Al enige tijd beschouwt men de zogenaamde solid-state accucellen als de heilige graal voor elektrische voertuigen. Ze bieden een grotere actieradius en nog kortere oplaadtijden. Maar de techniek is nog niet zo ver. SES ontwikkelde daarom de veelbelovende ‘Hybrid Li-Metal’ accutechnologie.
Solid-state duurt misschien nog wel tien jaar
De transitie naar elektrisch rijden zou door solid-state accucellen een enorme boost kunnen krijgen. Het grote verschil met de huidige accucellen, die als elektrolyt een vloeistof of gel gebruiken, is dat deze hiervoor een vaste stof gebruiken. Hoewel het inmiddels duidelijk is dat solid-state accu’s er daadwerkelijk zullen komen, is het ook duidelijk dat het nog een hele tijd gaat duren. Men kan de cellen weliswaar onder laboratoriumomstandigheden produceren, maar nog lang niet in grote aantallen.
Hoewel diverse accuproducenten solid-state accucellen aankondigden zodat ze geen loze belofte meer zijn, zal het nog jaren duren voordat we ze in elektrische voertuigen zullen kunnen gebruiken. Men verwacht nu dat we eerste solid-state accu’s aan het eind van dit decennium tegemoet kunnen zien. Omdat dit dus nog een tijd gaat duren, zijn er ook heel veel bedrijven bezig om de huidige accutechnologieën te perfectioneren. Een van de bedrijven die daarmee bezig is, is het in Singapore gevestigde SES.
Dubbele energiedichtheid door ander elektrolyt
SES, met vestigingen in de VS, Korea en China, kondigde vorige week op Battery World een nieuwe accutechnologie aan die de energiedichtheid van de huidige lithium-ioncellen bijna verdubbelt. De truc zit hem het achterwege laten van een deel van de accucel dat gewicht en volume toevoegt. Maar je kunt dit deel niet zomaar achterwege laten zonder dat dit bijvoorbeeld tot brand zouden kunnen leiden. Daarom heeft SES het grafiet in de anode, want daar hebben we het over, vervangen door zuiver metaal in de vorm van lithium. SES kon door het vervangen van het grafiet gewicht en ruimte besparen. Maar men moest ook uitzoeken hoe om men kon voorkomen dat het pure lithium, dat het grafiet vervangt, tot een vroegtijdig einde van de accucel leidt.
Dendrieten
Om lithium-metaalanoden niet alleen veilig te maken en een lange levensduur te geven, moest SES de vorming van dendrieten nader onderzoeken. Dit zijn de ‘stekelige structuren’ die zich in lithium-ioncellen kunnen vormen wanneer ze snel worden opgeladen of ontladen. Als die dendrieten te groot worden, kunnen ze de ruimte tussen de anode en de kathode overbruggen. Dat leidt uiteraard tot kortsluiting en een onbruikbare accucel. Maar nog erger: veel van de huidige elektrolyten zijn zeer brandbaar. De gevolgen zijn dan uiteraard niet te overzien.
Daarom proberen andere bedrijven vaste elektrolyten te gebruiken, waarmee we dus op de solid-state accu uitkomen. Daarbij vormt de vaste elektrolyt een fysieke barrière tussen anode en kathode, zodat de dendrieten geen kwaad meer kunnen. Maar zoals gezegd, we zijn nog lang niet zo ver dat we die in grote aantallen kunnen produceren.
Verzadigd elektrolyt is misschien wel dé oplossing
SES bedacht daarom een hybride aanpak. Enerzijds gaf met de lithium anode een coating met een gepatenteerde samenstelling. Verder gebruikt SES een vloeibare elektrolyt die verzadigd is met een zout. Dat is volgens CEO Qichao Hu veel veiliger in het gebruik. “Het is eigenlijk vooral zout,” zei Hu. “Deze nieuwe vloeistof reageert zeer stabiel op lithiummetaal en is zeer veilig, niet-ontvlambaar, niet-vluchtig en niet-organisch.”
Men heeft het concept door derden laten evalueren. Die konden zelfs een spijker door een accucel steken zonder dat daarbij brand werd veroorzaakt. Dat is iets wat je met de huidige lithium-ionaccu’s maar beter kunt laten.
Dendrieten monitoren
Maar ook met bovenstaande techniek blijft het noodzakelijk om de vorming van dendrieten tegen te gaan. Daarom ontwikkelde SES kunstmatige intelligentiemodellen die de accucellen voortdurend monitoren, op zoek naar defecten of variaties die tot problemen kunnen leiden. Dit gebeurt momenteel onder laboratoriumomstandigheden. Mocht men op die manier vaststellen dat een cel zich niet goed gedraagt, dan zijn er volgens Hu twee mogelijke manieren om het probleem op te lossen. Men zou de accucel dan kunnen opladen volgens een speciaal oplaadprotocol, om op die manier de vorming van dendriet ongedaan te maken. Als dat niet mogelijk is, kan het systeem een foutmelding geven zodat de cel tijdig kan worden vervangen voordat hij kortsluiting veroorzaakt.
Eerste evaluaties door autofabrikanten al achter de rug
SES onderzoekt op dit moment al methoden om de nieuwe accutechnologie en de benodigde monitoring in voertuigen te kunnen realiseren. Een dergelijk systeem zou gebaseerd zijn op eenvoudige parameters zoals temperatuur of spanning. Mogelijk zijn er ook extra sensoren nodig, vertelt Hu. Daarover is men nog in overleg met autofabrikanten. Want zover is men dus al. De eerste tests van de nieuwe SES-cellen zijn goed verlopen. De autofabrikanten – SES werkt samen met Foxconn, Geely, GM, Hyundai en SAIC – hebben de eerste exemplaren al geëvalueerd. Hu hoopt dat SES tegen eind 2022 volgend jaar over geoptimaliseerde exemplaren zal beschikken. Ook bouwt SES al een fabriek in Shanghai die in 2023 klaar moet zijn.
Hybrid Li-Metal accucellen misschien al in 2025 beschikbaar
Dat betekent dat het misschien niet zo heel lang meer gaat duren voordat deze nieuwe accutechnologie, die men ‘Hybrid Li-Metal’ noemt, daadwerkelijk kan worden gebruikt. Veel sneller dan solid-state accu’s. Hu: “We streven ernaar om dit in een auto op de weg te zetten, misschien in 2025”. Dit duurt uiteraard nog jaren maar veel minder lang dan solid-state cellen. Hu beaamt dat de tijdlijn krap is maar geeft aan dat ze tot nu toe het vertrouwen hebben dat ze die planning haalbaar is, hoewel men daarvoor wel alle zeilen bij moet zetten.
Wil je meer weten over deze technologie? Kijk dan hier voor de presentatie van SES.
