Vastestofbatterij
![](http://178.128.105.246/cars-http-upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/7/70/Li-air-solidstate_nl_txt.jpg/400px-Li-air-solidstate_nl_txt.jpg)
Een vastestofbatterij is een batterij, die bestaat uit een vaste elektrode en een vast elektrolyt. Dit in tegenstelling tot een lithium-ion-accu of een lithium-ion-polymeer-accu, die vloeibare of polymere elektrolyten bevatten.
Geschiedenis
[bewerken | brontekst bewerken]Michael Faraday ontdekte de vaste elektrolyten zilversulfide en lood(II)fluoride, die de basis legden voor vastestof-ionica.[1][2] Hoogwaardige batterijen worden beschouwd als vastestof-ion-apparaten.[3]
Aan het eind van de jaren vijftig werden er pogingen ondernomen om een vastestofbatterij te ontwikkelen.[4] De eerste vastestofbatterijen, die zilver-ionengeleidende elektrolyten gebruikten, hadden een lage energiedichtheid en celspanningen, naast een zeer hoge interne weerstand.[4]
Een nieuwe klasse elektrolyt in vaste toestand, ontwikkeld door Oak Ridge National Laboratory in de jaren 1990, werd later opgenomen in bepaalde dunnefilm-lithium-ionbatterijen, die worden beschouwd als een vorm van een vastestofbatterij.[5]
In 2013 kondigden onderzoekers van de Universiteit van Colorado te Boulder de ontwikkeling aan van een lithiumbatterij in vaste toestand, met een vaste composiet kathode gebaseerd op ijzer-zwavelchemie, dat een hogere energiecapaciteit beloofde.[6]
In 2014 kondigden onderzoekers van Sakti3 een vastestof-elektrolytischelithium-ionbatterij aan met een geclaimde hogere energiedichtheid tegen lagere kosten.[7] Het bedrijf werd in het daarop volgende jaar overgenomen door Dyson.[8]
In 2017 onthulde John Goodenough, de mede-uitvinder van Li-ion-batterijen, een nieuwe vastestofbatterij met behulp van glaselektrolyten en een alkalimetaal-anode bestaande uit lithium, natrium of kalium, wat niet mogelijk is bij conventionele batterijen.[9]
In 2018 kondigde Solid Power aan dat het $ 20 miljoen aan financiering had ontvangen voor een kleine productielijn voor oplaadbare vastestoflithium-metaalbatterijen.[10] De productielijn heeft een mogelijke capaciteit voor het per jaar produceren van batterijen met een capaciteit van ongeveer 10 megawattuur.
Het Chinese bedrijf, Qing Tao, is in 2018 begonnen met de productie van vastestofbatterijen.[11]
Samenstelling en werking
[bewerken | brontekst bewerken]Vaste elektrolyten zijn zeer goede geleiders voor ionen (ionengeleider). Daarbij berust het ladingtransport in de vastestofelektrolyten op het verplaatsen van ionen door bepaalde plaatsen in een vastestofmatrix.[12] Deze goede geleidbaarheid voor ionen is van zowel de elektrolyten als ook van de elektroden noodzakelijk voor het verkrijgen van een goede prestatie. Anderzijds zijn vaste elektrolyten zeer goede isolatoren met betrekking tot elektronen, die in elektrolyten (in tegenstelling tot de elektroden) eveneens gewenst is. De hoge geleidbaarheid voor ionen minimaliseert de interne elektrische weerstand van de batterij waardoor aldus een hoge vermogensdichtheid mogelijk is, terwijl tegelijkertijd door de hoge weerstand ten opzichte van de elektronen, de zelfontlading van de batterij wordt geminimaliseerd, waardoor hun levensduur of houdbaarheid verlengd wordt.
