Er wordt verwacht dat solid-state batterijen de batterijmarkt zullen revolutioneren met aanzienlijk hogere veiligheidsfuncties en energiedichtheid. Solid-state batterijen bestaan uit een vaste elektrolyt in plaats van een vloeibare elektrolyt. batterijen bieden een grotere stabiliteit en een lager risico op lekkage, waardoor ze een veiliger alternatief vormen voor diverse toepassingen.
Ze worden een belangrijke technologie voor elektrische voertuigen, wearables en andere toepassingen die compactheid vereisen. Solid-state batterijen vormen een ideale keuze voor toepassingen waarbij veiligheid en levensduur cruciaal zijn.
In dit artikel geven we een korte introductie tot solid-state batterijen en gaan we vervolgens dieper in op de belangrijkste factoren waarmee u rekening moet houden bij het kiezen van solid-state batterijen in 2024.
Inhoudsopgave
Wat is een vastestofbatterij?
Samenstelling:
Classificatie
Application scenario
Waar moet u op letten bij het kiezen van een solid state batterij?
Technologietrends
De bottom line
Wat is een vastestofbatterij?
Solid-state batterijen zijn een batterijtechnologie die gebruikmaakt van solid-state elektrolyten in plaats van traditionele vloeibare of gel-elektrolyten. Solid-state batterijen bieden verbeterde veiligheid, langere levensduur en potentieel hogere energiedichtheid dan conventionele lithium-ionbatterijen.
Vaste elektrolyten kunnen bestaan uit vaste polymeren, anorganische materialen of mengsels daarvan, en dergelijke elektrolyten geleiden niet alleen lithiumionen efficiënt, maar bieden ook fysieke stabiliteit en chemische inactiviteit. Dit betekent dat vaste batterijen minder snel lekken of vlam vatten in het geval van overladen, oververhitting of fysieke schade, waardoor hun veiligheid aanzienlijk wordt verbeterd.
Naast een verbeterde veiligheid, solid-state batterijen bieden nog een aantal andere voordelen. Zo kunnen deze batterijen bijvoorbeeld, dankzij de stabiliteit van de vaste elektrolyt, over een breder temperatuurbereik werken, waardoor ze geschikt zijn voor toepassingen in extreme klimatologische omstandigheden.
Tegelijkertijd is het energiedichtheidspotentieel van solid-state batterijen veel hoger dan dat van huidige lithium-ionbatterijen, vanwege hun vermogen om elektrodematerialen met een hogere capaciteit, zoals lithiummetaal, als anode te gebruiken. Bovendien hebben solid-state batterijen een veel lagere zelfontladingssnelheid, wat hen helpt om meer lading vast te houden voor langdurige opslag.
Deze eigenschappen maken solid-state batterijen ideaal voor toekomstige elektrische voertuigen, draagbare elektronische apparaten en energieopslagsystemen, en zullen naar verwachting resulteren in een groter bereik, sneller opladen en een kleinere batterijgrootte. Solid-state batterijen zijn echter momenteel relatief duur om te produceren, voornamelijk vanwege de moeilijkheid om solid-state elektrolyten en elektrodematerialen met een hoge capaciteit te verwerken.
Niettemin zijn veel onderzoeksorganisaties en bedrijven actief bezig met het ontwikkelen van solid-state batterijtechnologieën in een poging deze problemen aan te pakken. Met de vooruitgang in materiaalkunde en verbeteringen in productietechnologie, wordt verwacht dat solid-state batterijen de komende jaren een grote doorbraak zullen realiseren, wat een revolutionaire vooruitgang in batterijtechnologie met zich mee zal brengen.
Samenstelling:
De basiscomponenten van een solid-state batterij zijn vergelijkbaar met die van een conventionele lithium-ionbatterij, inclusief de positieve elektrode, negatieve elektrode, elektrolyt en diafragma. Echter, in tegenstelling tot conventionele lithium-ionbatterijen die een vloeibare of gel-elektrolyt gebruiken, gebruiken solid-statebatterijen een vaste elektrolyt. Hieronder vindt u een gedetailleerde beschrijving van deze componenten:
Kathode
De kathode is een belangrijk onderdeel van een solid-state batterij, en het is de ontvangende kant van lithiumionen, aangezien de batterij energie opslaat en vrijgeeft. Kathodematerialen zijn doorgaans lithiummetaaloxiden zoals lithiumkobaltoxide (LiCoO2), lithiumijzerfosfaat (LiFePO4) of lithiumnikkelmangaankobaltoxide (NMC). Deze materialen bieden een hoge energiedichtheid en goede cyclusstabiliteit.
