Heeft QuantumScape zojuist een 40 jaar oud accuprobleem opgelost?

Als elektrische voertuigen ooit de benzineslurpers op de wegen van de wereld volledig willen verdringen, hebben ze een heel nieuw type batterij nodig. Ondanks gestage verbeteringen in de afgelopen tien jaar in de energiedichtheid en levensduur van lithium-ionbatterijen, blijven de cellen in nieuwe EV’s nog steeds achter bij verbrandingsmotoren op vrijwel elk prestatiecriterium. De meeste EV’s hebben een actieradius van minder dan 300 mijl, het duurt meer dan een uur om hun batterij op te laden, de cellen verliezen bijna een derde van hun capaciteit binnen tien jaar, en ze vormen een ernstig veiligheidsrisico vanwege hun brandbare materialen.

De oplossing voor deze problemen is al tientallen jaren bekend: Het wordt een solid-state batterij genoemd, en is gebaseerd op een bedrieglijk eenvoudig idee. In plaats van een conventionele vloeibare elektrolyt – het spul dat lithiumionen tussen elektroden transporteert – wordt een vaste elektrolyt gebruikt. Ook is de negatieve pool van de batterij, de anode, gemaakt van zuiver lithiummetaal. Deze combinatie zou de energiedichtheid van de batterij tot een maximum doen stijgen, ultrasnel laden mogelijk maken en het risico van batterijbranden elimineren. Maar de afgelopen 40 jaar is niemand erin geslaagd een solid-state batterij te maken die deze belofte waarmaakt – tot eerder dit jaar, toen een geheimzinnige startup genaamd QuantumScape beweerde het probleem te hebben opgelost. Nu heeft het de gegevens om het te bewijzen.

Op dinsdag, voor de eerste keer, onthulde QuantumScape’s mede-oprichter en CEO, Jagdeep Singh, publiekelijk testresultaten voor de solid-state batterij van het bedrijf. Singh zegt dat de batterij alle kernproblemen heeft opgelost die solid-state batterijen in het verleden hebben geteisterd, zoals de ongelooflijk korte levensduur en de trage oplaadsnelheid. Volgens de gegevens van QuantumScape kan zijn cel in 15 minuten tot 80 procent van zijn capaciteit opladen, behoudt hij meer dan 80 procent van zijn capaciteit na 800 laadcycli, is hij niet brandbaar en heeft hij een volumetrische energiedichtheid van meer dan 1.000 wattuur per liter op celniveau, wat bijna het dubbele is van de energiedichtheid van de beste commerciële lithium-ion-cellen.

“We denken dat we de eerste zijn die solid-state oplossen,” vertelde Singh aan WIRED voorafgaand aan de aankondiging. “Geen enkel ander solid-state systeem komt hierbij in de buurt.”

De batterijcel van QuantumScape is ongeveer zo groot en dik als een speelkaart. De kathode, of positieve terminal, is gemaakt van nikkel mangaan kobalt oxide, of NMC, een veel voorkomende chemie in EV-batterijen vandaag. De negatieve elektrode, of anode, is gemaakt van zuiver lithiummetaal – maar het is nauwkeuriger om te zeggen dat hij helemaal geen anode heeft, aangezien hij zonder wordt vervaardigd. Wanneer de batterij tijdens het gebruik ontlaadt, stroomt al het lithium van de anode naar de kathode. De ruimte die overblijft aan de anodezijde – dunner dan een menselijke haar – wordt tijdelijk samengedrukt als een accordeon. Het proces keert om wanneer de batterij wordt opgeladen, en de lithiumionen stromen weer in de anode-ruimte.

“Dit anodevrije ontwerp is belangrijk omdat het waarschijnlijk de enige manier is waarop lithium-metaalbatterijen vandaag de dag kunnen worden vervaardigd met de huidige productiefaciliteiten,” zegt Venkat Viswanathan, een mechanisch ingenieur die werkt aan lithium-metaalbatterijen aan de Carnegie Mellon University en een technisch adviseur voor QuantumScape. “Anodevrij is een grote uitdaging geweest voor de gemeenschap.”

Maar de sleutel tot QuantumScape’s doorbraak in vaste toestand is de flexibele keramische separator die tussen de kathode en de anode zit. Dit is het materiaal dat de “vaste stof” in vaste toestand brengt. Net als de vloeibare elektrolyt die zich tussen de elektroden in een conventionele cel bevindt, is zijn belangrijkste functie het overbrengen van lithiumionen van de ene terminal naar de andere wanneer de batterij oplaadt en ontlaadt. Het verschil is dat de vaste separator ook fungeert als een barrière die voorkomt dat lithiumdendrieten – metalen ranken die zich vormen op lithiummetalen anoden tijdens laadcycli – tussen de elektroden slingeren en kortsluiting veroorzaken.

