Van vloeistof naar vast; beter, robuuster en veiliger!

De wens van meer accucapaciteit/-bereik en de beschikbaarheid van grondstoffen hebben mede geleid tot de doorontwikkeling van de Solid State batterij, die niet alleen efficiënter is, maar ook steviger, minder schadegevoelig en (brand-) veiliger. De Solid State batterij kan de omslag naar elektrisch rijden versnellen, en heeft ook gevolgen voor parkeren.

[Dit artikel verscheen eerder in Vexpansie 2022-1. | Tekst: Koen Lau, Arno van der Steen en Stefan van Sterkenburg] 

Sinds het duidelijk is dat de toekomst van de mobiliteit elektrisch gaat worden, heeft de ontwikkeling van energiedragers voor auto’s een enorme vlucht genomen. De verwachting is dat tussen 2035 en 2038 er evenveel elektrische voertuigen als voertuigen met een verbrandingsmotor in Nederland rondrijden. Deze moderne elektrische auto’s (EV: Electric Vehicle) zien er uiterlijk niet anders uit dan de auto’s die we gewend zijn met verbrandingsmotoren voor fossiele brandstoffen (ICE: Internal Combustion Engine/verbrandingsmotor), maar onder dat ‘bekende’ uiterlijk zijn ze dat zeker wel. Eén van de meest opvallende verschillen is dat de brandstoftank vervangen is door een zeer groot en zwaar pakket accu’s. In de huidige generatie EV’s verschillen deze accu’s weinig van de (loodzuur) accu die ineen ICE-auto wordt gebruikt. Deze accu’s zijn vloeistofaccu’s, bij de meeste EV’s van het type Lithium-Ion (Li-ion).

Lithium-ion accu 
Een Li-ion accu is een oplaadbare accu waarin lithiumionen van de negatieve elektrode via een elektrolyt naar de positieve elektrode bewegen tijdens het ontladen en terug bij het opladen. De elektrolyten en elektroden zijn vloeibaar. Bij EV’s is voor Li-ion gekozen omdat deze stof een hoge vermogensdichtheid kent. Dit betekent dat de accu meer vermogen kan leveren met hetzelfde of zelfs minder gewicht in vergelijking met andere soorten accu’s zoals de oude loodzuur accu.

Li-ion accu’s worden al gebruikt sinds de eerste in massa geproduceerde elektrische auto’s op de markt kwamen. Deze accu’s hebben echter ook nadelen en gebreken. Ze zijn relatief zwaar, zijn bij beschadiging moeilijk te repareren en zijn relatief brandbaar. Als door kortsluiting brand ontstaat is door de grote accu’s in de elektrische auto’s het effect groot.

Nieuw: Solid State accu’s 
De auto-industrie werkt, met partners, hard aan een nieuwe batterijtechnologie die nietde nadelen van de huidige generatie Li-ion batterijen zal hebben. Deze nieuwe technologie is de Solid State batterij. De elektroden en elektrolyten van een Solid State accu zijn vast. De afwezigheid van vloeibare chemicaliën maakt Solid Stateaccu’s veel veiliger en tegelijkertijd hebben ze een veel grotere energiedichtheid. Solid State accu’s zijn te vergelijken met huis-, tuin- en keukenbatterijen, zoals de populaire penlight (type AA of AAA) batterij. Overal ter wereld is men op dit moment bezig met de ontwikkeling van Solid State accu’s. Grote bekende merken, zoals Samsung en Panasonic, maar ook automerken als Toyota en VW, werken hier hard aan.

In 2020 creëerde Samsung een prototype met een energiedichtheid van 900 Wh/l. Ter vergelijking: de beste Li-ion accu is slechts 700 Wh/l. Hogere energiedichtheid betekent een groter bereik in een EV bij hetzelfde gewicht van de batterij. Ook kan de Solid State accu meer laadcycli hebben. In dit geval 1000: dat betekent dat de batterij 1000 keer kan worden opgeladen van nul tot 100 procent. Vertaald naar toepassing in een elektrische auto betekent dit een batterij die tot 800.000 km meegaat (Samsung 2020). Ook Volkswagen en haar partner Quantumscape werken aan Solid State accu’s. Deze combinatie claimt een accu te hebben die in 15 minuten van nul naar 80 procent capaciteit laadt. Deze accu heeft 800 laadcycli en 1000 Wh/l energiedichtheid (Hawkins, 2020). Vanaf 2024 gaat deze accu in (massa)productie.  Toyota en Panasonic hebben samen al meer dan 1000 Solid State patenten (Neilson 2021). Deze combinatie wil accu’s met het dubbele bereik van een standaard Li-ion accu maken, die in 30 jaar (!) 90 procent van de accucapaciteit behoudt. Deze accu’s kunnen, volgens Toyota, dan in 10 minuten van nul tot 100 procent worden opgeladen. Vanaf 2025 moeten deze accu’s in (massa) productie genomen worden (Baldwin, 2020). Overigens hebben Solid State accu’s nog een bijkomend voordeel dat ze veel minder brandbaar zijn dan Li-ion of loodzuur accu’s. Het risico van oververhitting bij hetlaadproces is vrijwel nihil.

Verkoopboost 
Accutechnologie heeft een lange weg afgelegd sinds de eerste in massa geproduceerde EV. Nu is het wachten op de ontwikkelingen in de mobiliteitsindustrie. Solid State accu’s zijn nog niet klaar voor grootschalige toepassing. Er zijn nu nog productiebeperkingen en betrouwbaarheidsproblemen. Als deze issues verholpen zijn en EV’s en masse over kunnen stappen op Solid State accu’s, zal het een enorme impact hebben op het aanbod van EV’s én de reductie van ICE-auto’s. De verwachting van de sector is dat dit het definitieve keerpunt zal zijn voor EVverkoop. Klanten zullen hun aandacht gaan richten op de EV als favoriete voertuig. De verkopen van ICE-auto’s zullen in rap tempo dalen.

Gevolgen voor parkeren 
De behoefte aan meer oplaadpunten kan door de grotere capaciteit van de Solid State accu de verdere uitbreiding van de laadinfrastructuur, bijvoorbeeld in parkeergarages, afremmen. Of het elektriciteitsnetwerk de grote vraag van al deze EV’s aan kan, is een groter vraagstuk dat heel snel zal moeten worden opgelost. Kortom: de opkomst van Solid State accu’s maakt EV’s aantrekkelijker ten opzichte van ICE-auto’s.

Tekst: Koen Lau, Arno van der Steen, Stefan van Sterkenburg – HAN Automotive Research*

* HAN Automotive Research is een lectoraat van de Hogeschool van Arnhem en Nijmegen. Binnen het lectoraat houden meer dan dertig onderzoekers zich bezig met de ontwikkelingen van de (auto)mobiliteit op de gebieden ‘Groene Mobiliteit’ en ‘Slimme Mobiliteit’. Hierbij richt Groene Mobiliteit zich op de verduurzaming van de techniek in de auto, waarbij zaken als efficiëntie, aerodynamica, lichtere materialen, elektrificatie en waterstof worden onderzocht. Slimme Mobiliteit richt zich op het gebruik van de auto, de interactie met de weg, andere weggebruikers, veiligheidssystemen, sensoren en dergelijk.