Doorbraak in lithium-zwavel vaste-stofbatterijen

Fraunhofers lithium-zwavel-vooruitgang

Deze week presenteerde een team van het Fraunhofer-Institut in Dresden laboratoriumresultaten voor een volgende generatie solid-state lithium-zwavel-batterij (Li–S), die de energiedichtheid naar een nieuw bereik tilt voor transporttoepassingen. In vroege tests rapporteren de onderzoekers specifieke energieën van meer dan 600 wattuur per kilogram — aanzienlijk hoger dan de meeste commerciële lithium-ion-cellen — en zij geven aan dat hun doel is om ongeveer 550 Wh/kg te bereiken in gecommercialiseerde cellen tegen kosten onder de 86 dollar per kilowattuur. De aankondiging maakt deel uit van twee gecoördineerde R&D-inspanningen die op nationaal en Europees niveau worden gefinancierd. De groep stelt dat de combinatie van materialen en een oplosmiddelvrij coatingproces de technologie compatibel zou kunnen maken met bestaande productielijnen voor batterijen.

Een hardnekkig chemisch probleem

Lithium-zwavel-ontwerpen zijn op papier al lang aantrekkelijk omdat zwavel overvloedig aanwezig en goedkoop is, en een hoge theoretische capaciteit biedt — ongeveer het dubbele van de gravimetrische energie van typische lithium-ion-kathodechemieën. In de praktijk hebben Li–S-batterijen echter moeite om veel laadcycli te overleven. De belangrijkste schuldige is de zogenaamde polysulfide-shuttle: tussenproducten van zwavel lossen tijdens het cycleren op in de elektrolyt, migreren naar de anode en veroorzaken nevenreacties die de capaciteit snel uitputten en de levensduur verkorten. Conventionele cellen gebruiken vloeibare elektrolyten die deze oplossing en migratie vergemakkelijken, waardoor het stabiliseren van de actieve materialen al decennia de grootste hindernis is in het Li–S-onderzoek.

Hoe de Fraunhofer-aanpak werkt

Dat praktische detail is om twee redenen van belang. Ten eerste bieden vaste elektrolyten een fysieke barrière die de mobiliteit van opgeloste zwavelverbindingen kan beperken, waardoor het capaciteitsverlies wordt verminderd. Ten tweede vermindert oplosmiddelvrije verwerking de energiebehoefte en CO2-uitstoot bij de productie, en kan deze — volgens het team — worden aangepast aan bestaande lithium-ion-productielijnen in plaats van een volledige fabrieksombouw af te dwingen. Het onderzoek wordt voortgezet via twee programma's: een nationaal Duits initiatief genaamd AnSiLiS en een Europees Horizon Europe-project genaamd TALISSMAN, die beide gericht zijn op het overwinnen van Li–S-barrières voor transport en industrieel gebruik.

Wat dit zou kunnen betekenen voor elektrische voertuigen

Als de gerapporteerde energiedichtheden standhouden bij opschaling en praktijktests, zouden de gevolgen voor elektrische mobiliteit aanzienlijk zijn. Een hogere gravimetrische energie stelt ontwerpers in staat om ofwel de actieradius te vergroten voor een gegeven voertuigmassa, ofwel het gewicht van de batterij te verminderen bij een gelijkblijvende actieradius. Lichtere voertuigen accelereren efficiënter, belasten de ophanging en banden minder op de lange termijn, en kunnen sneller opladen omdat er minder massa hoeft te worden bijgevuld. In praktische termen zouden cellen in de 500–600 Wh/kg-klasse op pakketniveau kunnen leiden tot personenauto's met een actieradius die ver boven de huidige middenklassers ligt, terwijl de vraag naar grondstoffen per kilometer afneemt.

Er zijn ook voordelen voor het milieu en de toeleveringsketen. Zwavel is een bijproduct van de raffinage van fossiele brandstoffen en is vele malen overvloediger aanwezig dan kobalt, nikkel of andere batterijmetalen. Een verschuiving naar kathodes met veel zwavel zou de afhankelijkheid van schaarse kritieke grondstoffen verminderen en de kosten potentieel verlagen. Het Fraunhofer-team wijst er ook op dat het DRYtraec-proces de productie-energie en CO2-uitstoot met tot wel 30% vermindert in vergelijking met conventionele natte coatingmethoden — een vroege aanwijzing dat een Li–S-toekomst op schaal ook groener zou kunnen zijn.