Anode
De anode is waar lithiumionen uit de batterij worden vrijgegeven. In solid-state batterijen kan het anodemateriaal grafiet, siliciumgebaseerde materialen of lithiummetaal zijn. Lithiummetaal is een ideaal anodemateriaal omdat het een extreem hoge theoretische specifieke capaciteit en een relatief laag potentieel biedt, maar de problemen ervan, zoals volumeveranderingen tijdens de cyclus en dendrietgroei, moeten worden aangepakt door middel van batterijontwerp en materiaalinnovatie.
Vaste elektrolyten
Vaste elektrolyten zijn de kerncomponent van solid-state batterijen, ter vervanging van de vloeibare elektrolyt in conventionele lithium-ionbatterijen. Vaste elektrolyten kunnen anorganische materialen zijn (bijv. oxiden, sulfiden, fosfaten) of polymeermaterialen, of zelfs composieten van deze materialen. Vaste elektrolyten moeten niet alleen een goede lithium-iongeleiding hebben, maar ook mechanische sterkte, chemische stabiliteit en goede compatibiliteit met elektrodematerialen.
Membraan
In conventionele lithium-ionbatterijen fungeert het diafragma als een fysieke barrière om direct contact tussen de positieve en negatieve elektroden te voorkomen, wat kan leiden tot kortsluiting, terwijl lithiumionen erdoorheen kunnen. In vaste-stofbatterijen kan de functie van het diafragma worden overgenomen door de vaste-stofelektrolyt zelf, omdat de elektrolyt zelf vast is, of in sommige ontwerpen is een diafragma in de traditionele zin mogelijk niet langer nodig.
Classificatie
De classificatie van solid-state batterijen is voornamelijk gebaseerd op het type vaste elektrolyt, en de verschillende kenmerken van deze elektrolytmaterialen hebben een directe impact op de prestaties, veiligheid en toepassingsgebieden van de batterij. Volgens de verschillende vaste elektrolyten kunnen vaste batterijen als volgt worden gecategoriseerd:
Batterijen op basis van anorganische vaste elektrolyten
Anorganische vaste elektrolyten bieden doorgaans een betere thermische stabiliteit en een hogere lithiumiongeleiding, maar kunnen moeilijk te verwerken zijn vanwege hun stijfheid. Ze kunnen verder worden gecategoriseerd als:
Elektrolyten op basis van oxide: Bijvoorbeeld lithiumlanthaanzirconiumoxide (LLZO), die een hoge chemische stabiliteit en enige lithiumiongeleiding bieden.
Sulfide-gebaseerde elektrolyten: bijvoorbeeld Li2S-P2S5 en andere sulfiden, die doorgaans een hoge Li-iongeleiding en goede mechanische flexibiliteit bieden, maar mogelijk niet stabiel genoeg zijn in de lucht.
Batterijen op basis van polymere vaste elektrolyten
Polymeerelektrolyten bieden goede flexibiliteit en betere grensvlakcompatibiliteit, wat helpt om grensvlakproblemen tussen de elektrode en de elektrolyt te minimaliseren. Voorbeelden van polymeerelektrolyten zijn onder andere poly(vinyl)lithiumjodide (PEO-LiTFSI). Deze elektrolyten hebben een lage lithiumiongeleiding bij kamertemperatuur, dus ze moeten doorgaans bij hogere temperaturen worden gebruikt om hun prestaties te verbeteren.
Batterijen met samengestelde vaste elektrolyten
Samengestelde vaste elektrolyten combineren de voordelen van anorganische en polymere materialen en zijn ontworpen om een hogere Li-ion geleidbaarheid, verbeterde grensvlakeigenschappen en verbeterde mechanische sterkte te bieden. Dit type elektrolyt wordt bereikt door de dispersie van anorganische deeltjes in een polymeermatrix, wat de mobiliteit van lithiumionen verbetert terwijl een goede flexibiliteit en verwerkbaarheid behouden blijft.