Hedendaagse lithium-luchtvastestofbatterijen hebben een anode van lithium en een elektrolyt, dat ofwel uit keramiek of uit glas of uit glaskeramiekcomposietmateriaal bestaat en een kathode gemaakt van poreuze koolstof. De anode en kathode zijn in de regel gescheiden van de elektrolyt door een polymeer-keramische composiet die de ladingsoverdracht bij de anode verbetert en elektrochemisch de kathode met de elektrolyt verbindt. Het polymeer-keramisch composietmateriaal wordt gebruikt om de weerstand te verlagen.[13]
Voorbeelden van dergelijke ionische geleiders zijn rubidiumzilverjodide (RbAg4I5) voor het ladingstransport van zilverionen (Ag+) en lithiumjodide- of aluminiumoxide-mengsels (LiI / Al2O3) voor het ladingstransport van lithiumionen (Li+).
Eigenschappen
[bewerken | brontekst bewerken]Vastestofbatterijen hebben in principe de volgende twee eigenschappen:
- een lage vermogensdichtheid en
- een hoge energiedichtheid.
De eerste beperking doet zich voor vanwege de moeilijkheid om hoge stromen over vastestof-vastestof grensvlakken te krijgen. Anderzijds hebben deze batterijen bepaalde voordelen die dit nadeel compenseren: ze zijn makkelijk te verkleinen (zij kunnen bijvoorbeeld in de vorm van een dunne laag gemaakt worden) en het gevaar dat de elektrolyt door lekken schade kan veroorzaken bestaat niet. Ze hebben doorgaans een zeer lange levensduur en houdbaarheid en vertonen gewoonlijk ook bij temperatuurschommelingen (die bij vloeibare elektrolyten tot bevriezing of koken van de elektrolyt kunnen leiden) geen abrupte veranderingen in hun prestaties. Een ander voordeel van vastestofbatterijen (in tegenstelling tot lithium-ion-batterijen) is dat ze niet brandbaar zijn.[14]
Het belangrijkste nadeel van vastestofbatterijen is de lage geleidbaarheid van ionen van de meeste glaskeramische elektrolyten. De geleidbaarheid van ionen van de huidige elektrolyten in vaste toestand is nog steeds lager dan die van vloeibare elektrolyten.[13]
De volumestroomdichtheid bepaalt de grootte en de massa-energiedichtheid het gewicht van de cellen. Bij de actieradius van de elektrische auto speelt dit een essentiële rol. Het Ragone-diagram illustreert de relatie tussen vermogensdichtheid en energiedichtheid. Volgens IBM-onderzoekers ligt de theoretisch haalbare specifieke energie van lithium-luchtbatterijen (zonder het gewicht van de zuurstof in de lucht) bij meer dan 11 kWh per kilogram (kWh/kg). De onderzoekers zijn van mening dat een praktisch uitgevoerde lithium-lucht-batterij ongeveer een tiende van deze theoretisch maximale waarde kan halen.[15]
Dendrietvorming en groei in lithium-metaalanodes
[bewerken | brontekst bewerken]![](http://178.128.105.246/cars-http-upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/e/e2/Lithium_dendrite.jpg/400px-Lithium_dendrite.jpg)
Vaste lithium (Li) metaalanodes in vastestofbatterijen vervangen de grafietanodes in lithium-ion-accu's voor een hogere energiedichtheid, een grotere veiligheid en een kortere oplaadtijd. Een nadeel hiervan is de vorming en groei van dendrieten als gevolg van de reactiviteit van het Li-metaal.[16]
De dendrieten worden gewoonlijk gevormd tijdens elektrodepositie van metalen.[17] In het bijzonder worden de lithiumdendrieten gevormd tijdens herhaalde laad - ontladingscycli, omdat de lithium-ionen in de vaste elektrolyt tijdens het laden de elektronen aan het oppervlak van de lithiumanode binden en zo een laagje lithium-metaal vormt.[18] Ideaal gezien zou de afzetting van lithium gelijkelijk over de anode verdeeld worden tijdens de groei van de dendriet naar de kathode. Er worden echter naaldachtige structuren gevormd, die door de elektrolyt en de scheidingslaag (een permeabel membraan tussen de anode en kathode) heen groeit.[19]
Tekortkomingen van lithium-lucht-batterijen
[bewerken | brontekst bewerken]Anno 2014 hebben lithium-lucht-batterijen de volgende tekortkomingen:
- Relatief weinig herlaadcycli
- Lange herlaadtijden
- Niet stabiel en daardoor niet veilig[20] (lithium-ionbatterijen zijn ook niet stabiel, maar het risico is veel minder)[20]
Gebruik
[bewerken | brontekst bewerken]Huidig gebruik
[bewerken | brontekst bewerken]Vastestofbatterijen worden gebruikt in pacemakers, RFID en in apparaten in bijvoorbeeld kleding of gedragen op het lichaam.[21][22]
Potentieel gebruik in elektrische voertuigen
[bewerken | brontekst bewerken]Een aantal autofabrikanten en andere bedrijven ontwikkelen of gebruiken vastestofbatterijen.