Productie, emissies en kosten

Een aantrekkelijke bewering uit het werk in Dresden is de compatibiliteit met de huidige lithium-ion-productie-infrastructuur. Aanpasbare processen zijn industrievriendelijk: fabrieken kunnen sneller en met lagere kapitaaluitgaven worden hergebruikt dan wanneer er volledig nieuwe lijnen rond exotische processen moeten worden gebouwd. De onderzoekers hebben een expliciet commercieel doel gesteld — ongeveer 550 Wh/kg tegen kosten onder de $86/kWh — wat, indien behaald, concurrerend zou zijn in de EV-markt waar de kosten per kilowattuur een centraal criterium blijven voor de koper.

Lagere celkosten en lichtere systemen zouden samen de totale eigendomskosten (total cost of ownership) voor EV-kopers verlagen en de druk op de laadinfrastructuur verlichten, omdat lichtere auto's efficiënter accelereren en vertragen en daardoor minder piekvermogen verbruiken tijdens rijcycli. Dat gezegd hebbende, de weg van het lab naar de assemblagelijn is ook een weg van geïdealiseerde prestaties naar de weerbarstige realiteit van opbrengst, kwaliteitscontrole en duurzaamheid op de lange termijn.

De obstakels: cycli, schaalvergroting en veiligheid

Cijfers over de specifieke energie uit het laboratorium zijn een belangrijke mijlpaal, maar ze vertellen niet het hele verhaal. Vroege resultaten houden zelden rekening met engineering-verliezen op pakketniveau, snellaadgedrag of de kalenderlevensduur bij temperatuurschommelingen in de automotive-sector. Li–S-cellen moeten ook omgaan met mechanische spanningen: zwavel verandert van volume wanneer het reageert, en vaste elektrolyten moeten zelf ionisch contact behouden ondanks uitzetting en krimp. Interfaceweerstanden tussen de vaste elektrolyt en de elektroden kunnen bovendien de vermogensafgifte beperken.

Veiligheid is een ander gebied dat uitputtende tests vereist. Vaste elektrolyten worden vaak geprezen als inherent veiliger dan brandbare vloeibare elektrolyten, maar elk nieuw materiaal en elke nieuwe celgeometrie introduceert nieuwe faalmodi. Automobielcertificering vereist duizenden uren aan versnelde cyclustests, punctietests, thermische runaway-tests en crashtests voordat een batterijchemie kan worden toevertrouwd aan miljoenen wegvoertuigen.

Financiering, tijdlijnen en volgende stappen

De Fraunhofer-groep zet het werk voort binnen gefinancierde onderzoeksconsortia: een nationaal Duits programma (AnSiLiS) and een Europees Horizon Europe-project (TALISSMAN). Deze kaders zijn expliciet gericht op het vertalen van laboratoriumchemie naar demonstratoren en proefproductie. Het team zegt dat volledige prototypen in de komende jaren worden verwacht; commerciële opschaling zal afhangen van de vraag of de cellen de vereiste levensduur, veiligheidsnormen en productieopbrengsten kunnen halen binnen het voorgestelde kostenkader.

Dit is geen inspanning van een enkel laboratorium. Industriële adoptie vereist dat batterijfabrikanten, autofabrikanten en apparatuurleveranciers de materialen op schaal valideren, elektrodecoatinglijnen waar nodig aanpassen en pilotpakketten bouwen voor voertuigtests. Toezichthouders zullen ook het veiligheidsprofiel op de lange termijn moeten beoordelen. Als die vakjes de komende jaren worden aangevinkt, zouden solid-state Li–S-cellen een volledig nieuwe optie kunnen worden in het EV-arsenaal — als aanvulling op de incrementele verbeteringen in lithium-ion en de groeiende belangstelling voor andere chemieën.

Vooralsnog is het nieuws uit Dresden een technische stap voorwaarts en geen eindproduct. Het blaast een oude belofte nieuw leven in — de hoge energie per kilogram van zwavel — met een moderne twist in de verwerking. De echte test wordt de levensduur en produceerbaarheid: of de cellen nog steeds presteren na duizenden kilometers, herhaaldelijk snelladen en de real-world stress van hitte en kou. Als dat lukt, zullen zowel autofabrikanten als kopers de praktische impact voelen; tot die tijd is de aankondiging een bemoedigend, zorgvuldig gekwalificeerd baken op een lange, dure weg naar adoptie in de auto-industrie.

Bronnen

• Fraunhofer Institute for Material and Beam Technology (Fraunhofer IWS), Dresden (onderzoek naar solid-state lithium-zwavel-cellen en DRYtraec-verwerking)
• AnSiLiS-project (Duits federaal onderzoeksinitiatief)*
• TALISSMAN (Horizon Europe-onderzoeksproject)
• DRYtraec oplosmiddelvrije coating-productiemethode (Fraunhofer IWS)