Het zo duurzaam mogelijk gebruik maken van de energie die ons op de wereld ter beschikking staat, is een belangrijke afspraak binnen het Klimaatakkoord. Vermindering van de CO2-uitstoot door onder meer het afbouwen van het rijden op fossiele brandstoffen en het gebruikmaken van zonne- en windenergie, maken dat er op verschillende plekken op de wereld onderzoek wordt gedaan naar duurzame oplossingen, onder andere voor onze mobiliteitsdrang.
Wij richten ons graag op de toekomst en we houden dan ook de verschillende innovatieve ontwikkelingen nauwlettend in de gaten. En zijn er ontwikkelingen die de moeite waard zijn – haalbaar of niet – om te vertellen, dan doen we dat graag. Deze keer besteden we aandacht aan de solid state batterij, ook wel vastestofbatterij genoemd, die zoals het zich laat aanzien, vanaf ongeveer 2025 op de markt zal komen.
De eerste solid state batterijen rijden sinds 2020 rond in Duitsland. Hier heeft autoproducent Mercedes enkele tientallen stadsbussen uitgerust met een vastestofbatterij. Zo’n vastestofbatterij bestaat uit, en de naam zegt het al, een vaste elektrode en een vaste elektrolyt. Batterijen waarmee elektrische auto’s op dit moment zijn uitgerust (dit zijn lithium ion batterijen oftewel Li-ion batterijen), bestaan uit vloeibare elektrolyten. Kort door de bocht bestaat een batterij (accu) uit een minpool (een anode), een pluspool (een kathode) en een elektrolyt. Dit elektrolyt vormt de verbinding tussen min en plus en zorgt voor een chemische verbinding waartussen elektriciteit kan stromen. Het elektrolyt is vloeibaar, wat een goede geleider is; hoe hoger de geleidbaarheid, hoe meer elektriciteit er in korte tijd kan worden vrijgegeven.
Michael Faraday
Een batterij is beslist geen uitvinding die gedaan is in de afgelopen jaren. Er zijn vondsten gedaan van potten die in staat zijn elektriciteit los te laten die al dateren van 200 v. Chr. Alessandro Volta, die wij beschouwen als de uitvinder van de batterij, heeft deze potten in 1799 alleen wat verbeterd en er zijn naam; de zuil van Volta, aan gegeven. De ontdekking van de vaste elektrolyten stamt uit de tijd van Volta. Brits natuur- en scheikundige Michael Faraday (die van de kooi en van de eenheid Farad, de eenheid van elektrische capaciteit) een goede vriend van Volta, kwam hier voor het eerst mee.
Al in de jaren vijftig van de vorige eeuw werden de eerste vastestofbatterijen ontwikkeld. Hiervoor werd zilver als elektrolyt gebruikt. Helaas hadden deze batterijen door een slechte geleiding een zeer lage energiedichtheid en de batterijen kwamen al snel als onbruikbaar onder op een plank terecht. Pas in 2013 werd de ontwikkeling van een solid state batterij weer opgepakt. Dit gebeurde op de Colorado University in Boulder, USA, waar men ijzer-zwavelchemie en glaselektrolyten ging toepassen die een hogere energiedichtheid hebben. In 2018 pakken de bedrijven Solid Power en het Chinese Qing Tao het ontwikkelstokje over met de productie op kleine schaal van vastestof lithium-metaal batterijen. Deze batterijen hebben op papier een vermogen van 10 megawattuur wat neerkomt op 10.000 kilowatt. Hiermee zouden auto’s zonder te hoeven laden, langer dan een jaar kunnen rondrijden.
Een tweede revolutie in elektrisch rijden
Naast die enorme actieradius, biedt een solid state batterij nog meer voordelen. Jan Wouters, columnist voor Innovation Origin, spreekt zelfs over een tweede revolutie of de heilige graal in elektrisch rijden. Hij stelt dat vaste elektrolyten inmiddels goede geleiders zijn van ionen en dat ze meteen ook goede isolatoren zijn voor elektronen. Hierdoor ontstaat in de batterij een zeer lage elektrische weerstand, is er vrijwel geen zelfontlading maar wel een zeer hoog energievermogen.
Een vastestofbatterij blijkt ook nog eens een stuk minder temperatuurgevoelig, waardoor hij direct ook een stuk veiliger is dan een Li-ion batterij. Je kunt de oplaadcapaciteit een stuk beter benutten, waardoor het rijbereik groter wordt of je kunt een veel kleinere batterij plaatsen, waardoor de auto ruimer, lichter en misschien ook betaalbaarder wordt. Een Li-ion batterij zit anno nu wat betreft oplaadcapaciteit vrijwel aan het eind van zijn mogelijkheden. Een nog grotere batterij, om bijvoorbeeld meer actieradius te verkrijgen, heeft meer ruimte nodig, levert veel extra gewicht en zorgt voor meer risico wat betreft ontvlambaarheid. (Hoe meer cellen hoe meer risico.)
Al met al is een solid state batterij een grote stap voorwaarts naar duurzaam rijden in de toekomst. Toyota wil graag de eerste zijn die een grootschalige productie in gang zet en heeft hiervoor alvast maar liefst 1000 verschillende octrooien aangevraagd. Of dit gaat lukken is nog maar de vraag, want inmiddels heeft de tech startup QuantumScape al uitgebreide testritten gemaakt met de Volkswagen id Space Vizzion.
Het streven van de Europese commissie om in 2030 30 miljoen EV’s te laten rondrijden, is waarschijnlijk een utopie, maar de komst van de solid state batterij brengt de toekomst misschien wel iets dichterbij.
