Hoe verhouden solid-state batterijen zich tot lithium-ionbatterijen?

Solid-state batterijenbieden tweemaal de energiedichtheid van lithium-ionbatterijen, met verbeterde veiligheid en langere levensduur. Ze vertonen een grotere duurzaamheid onder zware belasting en presteren beter over een groter temperatuurbereik.

Solid State-batterijen laden sneller op en gaan langer mee

Vergeleken met traditionele lithium-ionbatterijen laden solid-state batterijen sneller op, werken ze bij lagere temperaturen en slaan ze meer energie op in een kleinere ruimte.

Deze batterijen vervangen de brandbare vloeistoffen in standaardcellen door veiligere, efficiëntere vaste materialen. Terwijl het bij huidige batterijen 30 tot 45 minuten kan duren voordat ze 80% zijn opgeladen, kunnen solid-state batterijen dit terugbrengen tot 12 minuten – en in sommige gevallen slechts 3 minuten.

Een hoogleraar werktuigbouwkunde legde uit dat deze voordelen uiteindelijk voortkomen uit scheikunde en techniek. “Door vloeistoffen te elimineren en stabiele vaste materialen te gebruiken, kunnen we veilig meer energie in één keer in de batterij stoppen zonder het risico van oververhitting of brand”, zei hij.

Traditionele lithium-ionbatterijen verplaatsen lithiumionen (deeltjes die elektrische lading dragen) door een vloeibare elektrolyt. Deze vloeistof wordt echter na verloop van tijd afgebroken, waardoor de laadsnelheden worden beperkt en brandgevaar ontstaat. Solid-state batterijen maken gebruik van vaste materialen, waardoor een veiligere, stabielere omgeving ontstaat voor de beweging van lithium-ionen. Dit maakt sneller en efficiënter opladen mogelijk met minder veiligheidsproblemen.

Het vaste materiaal in deze batterijen wordt een vastestofelektrolyt genoemd.

De review belicht drie hoofdtypen: op sulfide gebaseerd, op oxide gebaseerd en op polymeer gebaseerd. Elk type heeft duidelijke voordelen: sommige laten ionen sneller bewegen, andere bieden een betere stabiliteit op de lange termijn of zijn gemakkelijker te vervaardigen. Hiervan vallen sulfide-elektrolyten op, die bijna net zo goed presteren als de vloeistoffen in huidige batterijen, zonder hun nadelen.

Solid-state batterijenhebben ook de neiging om lithium efficiënter te gebruiken. Veel ontwerpen zijn voorzien van lithiummetaallagen die meer energie opslaan in een kleinere ruimte dan de grafietlagen die in de huidige batterijen worden gebruikt. Dit betekent dat solid-state batterijen lichter en kleiner kunnen zijn en apparaten even lang of zelfs langer van stroom kunnen voorzien.

Het doel van deze review is om onderzoekers en ingenieurs te begeleiden bij het versnellen van de ontwikkeling, schaalbaarheid en praktische implementatie van solid-state systemen.

Er blijven echter uitdagingen bestaan. Massaproductie van deze batterijen blijft moeilijk en kostbaar. Hieronder wordt een routekaart beschreven om deze problemen aan te pakken, waaronder het ontwikkelen van betere materialen, het verbeteren van de interacties tussen batterijcomponenten en het verfijnen van productietechnieken om de productie te vereenvoudigen.

Nieuwe elektrolytmaterialen

Natrium-ionbatterijen: Onderzoekers onderzoeken natrium-ion-alternatieven die potentiële kosteneffectiviteit bieden en tegelijkertijd de voordelen in vaste toestand behouden.

Keramische composieten: Deze materialen vertonen een hogere stabiliteit en duurzaamheid in vergelijking met traditionele elektrolyten, waardoor ze onderwerp zijn van lopend onderzoek.

Productie-innovaties

3D-printen: deze methode maakt complexe structuren mogelijk, verbetert de batterijprestaties en vermindert materiaalverspilling.

Roll-to-Roll-verwerking: Deze schaalbare productietechniek heeft tot doel de productiekosten te verlagen, waardoor solid-state batterijen toegankelijker worden voor diverse toepassingen.

Batterijbeheersystemen (BMS)

Slimme technologieën: Verbeterde BMS-technologie optimaliseert laadcycli door de gezondheid van de batterij te monitoren, waardoor de levensduur aanzienlijk wordt verlengd. Zoek naar systemen die de laad- en ontlaadsnelheid in evenwicht brengen om de gezondheid van de batterij te maximaliseren.

Conclusie

Solid-state batterijenmaken de weg vrij voor een nieuw tijdperk in energieopslag. Hun indrukwekkende levensduur en duurzaamheid bieden een veelbelovend alternatief voor traditionele lithium-ionbatterijen. Door inzicht te krijgen in de factoren die van invloed zijn op de levensduur ervan, kunt u weloverwogen beslissingen nemen wanneer u ze in uw apparaten gebruikt.