Venkat Srinivasan, de directeur van het Argonne Collaborative Center for Energy Storage Science, heeft bijna tien jaar onderzoek gedaan naar vastestofbatterijen in het nationale laboratorium buiten Chicago. Hij zegt dat het vinden van een scheidingsmateriaal dat lithiumionen vrij tussen de elektroden laat stromen en tegelijkertijd dendrieten tegenhoudt, verreweg de grootste uitdaging is geweest. Doorgaans hebben onderzoekers ofwel een plakkerig polymeer ofwel een harde keramiek gebruikt. Hoewel polymeren het scheidingsmateriaal bij uitstek zijn in vloeibare elektrolytbatterijen, zijn zij niet geschikt voor vaste-stofcellen omdat zij de dendrieten niet tegenhouden. En de meeste keramische materialen die voor experimentele solid-state batterijen zijn gebruikt, zijn te broos om meer dan enkele tientallen laadcycli mee te gaan.

“Deze dendrieten zijn als de wortel van een boom,” zegt Srinivasan, die niet betrokken was bij het QuantumScape-werk. “Het probleem dat we proberen op te lossen is: hoe kun je mechanisch voorkomen dat dit wortelsysteem groeit met iets stevigs? Je kunt er niet zomaar van alles in stoppen, want je moet ionen heen en weer voeden. Als je dat niet doet, is er geen batterij.”

Lithium-ion-batterijen zijn complexe systemen, en de reden voor hun moeizame verbetering door de jaren heen is dat het aanpassen van één onderdeel van een cel vaak cascade-effecten heeft die de prestaties op onvoorziene manieren veranderen. Om een betere batterij te bouwen, moeten onderzoekers systematisch verschillende materialen onderzoeken tot ze iets vinden dat werkt, wat een ongelooflijk tijdrovende taak kan zijn. Singh zegt dat het QuantumScape 10 jaar en 300 miljoen dollar aan onderzoek en ontwikkeling kostte voordat het bedrijf een solid-state separator had gevonden die aan de eisen voldeed. Hij wil niet onthullen waar het van gemaakt is – dat is de geheime saus van het bedrijf – maar hij zegt dat het materiaal goedkoop en gemakkelijk verkrijgbaar is. “We hadden geen goddelijke openbaring die zei: ‘Dit materiaal gaat werken, ga het bouwen’,” zegt Singh. “We hebben heel wat doodlopende wegen moeten bewandelen. Maar de natuur heeft wel een materiaal geleverd dat aan de eisen voldoet, en gelukkig, door ons systematische zoekproces, waren we in staat om het te vinden.”

Singh zegt dat de batterij van QuantumScape het soort stapverandering in prestaties is dat EV’s naar de mainstream zal duwen. Hij is niet de enige die er zo over denkt. Het bedrijf telt Bill Gates en Vinod Khosla onder zijn investeerders, en verschillende batterijbaronnen, zoals Tesla mede-oprichter J. B. Straubel, zetelen in zijn raad van bestuur. Een van de grootste financiers van het bedrijf is Volkswagen, ’s werelds grootste autofabrikant, die meer dan $300 miljoen in QuantumScape heeft gestoken en van plan is om de solid-state cellen al in 2025 in enkele van zijn eigen EV’s te gaan gebruiken.

QuantumScape en VW zijn natuurlijk niet de enige bedrijven die zich met solid-state batterijen bezighouden. Toyota is ook bezig met de ontwikkeling van een solid-state cell, die het bedrijf dit jaar tijdens de Olympische Spelen in Tokio wilde onthullen voordat dit werd uitgesteld vanwege de pandemie. Net als VW is Toyota van plan om zijn solid-state batterijen tegen 2025 op de weg te hebben. Maar eerder dit jaar vertelde Keiji Kaita, vice-president van Toyota’s powertrain divisie, aan de industriepublicatie Automotive News dat het bedrijf nog steeds de beperkte levensduur van de batterij moest verbeteren. Toyota-vertegenwoordigers reageerden niet op WIRED’s verzoek om commentaar.

Een zes jaar oude startup genaamd Solid Power heeft ook een functionerende solid-state cel gemaakt en is begonnen met de productie van prototypebatterijen met 10 gestapelde lagen in een proeffabriek in Colorado. Net als QuantumScape hebben deze cellen een lithium-metaalanode en een keramische solid-state elektrolyt. De elektrolyt van Solid Power is gebaseerd op sulfide, een chemie die wenselijk is voor solid-state batterijen vanwege het hoge geleidingsvermogen en de compatibiliteit met bestaande fabricageprocessen. Het bedrijf werkt samen met een aantal autofabrikanten, waaronder Ford, BMW en Hyundai, hoewel de directieleden niet verwachten dat hun cellen voor 2026 op de weg te zien zijn, vanwege het langdurige kwalificatieproces voor de auto-industrie. Solid Power heeft nog geen gegevens vrijgegeven over zijn cel, maar het bedrijf zal naar verwachting aanstaande donderdag een grotere cel onthullen en de prestatiegegevens voor het eerst publiceren.