Vaste-stofbatterijen op basis van lithiummetaal
Op lithiummetaal gebaseerd solid-state batterijen gebruik lithiummetaal als anodemateriaal met een solid-state elektrolyt. Lithiummetaal heeft een zeer hoge theoretische specifieke capaciteit en een laag potentieel, waardoor deze solid-state batterijen een hogere energiedichtheid hebben. Lithiummetaal is echter geneigd om lithiumdendrieten te vormen tijdens het fietsen, wat een grote uitdaging is om te overwinnen in op lithiummetaal gebaseerde solid-state batterijen.
Application scenario
Solid-state batterijen worden een ideale energieoplossing in verschillende gebieden vanwege hun uitstekende prestaties en veiligheidsfuncties. Hieronder volgen de belangrijkste toepassingsscenario's voor solid-state batterijen:
elektrische voertuigen
Elektrische voertuigen zijn een van de populairste gebieden voor solid-state batterijtoepassingen. Vergeleken met traditionele lithium-ionbatterijen bieden solid-state batterijen meer veiligheid, een langere levensduur en mogelijk een hogere energiedichtheid, wat betekent dat elektrische voertuigen een groter bereik en kortere laadtijden kunnen bereiken.
Bovendien kunnen elektrische voertuigen dankzij de hoge temperatuurstabiliteit van vaste-stofbatterijen bij een groter temperatuurbereik functioneren, waardoor ze betrouwbaarder zijn bij extreme weersomstandigheden.
Draagbare elektronische apparaten
De dunne en lichte aard en hoge energiedichtheid van solid-state batterijen maken ze een ideale energiebron voor draagbare elektronica zoals smartphones, tablets, laptops en wearables. Deze apparaten hebben lichtgewicht batterijen nodig om hun draagbaarheid te behouden en voldoende vermogen om langdurig gebruik te ondersteunen. Solid-state batterijen bieden ook betere veiligheidsfuncties en verminderen veiligheidsrisico's tijdens het gebruik van het apparaat.
Medische apparaten
Solid-state batterijen tonen ook een groot potentieel op het gebied van medische apparatuur, met name voor implanteerbare medische apparaten (bijv. pacemakers, neurostimulatoren, enz.), die een stabiele stroombron gedurende een lange periode nodig hebben. De hoge veiligheids- en lange levensduurkenmerken van solid-state batterijen kunnen voldoen aan de strenge eisen van deze toepassingen, waardoor het aantal keren dat batterijen vervangen moeten worden, wordt verminderd en het risico en ongemak voor patiënten tot een minimum wordt beperkt.
Energieopslagsystemen
Naarmate het gebruik van hernieuwbare energie toeneemt, spelen solid-state batterijen ook een rol in grootschalige energieopslagsystemen. Ze kunnen worden gebruikt om elektriciteit op te slaan die is opgewekt door zonne- of windenergie, wat een efficiënte en veilige oplossing voor energieopslag biedt. De hoge energiedichtheid en stabiliteit van solid-state batterijen maken ze geschikt voor gebruik in scenario's zoals netregulering, piek- en daltariefgebruik en het van stroom voorzien van afgelegen gebieden.
Waar moet u op letten bij het kiezen van een solid state batterij?
Bij het kiezen van een solid-state batterij als energieoplossing moet u rekening houden met de volgende factoren:
Toepassingen met hoge veiligheidseisen
Solid-state batterijen bieden een hoog veiligheidsniveau vanwege het gebruik van solid-state elektrolyten, die minder vatbaar zijn voor lekkage en minder snel vlam vatten of exploderen in het geval van overladen, oververhitting of fysieke schade. In toepassingen waar veiligheid een primaire zorg is, zoals elektrische voertuigen, ruimtevaartinstrumenten en medische implanteerbare apparaten, zijn solid-state batterijen een voorkeursoptie.
Apparaten die een lange levensduur vereisen
Solid-state batterijen bieden doorgaans een langere cycluslevensduur dan traditionele lithium-ionbatterijen omdat ze de schadelijke chemische reacties verminderen die kunnen optreden tussen de elektrolyt en de elektroden. Solid-statebatterijen zijn meer ideaal voor apparaten die langdurig moeten werken of waar frequente batterijvervanging moeilijk is, zoals bepaalde medische implanteerbare apparaten of apparatuur voor externe bewaking.
