Batterijen vormen een bottleneck in de energietransitie. De vastestofbatterij moet voor een flinke doorbraak gaan zorgen. Maar wat is het eigenlijk?

Duurzaam transport en de opslag van wind- en zonne-energie lopen tegen een probleem aan: de conventionele batterij is brandgevaarlijk en heeft bovendien zijn maximale capaciteit zo goed als bereikt. Toch gloort er hoop aan de horizon.

Al sinds eind jaren vijftig werken wetenschappers aan een belangrijke innovatie: de vastestofbatterij. Bijna alle grote automerken experimenteren er inmiddels mee. Toyota zegt dat hun auto rond 2025 met één oplaadbeurt 700 kilometer kan rijden. Ook wordt gekeken naar het gebruik van vastestofbatterijen om duurzamer en veiliger hernieuwbare energie op grote schaal op te slaan. Hoe serieus zijn deze mooie beloftes?

Hoogleraar Petra de Jongh doet samen met dr. Peter Ngene onderzoek aan Katalyse en Materialen voor Duurzame Energie aan de Universiteit Utrecht. VPRO Tegenlicht stelde haar vier vragen over de vastestofbatterij.

1. Waarom willen we eigenlijk een vastestofbatterij?

Er zijn twee belangrijke redenen voor het ontwikkelen van vastestofbatterijen: veiligheid en energiedichtheid. Conventionele batterijen bevatten een brandbare vloeistof. Deze kan ontvlammen tijdens het opladen of door impact. Dit risico is reëel. Denk aan spontaan ontvlammende elektrische auto’s en de ontploffende batterij van de Samsung Galaxy Note 7. Een vaste stof is daarentegen veel moeilijker in brand te krijgen en verdampt niet. Vastestofbatterijen zijn daarom veel veiliger.

Een ander voordeel van de vastestofbatterij is de energiedichtheid: hoeveel energie in een batterij kan worden opgeslagen. De Jongh vertelt dat met conventionele batterijen nog wel wat vooruitgang kan worden geboekt, maar dat binnenkort het plafond zal worden bereikt: ‘Dan moet je een stap maken naar een andere chemie.’

Met vastestofbatterijen kan een flinke stap worden gemaakt in de energiedichtheid. Zo zul je bijvoorbeeld met een kleinere accu meer kilometers kunnen rijden. Ook kan de accuduur van telefoons worden verbeterd zonder de telefoon zwaarder te maken.

2. Wat is een vastestofbatterij?

Elke batterij bestaat uit drie delen: een plus- en min-pool en iets daar tussenin, een elektrolyt. Het verschil tussen de conventionele batterij en de vastestofbatterij zit hem in dit elektrolyt. Voor een werkende batterij is het nodig dat lithium van de ene kant naar de andere kant beweegt, door het elektrolyt dus.

Bij een conventionele batterij is dit een vloeibaar elektrolyt, terwijl een vastestofbatterij werkt met, je raadt het al, een vast elektrolyt. De vastestofbatterij kan dus beter worden begrepen als een verzamelnaam. Het omvat alle batterijen die werken met een vast elektrolyt.

3. Wat zijn de uitdagingen?

Een vastestofbatterij werkt trager dan een conventionele batterij. Hoogleraar Petra de Jongh legt het verschil uit met een metafoor. Een conventionele batterij is als een zwembad waarin je zonder al te veel moeite van de ene naar de andere kant komt. Je zou er zelfs met een speedboot doorheen kunnen. Een vastestofbatterij is dan als een ballenbak: ‘Je hebt allemaal vaste stof dingen om je heen en je moet er steeds een paar verplaatsen om in de volgende positie te komen.’ In een vastestofbatterij vindt het lithium dus langzamer zijn weg naar de overkant. Hoe langzamer het lithium beweegt, hoe minder energie je uit de batterij kunt halen.

Bij hele kleine, dunne batterijen vormt het langzamere proces geen probleem. Vandaar dat de techniek al wordt gebruikt voor pacemakers. Grotere vastestofbatterijen vormen daarentegen een uitdaging. Er zijn maar een beperkt aantal materialen die relatief snel lithium kunnen verplaatsen. Deze worden bovendien nog niet op grote schaal ergens anders voor gebruikt. Ze zijn dus duur. Grotere vastestofbatterijen worden daarom alleen gebruikt in toepassingen waarbij veiligheid en robuustheid heel belangrijk zijn en de hogere kosten minder. Denk aan de ruimtevaart.

'Een vastestofbatterij is als een ballenbak'

De uitdaging is om vastestofbatterijen op grote schaal te maken. De Jongh beschrijft de taak van wetenschappers hierin als het aanreiken van een hele grote gereedschapskist: ‘We zeggen eigenlijk: dit zijn alle materialen waaruit je kunt kiezen, kijk maar bij welke het lukt om dat goedkoop op grote schaal te produceren.’ Sinds de jaren vijftig zijn er door wetenschappers hele families aan materialen ontdekt.

Bedrijven hebben nu twee uitdagingen. Ze moeten experimenteren met verschillende soorten vastestofbatterijen. De eisen aan een product bepalen welke soort batterij wordt gekozen. Voor auto’s kijkt men voornamelijk naar de grootte, terwijl voor draagbare elektronica het gewicht van groot belang is. Wanneer ze eenmaal een werkende variant hebben gevonden, moeten ze in de benodigde materialen investeren. Als de materialen voor de vastestofbatterij op grotere schaal worden geproduceerd, dan zullen de kosten dalen. Zo komt de vastestofbatterij uiteindelijk voor bredere toepassingen beschikbaar.

4. Wat kunnen we verwachten?

Versies van de vastestofbatterij worden dus al volop gebruikt, in bijvoorbeeld pacemakers en zonnepanelen. Nu kijken bedrijven als QuantumScape en Fluence Energy naar het gebruik van vastestofbatterijen om energie op grote schaal veilig en duurzaam op te kunnen slaan. Een belangrijke hindernis die moet worden overwonnen om de transitie naar duurzame energie te maken.

Het afgelopen jaar hebben bijna alle grote autofabrikanten een paar vastestoftechnologieën gekozen om mee te experimenteren. De meeste fabrikanten beloven dat de eerste modellen met vastestofbatterij te koop zullen zijn tussen 2025 en 2030. De Jongh geeft het nog wel tien jaar. Volgens haar rekken we eerst de capaciteit van de conventionele batterij op en maken we daarna de stap naar vastestofbatterij.

Ook zullen we steeds meer gaan horen over recycling: ‘Dat staat eigenlijk nog in de kinderschoenen.’ De producent en consument denken vooral aan de prijs, zegt De Jongh. Op dit moment is het goedkoper om nieuw lithium te delven dan om het te recyclen. Pas als de grondstof duurder of schaarser wordt, zullen mensen de noodzaak voelen om het te hergebruiken.

 

Meer weten over manieren om energie op te slaan? Kijk dan de VPRO Tegenlicht aflevering over de race om de super batterij.