“Het concurrentielandschap van solid-state batterijen wordt steeds drukker door het enorme potentieel dat solid-state batterijen hebben bij het mogelijk maken van voertuigelektrificatie”, zegt Doug Campbell, CEO van Solid Power. “Dit leidt uiteindelijk tot EV’s met een grotere actieradius, een grotere betrouwbaarheid en lagere kosten.”

De prestatiegegevens van QuantumScape zijn indrukwekkend, maar ze komen met een belangrijk voorbehoud. Alle testgegevens werden gegenereerd in afzonderlijke cellen die, technisch gesproken, geen volledige batterijen zijn. De dunne cel die QuantumScape onthult, is voorbestemd om samen met ongeveer 100 andere te worden gestapeld tot een volledige cel die ongeveer zo groot is als een kaartspel. Om een EV aan te drijven zijn honderden van die gestapelde batterijen nodig, maar tot nu toe heeft het bedrijf nog geen volledig gestapelde cel getest.

Het schalen van een batterij van een subeenheid van een enkele cel naar een volledige cel en uiteindelijk naar een volledig batterijpakket kan veel problemen opleveren, zegt Srinivasan. Wanneer batterijen in kleine batches worden gemaakt, zegt hij, is het gemakkelijker om defecten te elimineren die tijdens het productieproces opduiken. Maar als je eenmaal begint met de productie van accu’s op grote schaal, kan het moeilijk zijn om defecten te beheersen, waardoor de prestaties van een accu snel achteruit kunnen gaan. “Ook al ziet een materiaal er op kleine schaal veelbelovend uit, bij de schaalvergroting kunnen deze defecten een groter probleem worden,” zegt Srinivasan. “Werking in de echte wereld is heel anders dan in het laboratorium.”

Jeff Sakamoto, een werktuigbouwkundig ingenieur die zich richt op energieopslag aan de Universiteit van Michigan en niet betrokken was bij QuantumScape, is het daarmee eens. Volgens hem zijn er nog steeds grote leemten in de kennis over de fundamentele mechanische eigenschappen van lithium-metaalbatterijen in vaste vorm, wat problemen kan opleveren bij het op de markt brengen van de technologie. Hij wijst op ’s werelds eerste commerciële passagiersvliegtuig, de noodlottige De Havilland Comet, als voorbeeld van de gevolgen van de lancering van een technologie voordat de materiaaleigenschappen volledig zijn begrepen. Kort nadat de Comet het luchtruim had gekozen, brak het toestel halverwege de vlucht op catastrofale wijze af omdat de ingenieurs het degradatieproces van de metalen in de romp niet volledig begrepen. Hoewel er voor solid-state cellen iets minder op het spel staat dan voor commerciële jets – de batterijen zijn tenslotte ontworpen om ultraveilig te zijn – zou een batterij die op de markt komt en onverwachte prestatieproblemen ondervindt, de elektrificatie van het vervoer kunnen vertragen.

“Ik ben verbaasd over hoe weinig er bekend is over het mechanische gedrag van lithiummetaal en hoe de fysica van lithium de haalbaarheid van solid-state batterijen beïnvloedt,” zegt Sakamoto. “Ik weet niet in hoeverre deze hiaten in onze kennis van invloed zullen zijn op de brede toepassing van lithium-metaal solid-state batterijen. Maar hoe meer we weten over het fundamentele gedrag, hoe beter de overgang naar grootschalige toepassing.”

Singh laat zich niet afschrikken door de uitdagingen die QuantumScape moet aangaan voordat zijn batterijen het laboratorium verlaten en in een auto terechtkomen. Wat hem betreft heeft het bedrijf de harde basisproblemen opgelost die de commercialisering van een solid-state batterij in de weg hebben gestaan. “Ik wil het werk dat nog moet gebeuren niet bagatelliseren,” zegt Singh. “Maar het is niet de vraag of dit zal werken of niet. Het is een kwestie van engineering.”

Vroeger dit jaar ging QuantumScape naar de beurs via een speciale overnamemaatschappij en voegde ongeveer $ 700 miljoen toe aan zijn toch al omvangrijke balans. Singh zegt dat het bedrijf nu meer dan $ 1 miljard in de oorlogskas heeft, wat meer dan genoeg is om het in productie te nemen. Het lijkt onmogelijk dat het bedrijf zou falen, maar dat dachten de investeerders ook van A123 Systems en Envia Systems, twee bedrijven die grote sommen geld ophaalden bij oude autoconstructeurs met de belofte van een revolutionaire EV-batterij, maar die ten onder gingen toen de prestaties van hun cellen niet aan de verwachtingen voldeden. QuantumScape zou wel eens de eerste startup kunnen worden die een commerciële solid-state batterij levert, maar het bedrijf heeft nog een lange weg te gaan.

Heeft QuantumScape zojuist een 40 jaar oud accuprobleem opgelost?

More Great WIRED Stories

Geef een antwoord Antwoord annuleren