Raadsel rond het droomaccu voor elektrische auto’s mogelijk opgelost

Onderzoekers denken dat ze een cruciale stap hebben gezet in de oplossing van een van de grootste problemen die de ontwikkeling van batterijtechnologie van de toekomst al lange tijd afremt.

De ontdekking kan de weg vrijmaken voor een nieuwe generatie batterijen die veiliger, duurzamer en betrouwbaarder zijn. Tegelijkertijd brengt zij de grootschalige toepassing van deze technologie in elektrische auto’s een belangrijke stap dichter bij de werkelijkheid.

Al jarenlang worden solid-state accu’s gezien als de volgende grote revolutie voor elektrische auto’s. In tegenstelling tot de huidige lithium-ion accu’s maken ze gebruik van een vaste elektrolyt in plaats van een vloeibare, wat een reeks belangrijke voordelen biedt.

De technologie kan onder meer zorgen voor een aanzienlijk hogere energiedichtheid, waardoor elektrische auto’s verder kunnen rijden op één acculading. Daarnaast hebben solid-state accu’s het potentieel om sneller op te laden en minder gevoelig te zijn voor oververhitting en brand, waardoor ze worden beschouwd als een van de meest veelbelovende batterijtechnologieën voor de toekomst.

Dendrieten gevoelig voor kortsluiting

De technologie kent echter al jaren een hardnekkig probleem. Tijdens het opladen kunnen zich in de accu microscopisch kleine lithiumstructuren vormen, zogenoemde dendrieten.

Deze naaldachtige structuren groeien langzaam door de vaste elektrolyt heen, zodra ze de positieve en negatieve elektrode met elkaar verbinden, ontstaat kortsluiting. Dat verkort niet alleen de levensduur van de accu, maar kan ook leiden tot veiligheidsproblemen.

Lange tijd was onduidelijk hoe dit precies kon gebeuren, lithium is namelijk een zeer zacht metaal, terwijl de vaste elektrolyt meestal bestaat uit hard keramisch materiaal. Wetenschappers vroegen zich daarom af hoe een zacht materiaal in staat is om een veel harder materiaal te beschadigen.

Om het mechanisme achter dit proces beter te begrijpen voerden de onderzoekers hun experimenten uit onder uitzonderlijke omstandigheden. De accumaterialen werden onderzocht in een vacuüm en bij temperaturen lager dan min 150 graden Celsius.

Op die manier konden invloeden van zuurstof, vocht en zelfs de elektronenbundels van de microscopen worden uitgesloten.

De resultaten spreken een veelgehoorde theorie tegen, eerder werd gedacht dat de dendrieten vooral ontstonden doordat elektronen via de korrelgrenzen van de vaste elektrolyt lekten. Volgens het nieuwe onderzoek blijkt dat niet de belangrijkste oorzaak te zijn.

In plaats daarvan draait alles om mechanische spanning. Tijdens het opladen wordt lithium in piepkleine scheurtjes en oneffenheden van de keramische elektrolyt geperst.

Daar bouwt het metaal steeds meer druk op totdat het keramiek uiteindelijk bezwijkt. Het gaat dus niet om de hardheid van het lithium, maar om de kracht die ontstaat doordat het materiaal voortdurend op dezelfde kwetsbare plekken blijft drukken.

Eerste auteur van het onderzoek dr. Yuwei Zhang vergelijkt het proces met een waterstraal die langdurig op een steen wordt gericht.

Water is veel zachter dan steen, maar kan door voortdurende druk uiteindelijk toch een gat uitslijten, op vergelijkbare wijze weet zacht lithium uiteindelijk het harde keramiek te beschadigen.

De ontdekking biedt onderzoekers en accufabrikanten een veel duidelijker uitgangspunt om het probleem aan te pakken. Nu de oorzaak beter wordt begrepen kunnen nieuwe oplossingen worden ontwikkeld. Daarbij wordt gedacht aan sterkere keramische elektrolyten die beter bestand zijn tegen de opgebouwde druk.

Ook kunnen ontwerpers kleine gecontroleerde holtes aanbrengen die spanningen afleiden voordat er scheuren ontstaan. Een andere mogelijkheid is het toevoegen van beschermende lagen rond de lithiumelektroden zodat dendrieten zich minder gemakkelijk kunnen vormen.

Voor de auto-industrie is dit onderzoek van groot belang want vrijwel alle grote autofabrikanten investeren in solid-state technologie.

Toyota geldt al jaren als een van de koplopers en heeft aangekondigd rond het einde van dit decennium de eerste modellen met deze accutechniek op grotere schaal te willen produceren.

Ook BMW werkt samen met het Amerikaanse Solid Power aan de ontwikkeling van vaste accu’s en test inmiddels prototypes. Volkswagen investeert via dochterbedrijf PowerCo in QuantumScape, terwijl Nissan eveneens aan eigen solid-state batterijen werkt.

In China ontwikkelen onder meer BYD en CATL verschillende varianten van de technologie. De verwachtingen zijn hoog, fabrikanten spreken over actieradiussen van meer dan 1.000 kilometer en laadtijden van ongeveer tien minuten.

Geen doorbraak, wel een stap vooruit

Toch blijken deze doelstellingen in de praktijk moeilijk te realiseren. Problemen zoals dendrietvorming hebben de commerciële introductie van solid-state accu’s de afgelopen jaren herhaaldelijk vertraagd.

Het onderzoek betekent daarom geen directe doorbraak richting massaproductie, maar wel een belangrijke stap vooruit. Door beter te begrijpen waarom dendrieten ontstaan en hoe zij de vaste elektrolyt beschadigen, kunnen onderzoekers gerichter werken aan oplossingen.

Als het lukt de opgebouwde mechanische spanning te beperken of af te leiden, kan solid-state technologie uiteindelijk uitgroeien tot de nieuwe standaard voor elektrische auto’s.

Dat zou automobilisten in de toekomst niet alleen een grotere actieradius en kortere laadtijden opleveren, maar ook een hogere veiligheid en een langere levensduur van de accu.