Toyota gaf in 2014 aan welke inspanningen zij voor de ontwikkeling van vastestofbatterijen voor de jaren twintig doen.[23] en heeft de meeste patenten op dit gebied.[24] In 2017 kondigde het bedrijf de versterking aan van een decennia lang partnerschap met Panasonic, dat een samenwerking op het gebied van vastestofbatterijen omvat.[25]
Volkswagen kondigde een investering van $ 100 miljoen aan in QuantumScape, een vastestofbatterij startup, die uit de Stanford-universiteit voortkwam.[26]
Andere autofabrikanten die vastestofbatterijtechnologieën ontwikkelen zijn BMW[27], Honda[28], Hyundai Motor Company[29] en Nissan.[30]
Zie ook
[bewerken | brontekst bewerken]- ↑ Funke K., Solid State Ionics: from Michael Faraday to green energy-the European dimension, Science and Technology of Advanced Materials, 14, 4, blz. 043502, August 2013, PMID 27877585, PMC 5090311, DOI:10.1088/1468-6996/14/4/043502, bibcode = 2013STAdM..14d3502F
- ↑ Lee, Sehee. (2012)Solid State Cell Chemistries and Designs, ARPA-E (Geraadpleegd op 7 januari 2018)
- ↑ Weppner, Werner. (September 2003) Engineering of solid state ionic devices, International Journal of Ionics, 9 (5–6), blz. 444–464, Quote:Solid state ionic devices such as high performance batteries, DOI:10.1007/BF02376599
- ↑ a b Owens, Boone B., Munshi, M. ZA. (Januari 1987) History of Solid State Batteries, Defense Technical Information Center, Corrosion Research Center, Universiteit van Minnesota (Geraadpleegd op 7 januari 2018)
- ↑ Kevin S. Jones, Nicholas G. Rudawski, Isaiah Oladeji, Roland Pitts, Richard Fox. The state of solid-state batteries, American Ceramic Society Bulletin, 91
- ↑ Solid-state battery developed at CU-Boulder could double the range of electric cars, Universiteit van Colorado te Boulder. (Geraadpleegd op 7 januari 2018)
- ↑ Brian, Dumaine. Will this battery change everything?, Fortune Magazine, 18 september 2014 (Ggeraadpleegd op 7 januari 2018)
- ↑ (en) Vacuum Tycoon James Dyson To Roll Out An Electric Car By 2020, Forbes, 26 september 2017 (Geraadpleegd op 7 januari 2018)
- ↑ (en) Lithium-Ion Battery Inventor Introduces New Technology for Fast-Charging, Noncombustible Batteries, Universiteit van Texas in Austin, 28 februari 2017 (Geraadpleegd op 7 januari 2018)
- ↑ Solid Power raises $ 20 million to build all-solid-state batteries — Quartz, (Geraadpleegd op 2018-09-10)
- ↑ China starts solid-state battery production, pushing energy density higher.
