Nieuwe en goedkope technologie kan solid-statebatterijen inhalen

Jarenlang werd alle aandacht opgeëist door solid-state batterijen, oftewel vaste-stofaccu’s, die worden gezien als de ultieme opvolger van de huidige lithium-iontechnologie. Toch verschuift de focus binnen de auto-industrie steeds vaker naar een alternatief dat mogelijk veel sneller beschikbaar komt.

Steeds meer fabrikanten investeren in batterijen met silicium-anodes en ook General Motors behoort tot de bedrijven die deze technologie als een belangrijke pijler voor toekomstige elektrische modellen zien.

Het fundamentele verschil zit in de opbouw van de batterij, vrijwel alle moderne lithium-ionaccu’s maken gebruik van grafiet als anodemateriaal. Die technologie heeft zich bewezen als betrouwbaar en relatief betaalbaar, maar kent ook beperkingen.

Grafiet kan slechts een bepaalde hoeveelheid lithium-ionen opslaan, silicium heeft op dat vlak een veel groter potentieel. In theorie kan het materiaal tot tien keer meer lithium-ionen opnemen dan grafiet.

Silicium kan tien keer meer lithium opnemen

In de praktijk ligt die winst lager omdat autofabrikanten voorlopig kiezen voor een combinatie van silicium en grafiet in plaats van een volledig silicium-anode. Toch kan zelfs een gedeeltelijke vervanging van grafiet al grote voordelen opleveren.

Volgens verschillende onderzoeken stijgt de energiedichtheid van een batterij met ongeveer twintig procent wanneer een deel van het grafiet wordt vervangen door silicium.

Voor automobilisten vertaalt zich dat direct naar een groter rijbereik. Een elektrische auto kan meer energie meenemen zonder dat de accu groter of zwaarder hoeft te worden.

Fabrikanten kunnen er ook voor kiezen om hetzelfde bereik te behouden maar een kleinere en lichtere batterij te gebruiken. Beide opties leveren voordelen op voor prestaties, efficiëntie en productiekosten.

Artikel gaat verder onder de video.

Een tweede belangrijk voordeel is het laadgedrag. Silicium neemt lithium-ionen sneller op dan grafiet. Daardoor kunnen batterijen met silicium-anodes in theorie sneller worden geladen.

In een markt waarin laadtijd nog altijd een van de belangrijkste aandachtspunten voor consumenten is, kan dat een aanzienlijk concurrentievoordeel opleveren.

Naast de technische voordelen speelt ook geopolitiek een steeds grotere rol. De wereldwijde grafietmarkt wordt momenteel vrijwel volledig gedomineerd door China.

Volgens verschillende analyses controleert het land ongeveer 95 procent van de verwerkingsketen voor batterijgrafiet, dat maakt autofabrikanten in Europa en Noord-Amerika kwetsbaar voor verstoringen in de aanvoer. Silicium biedt op dat vlak een aantrekkelijk alternatief.

Het materiaal behoort tot de meest voorkomende elementen op aarde en is aanwezig in zand, kwarts en tal van andere natuurlijke bronnen. Daardoor is de beschikbaarheid veel breder verspreid dan die van batterijgrafiet.

Artikel gaat verder onder de afbeelding.

Voor overheden en fabrikanten die hun afhankelijkheid van Chinese grondstoffen willen verminderen vormt dat een belangrijk argument om in siliciumtechnologie te investeren. Toch is de technologie niet zonder uitdagingen.

Het grootste probleem is al jaren bekend, tijdens het opladen zet silicium sterk uit en in sommige gevallen kan het volume met honderden procenten toenemen. Wanneer dat herhaaldelijk gebeurt ontstaan scheuren in het materiaal waardoor de batterij sneller degradeert en capaciteit verliest.

Onderzoekers werken daarom aan uiteenlopende oplossingen. Sommige bedrijven combineren silicium met grafiet in zorgvuldig samengestelde mengverhoudingen, anderen ontwikkelen nanostructuren die de uitzetting beter kunnen opvangen.

Ook speciale coatings en nieuwe bindmaterialen worden onderzocht om de levensduur te verbeteren. Juist omdat silicium-anodes voortbouwen op bestaande lithium-iontechnologie wordt de ontwikkeling door veel experts als realistischer beschouwd dan solid-state batterijen op korte termijn.

Fabrieken die nu batterijen produceren hoeven niet volledig opnieuw te worden gebouwd. In veel gevallen zijn aanpassingen voldoende om batterijen met een hoger siliciumgehalte te produceren, dat verlaagt investeringskosten en versnelt de introductie.

General Motors heeft inmiddels bevestigd dat silicium-anodes een belangrijke rol spelen in de ontwikkeling van toekomstige accupakketten. Ook andere grote autofabrikanten en batterijproducenten investeren miljarden in vergelijkbare projecten.

Zonder grotere accu kan auto straks 100 km verder

De verwachting binnen de sector is dat de eerste grootschalige toepassingen al binnen enkele jaren op de markt verschijnen. Voor consumenten kan dat een merkbaar verschil maken.

Een verbetering van ongeveer twintig procent in energiedichtheid betekent dat een elektrische auto die vandaag 500 kilometer haalt in de toekomst mogelijk richting de 600 kilometer kan rijden zonder een grotere accu.

Tegelijkertijd kunnen laadtijden verder afnemen en ontstaat meer flexibiliteit in het ontwerp van voertuigen. Solid-state batterijen worden nog altijd gezien als veelbelovende techniek op lange termijn, het besef groeit dat silicium-anodes eerder een tastbare impact zullen hebben op de markt.

Het is geen revolutionaire breuk met de huidige techniek maar wel een belangrijke evolutie die elektrische auto’s efficiënter, praktischer en mogelijk ook goedkoper kan maken. Daarmee zou silicium wel eens de volgende grote stap kunnen worden in de ontwikkeling van batterijtechnologie.