Toepassingen in extreme omgevingen
Solid-state batterijen kunnen stabiel werken over een breder temperatuurbereik, waardoor ze geschikt zijn voor extreme omgevingsomstandigheden. Voor apparaten die bij hoge of lage temperaturen moeten werken, zoals buitenapparatuur, detectoren of apparatuur voor specifieke industriële toepassingen, bieden solid-state batterijen betrouwbare prestaties.
Toepassingen met beperkte apparaatruimte
Solid-state batterijen zijn compacter en kunnen dunner worden gemaakt, wat zorgt voor meer ontwerpflexibiliteit. In toepassingen waar de ruimte beperkt is of batterijen met een niet-standaard vorm nodig zijn, zoals wearables en compacte elektronica, worden solid state batterijen verkozen vanwege hun superieure aanpassingsmogelijkheden.
Technologietrends
Solid-state batterij batterijtechnologie is een van de huidige hotspots op het gebied van batterijonderzoek en -ontwikkeling, met op veel vlakken een aantal belangrijke trends.
Innovatie van materialen
Materiaalkunde speelt een centrale rol in de ontwikkeling van solid-state batterijen. Huidig onderzoek is gericht op het vinden en optimaliseren van nieuwe solid-state elektrolytmaterialen om de geleidingsefficiëntie van lithiumionen te verbeteren, de grensvlakimpedantie te verminderen en de algehele stabiliteit van de batterij te verbeteren. Anorganische solid-state elektrolyten (bijv. sulfiden, oxiden en fosfaten) en op polymeren gebaseerde elektrolyten zijn de twee belangrijkste onderzoeksrichtingen.
Interfacebeheertechnologieën
Een belangrijke uitdaging in de prestaties van solid-state batterijen is de interface tussen de elektrode en de elektrolyt, inclusief de grensvlakimpedantie en de vorming van lithiumdendriet. Onderzoekers ontwikkelen nieuwe technologieën en coatingmaterialen om deze interfaces te beheren en optimaliseren om de cyclusstabiliteit en levensduur van batterijen te verbeteren. Efficiënter lithiumionentransport en betere algehele batterijprestaties kunnen worden bereikt door grensvlakengineering.
Vooruitgang in productietechnologie
As solid-state batterijen overgang naar commercialisering, productiekosten en productie-efficiëntie zijn belangrijke overwegingen. Onderzoek en ontwikkeling richten zich op technologieën die het productieproces stroomlijnen, productiekosten verlagen en de productieschaal vergroten. Dit omvat het verbeteren van batterijassemblagemethoden en het ontwikkelen van betrouwbare grootschalige elektrolyt- en elektrodeproductietechnologieën.
Veelzijdige integratie
Toekomstige solid-state batterijen zijn mogelijk niet alleen energieopslagsystemen, maar integreren ook sensing, self-healing en vele andere functies. Door bijvoorbeeld sensoren in de batterij te plaatsen, is het mogelijk om de gezondheid en prestaties van de batterij in realtime te monitoren, en mogelijke storingen te voorspellen en voorkomen.
De bottom line
Solid-state batterijen vertegenwoordigen een belangrijke vooruitgang in batterijtechnologie. Hun kernkenmerk is het gebruik van vaste elektrolyten in plaats van traditionele vloeibare of gel-elektrolyten, wat de veiligheid, energiedichtheid en levensduur van de batterij aanzienlijk verbetert. De belangrijkste voordelen van vaste batterijen zijn verbeterde veiligheid, langere levensduur en hogere energiedichtheid.
Deze batterijtechnologie toont potentieel voor een breed scala aan toepassingen in gebieden zoals elektrische voertuigen, draagbare elektronica, medische apparaten en energieopslagsystemen. Momenteel richt de ontwikkeling van solid-state batterijtechnologie zich op materiaalinnovatie, interfacebeheer en optimalisatie van het productieproces.
Hoewel er nog uitdagingen zijn in het commercialiseringsproces, wordt verwacht dat vaste-stofbatterijen, dankzij verder onderzoek en technologische vooruitgang, een belangrijke rol zullen spelen in de batterijmarkt van de toekomst. Ze zullen veiligere en efficiëntere energieoplossingen bieden voor een breed scala aan toepassingen.
Als u ten slotte geïnteresseerd bent in de aanschaf van een solid state-batterij voor uw huis of bedrijf, bezoek dan deze pagina link.
