steeds meer vertrouwen in dat zij de cellen in hetzelfde tempo kan stapelen als de huidige lithium-ionbatterijen.

Er moeten nog andere technische obstakels worden overwonnen om tot grootschalige massaproductie te komen. “We hebben nog steeds een doorbraak nodig als het gaat om het garanderen van het volume en de kwaliteit van de batterijmaterialen”, zei een van de ingenieurs vorige maand tijdens een rondleiding door de fabriek.

Mondiale impact

De introductie van solid-state batterijen zou een diepgaande impact kunnen hebben op de toekomst van de mondiale auto-industrie.

Op dit moment heeft China het potentieel om de volgende fase van de industrie te domineren vanwege zijn leiderschap op het gebied van zowel batterijtechnologie als productie: het land produceerde vorig jaar ruim 75 procent van de batterijen wereldwijd, aldus het Internationaal Energieagentschap.

CATL is veruit de grootste batterijfabrikant ter wereld, met een marktaandeel van 37 procent. Het in Ningde gevestigde bedrijf is de meest winstgevende batterijfabrikant en heeft een formidabel kostenvoordeel, deels vanwege de schaalgrootte en investeringen in onderzoek en ontwikkeling.

Solid-state zou wel eens de enige manier kunnen zijn om Peking een voorsprong te geven in de batterijrace. Toyota is lang niet het enige bedrijf dat in de technologie investeert. Nissan en Honda hebben hun eigen programma’s. De drie grootste batterijproducenten van Zuid-Korea – LG Energy Solution, Samsung SDI en SK On – hebben allemaal verklaard dat ze van plan zijn dergelijke cellen tegen het einde van de jaren 2020 te ontwikkelen. De Amerikaanse start-ups QuantumScape en Solid Power, partners van respectievelijk Volkswagen en BMW, hebben vergelijkbare streefdata voor de commercialisering van hun eigen technologieën.

Akitoshi Hayashi, professor aan de Osaka Metropolitan University, zegt dat het “uiterst uitdagend” zal zijn om solid-state batterijen in massa te produceren met dezelfde kwaliteit als de huidige lithium-ionbatterijen, maar als dat lukt, zal de technologie “wereldwijd onverslaanbaar” zijn.

“Solid-state batterijen zullen van cruciaal belang zijn voor de heropleving van Japanse autofabrikanten, die achterlopen op het gebied van de EV-strategie, en voor Japan, dat wereldmarktaandeel heeft verloren op het gebied van lithium-ionbatterijen”, voegt hij eraan toe.

China controleert ook de verwerking van batterijgrondstoffen. Solid-state batterijen zouden bepaalde kwetsbaarheden kunnen verminderen, zoals de huidige afhankelijkheid van grafiet, waar Peking vorige week exportbeperkingen op plaatste. Maar ze zouden weinig doen om de voorspelde lithiumtekorten te verminderen, omdat ze zelfs meer zouden verbruiken dan de huidige batterijen.

Marktleiders in China en Korea zijn minder optimistisch over het verwezenlijken van hun belofte door solid-state batterijen. Volgens een persoon die dicht bij CATL staat, hebben de onderzoekers van de Chinese groep de afgelopen tien jaar gewerkt aan het kraken van vastestofbatterijen. Ze moeten nog een kosteneffectief systeem voor massaproductie vinden – en intern bij CATL bestaat er scepsis dat Toyota dit heeft bereikt.

Leiders uit de Koreaanse industrie zijn het daarmee eens. “Een product ontwikkelen en het op de markt brengen zijn twee verschillende zaken”, zegt een directeur. “Toyota heeft gesproken over massaproductie van vastestofbatterijen [more than] Tien jaar, maar ze blijven de timing uitstellen.”

Obstakels in de productie

Zelfs als de uitdagingen op het gebied van technologie en opschaling kunnen worden overwonnen, is het een grote vraag of solid-state batterijen de productiekosten op tijd kunnen verlagen om de wereldwijde uitrol van elektrische voertuigen te versnellen.

Schaalvoordelen zullen de kosten helpen verlagen. Maar de prestaties en kosten van de huidige lithium-ionbatterijen verbeteren ook voortdurend, naarmate andere technologieën zoals siliciumanodes vooruitgang boeken. De extreme gevoeligheid van solid-state batterijen voor vocht en zuurstof zou de productiekosten hoog kunnen houden, terwijl hun complexiteit dure herontwerpen van elektrische voertuigen zou kunnen vereisen.

Als de kosten niet voldoende omlaag gaan, kunnen solid-state-batterijen uiteindelijk beperkt blijven tot luxe auto’s of vrachtwagens. Kim Dong-myung, hoofd van de afdeling geavanceerde autobatterijen van het Koreaanse LGES, zegt dat de productie ervan “te duur” is en dat er “zeer beperkte toepassingen” zullen zijn. Zelfs als alles volgens plan verloopt, kunnen solid-state batterijen in 2035 slechts zo’n 10 procent van de totale markt voor elektrische voertuigen voor hun rekening nemen, schat Lee Kyung Sub, hoofd van de afdeling batterijmaterialen bij het Koreaanse conglomeraat Posco.

Toyota’s CEO Koji Sato zelf aarzelde om solid-state batterijen “een game-changer” te noemen voor het winnen van de wereldwijde EV-race. Sato heeft aangegeven dat solid-state batterijen in eerste instantie in kleine volumes zullen worden uitgerold in high-end modellen, terwijl lithium-ionbatterijen zullen blijven worden gebruikt voor goedkopere auto’s.

“Solid-state batterijtechnologie zal een uiterst belangrijke factor zijn in het opbouwen van onze algehele kracht in de verschillende batterijproducten die we hebben”, zei Sato vorige week. “Maar batterijen alleen zullen de waarde van ons voertuig niet bepalen.”

Veel leidinggevenden uit de sector zijn het erover eens dat de solid-state technologieën geleidelijk zullen worden geïntegreerd in de huidige batterijen. CATL lijkt precies dat te willen doen, door in april een nieuwe “gecondenseerde” of “semi-solid-state” batterij te onthullen met een dubbele energiedichtheid als de huidige modellen.

“Een volledig solid-state batterij is een ideaalbeeld van waar we heen willen”, zegt Glen Merfeld, chief technology officer bij Albemarle, ‘s werelds grootste lithiumproducent. “De huidige lithium-ionbatterijen zullen er uiteindelijk zo uit gaan zien.”

Ondanks alle technische obstakels die er nog zijn, zijn sommige waarnemers van mening dat de potentiële impact diepgaand kan zijn. Een batterij met substantieel verbeterde prestaties zou een herontwerp van vele aspecten van de mondiale mobiliteit mogelijk maken, variërend van robotaxis tot regionale luchtvaart en nieuwe soorten drones.

“Solid-state moet een missie vervullen. De taak van nieuwe batterijen is nooit het vervangen van oude batterijen. Het is bedoeld om dingen te ontsluiten die we voorheen niet konden doen”, zegt Shirley Meng, batterijprofessor aan de Universiteit van Chicago. “Door gebruik te maken van het nieuwe rijbereik en de nieuwe oplaadtijd, geven de Japanse autobedrijven een nieuwe kijk op de toekomst van transport.”

Aanvullende rapportage door Edward White in Seoul en Ryan McMorrow in San Francisco