- ↑ Festkörperelektrolyte – Institut für Festkörperphysik – Technische Universität Darmstadt http://www.fkp.tu-darmstadt.de/groups/ag_vogel/forschung/festkrperelektrolyte/fkpvogelforschungfestkoerperelektrolyte.de.jsp, geraadpleegd op 2013-11-02
- ↑ a b Binod Kumar, Jitendra Kumar. Cathodes for Solid-State Lithium–Oxygen Cells: Roles of Nasicon Glass-Ceramics, Journal of The Electrochemical Society, 157, 5, 2010-01-05, A611–A616, DOI:10.1149/1.3356988
- ↑ Infinite Power Solutions stellt papierdünnen Akku vor, http://www.elektroniknet.de/power/energiespeicher/artikel/88853/, elektroniknet.de, geraadpleegd op 2013-11-02, 2012-06-06
- ↑ Das Battery 500-Projekt: 800 km Reichweite für Elektroautos, http://www.zurich.ibm.com/news/12/battery500_d.html, IBM, geraadpleegd op 2013-12-12
- ↑ Wood, Kevin N., Kazyak, Eric, Chadwick, Alexander F., Chen, Kuan-Hung, Zhang, Ji-Guang, Thornton, Katsuyo, Dasgupta, Neil P. Dendrites and Pits: Untangling the Complex Behavior of Lithium Metal Anodes through Operando Video Microscopy, 2016-10-14, pubs.acs.org, DOI:10.1021/acscentsci.6b00260#citing, geraadpleegd op 2019-03-12
- ↑ Zhang, Ji-Guang, Xu, Wu, Henderson, Wesley A. Application of Lithium Metal Anodes, 2016-10-07, Lithium Metal Anodes and Rechargeable Lithium Metal Batteries, blz. 153–188, Springer International Publishing, DOI:10.1007/978-3-319-44054-5_4 ISBN 978-3319440538. (Geraadpleegd op 2019-03-12)
- ↑ Harry, Katherine Joann, 2016-05-01, Lithium dendrite growth through solid polymer electrolyte membranes
- ↑ Newman, John; Monroe, Charles. (2003) Dendrite Growth in Lithium/Polymer Systems A Propagation Model for Liquid Electrolytes under Galvanostatic Conditions, Journal of The Electrochemical Society, 150, 10, blz. A1377–A1384. DOI:10.1149/1.1606686, ISSN 0013-4651
- ↑ a b Keramiek redt de lithium-luchtbatterij, ZDnet.be (gearchiveerd op 27 oktober 2014)
- ↑ Carlon, Kris. The battery technology that could put an end to battery fires, Android Authority, 24 oktober 2016 (Geraadpleegd op 7 januari 2018)
- ↑ Will solid-state batteries power us all?, The Economist, 16 oktober 2017 (Geraadpleegd op 7 januari 2018)
- ↑ Greimel, Hans. Toyota preps solid-state batteries for '20s, Automotive News, 27 januari 2014 (Geraadpleegd op 7 januari 2018)
- ↑ Baker, David, R. Why lithium-ion technology is poised to dominate the energy storage future, renewableenergyworld.com, Bloomberg, 3 april 2019 (Geraadpleegd op 7 april 2019)
- ↑ Buckland, Kevin, Sagiike, Hideki. Toyota Deepens Panasonic Battery Ties in Electric-Car Rush, Bloomberg Technology, 13 december 2017 (Geraadpleegd op 7 januari 2018)
- ↑ Lambert, Fred. Volkswagen becomes latest automaker to invest in solid-state batteries for electric cars, Electrek, 22 juni 2018
- ↑ (en) Solid Power, BMW partner to develop next-generation EV batteries, Reuters, 18 december 2017 (Geraadpleegd op 7 januari 2018)
- ↑ Krok, Andrew. Honda hops on solid-state battery bandwagon, Roadshow by CNET, 21 december 2017 (Geraadpleegd op 7 januari 2018)
- ↑ Lambert, Fred. Hyundai reportedly started pilot production of next-gen solid-state batteries for electric vehicles, Electrek, 6 april 2017 (Geraadpleegd op 7 januari 2018)
- ↑ (en) Honda and Nissan said to be developing next-generation solid-state batteries for electric vehicles, The Japan Times, Kyodo News, 21 december 2017 (Geraadpleegd op 7 januari 2018)