Mobiele technologie neemt exponentieel toe in kracht, maar de batterijtechnologie houdt het niet bij. We bereiken de fysieke grenzen van wat conventionele lithium-ion- en lithium-polymeerontwerpen kunnen doen. De oplossing kan iets zijn dat een solid-state batterij wordt genoemd.
Wat is een solid-state batterij?
In een conventioneel batterijontwerp - meestal lithium-ion - worden twee massieve metalen elektroden gebruikt met een vloeibaar lithiumzout dat als elektrolyt werkt. Ionische deeltjes verplaatsen zich van de ene elektrode (de kathode) naar de andere (de anode) terwijl de batterij wordt opgeladen en omgekeerd wanneer deze wordt ontladen. De vloeibare lithiumzoutelektrolyt is het medium dat die beweging mogelijk maakt. Als je ooit hebt gezien dat een batterij corrodeert of lek raakt, is het 'accuzuur' dat eruit sijpelt (of soms explodeert) de vloeibare elektrolyt.
In een halfgeleiderbatterij zijn zowel de positieve als de negatieve elektroden en de elektrolyt daartussen vaste stukken metaal, legering of een ander synthetisch materiaal. De term "solid-state" doet u misschien denken aan SSD-gegevensstations , en dat is geen toeval. Solid State-opslagschijven gebruiken flash-geheugen, dat niet beweegt, in tegenstelling tot een standaard harde schijf, die gegevens opslaat op een draaiende magnetische schijf die wordt aangedreven door een kleine motor.
Hoewel het idee van solid-state batterijen al decennia bestaat, is de ontwikkeling ervan pas net begonnen, momenteel gestimuleerd door investeringen van elektronicabedrijven, autofabrikanten en algemene industriële leveranciers.
Wat is er beter aan solid-state batterijen?
Solid-state batterijen beloven een paar duidelijke voordelen ten opzichte van hun met vloeistof gevulde neven: een langere levensduur van de batterij, snellere oplaadtijden en een veiligere ervaring.
Vaste-stofbatterijen comprimeren de anode, kathode en elektrolyt tot drie platte lagen in plaats van de elektroden op te hangen in een vloeibare elektrolyt. Dat betekent dat u ze kleiner kunt maken - of in ieder geval platter - terwijl u evenveel energie vasthoudt als een grotere batterij op vloeistofbasis. Dus als u de lithium-ion- of lithium-polymeerbatterij in uw telefoon of laptop zou vervangen door een solid-state batterij van hetzelfde formaat, zou deze veel langer worden opgeladen. Als alternatief kunt u een apparaat met dezelfde lading veel kleiner of dunner maken.
Solid-state batterijen zijn ook veiliger, omdat er geen giftige, brandbare vloeistof kan worden gemorst, en ze geven niet zoveel warmte af als conventionele oplaadbare batterijen. Wanneer ze worden toegepast op batterijen die de huidige elektronica of zelfs elektrische auto's aandrijven, kunnen ze ook veel sneller worden opgeladen - ionen kunnen veel sneller van de kathode naar de anode gaan.
Volgens het laatste onderzoek zou een solid-state batterij 500% of meer beter kunnen presteren dan conventionele oplaadbare batterijen in termen van capaciteit en in een tiende van de tijd worden opgeladen.
Wat zijn de nadelen?
Omdat solid-state batterijen een opkomende technologie zijn, zijn ze ongelooflijk duur om te produceren. Zo duur zelfs dat ze op het moment van schrijven nog niet in grote consumentenelektronica zijn geïnstalleerd. In 2012, analisten die schrijven voor de afdeling Softwareanalyse en geavanceerde materiaalverwerking van de Universiteit van Florida geschat dat een typische solid-state batterij ter grootte van een mobiele telefoon ongeveer $ 15.000 zou kosten om te produceren. Een auto die groot genoeg is om een elektrische auto van stroom te voorzien, zou $ 100.000 kosten.
Dit komt deels doordat de schaalvoordelen niet aanwezig zijn: er worden nu elk jaar honderden miljoenen oplaadbare batterijen gemaakt, dus de productiekosten van de materialen en apparatuur zijn verdeeld over enorme toevoerleidingen. Er zijn maar een paar bedrijven en universiteiten die onderzoek doen naar solid-state batterijen, dus de kosten om ze allemaal te produceren zijn astronomisch.
Een ander probleem zijn de materialen. Hoewel de eigenschappen van verschillende metalen, legeringen en metaalzouten die worden gebruikt voor conventionele oplaadbare batterijen algemeen bekend zijn, weten we momenteel niet wat de beste chemische en atomaire samenstelling is voor een vaste elektrolyt tussen metalen anodes en kathodes. Huidig onderzoek verkleint dit, maar we moeten meer betrouwbare gegevens verzamelen voordat we de materialen kunnen verzamelen of synthetiseren en kunnen investeren in productieprocessen.
Wanneer ga ik een solid-state batterij gebruiken?
Zoals met alle opkomende technologie, is het op zijn best giswerk om erachter te komen wanneer je het in handen krijgt.
Het is bemoedigend dat veel enorme bedrijven investeren in het onderzoek dat nodig is om solid-state batterijen op de consumentenmarkt te brengen, maar een grote doorbraak in de nabije toekomst schuwt, is het moeilijk te zeggen of er een grote sprong voorwaarts zal zijn. Minstens één autobedrijf zegt dat het klaar zal zijn om er tegen 2023 een in een voertuig te plaatsen, maar raadt niet hoeveel die auto zal kosten. Vijf jaar lijkt te optimistisch; tien jaar lijkt waarschijnlijker. Het kan twintig jaar of langer duren voordat de materialen zijn afgehandeld en de fabricageprocessen zijn ontwikkeld.
Maar zoals we aan het begin van het artikel al zeiden, begint conventionele batterijtechnologie tegen een muur te botsen. En er gaat niets boven potentiële verkopen om onderzoek en ontwikkeling te stimuleren. Het is op zijn minst een beetje (heel, heel weinig) mogelijk dat je binnenkort een gadget kunt gebruiken of een auto kunt besturen die wordt aangedreven door een solid-state batterij.
Afbeelding tegoed: Sucharas Wongpeth / Shutterstock, Daniel Krason / Shutterstock
