Fraunhofer over solid-state batterijen: veel potentie, maar commerciële doorbraak duurt nog minstens vijf jaar

Volgens een uitgebreide analyse van het Fraunhofer Institute for Systems and Innovation Research (ISI) vormen solid-state batterijen (SSB’s) een veelbelovende volgende stap in de batterijtechnologie, maar zijn er nog wat hobbels op de weg. SSB’s bieden potentieel aanzienlijke voordelen ten opzichte van traditionele lithium-ionbatterijen, waaronder hogere energiedichtheid, verbeterde veiligheid en een langere levensduur. Toch waarschuwt Fraunhofer dat het nog zeker vijf jaar kan duren voordat deze technologie op grote schaal commercieel rendabel is.

Vaste stof-elektrolyt

De kerninnovatie van solid-state batterijen ligt in het vervangen van de vloeibare elektrolyt door een vaste stof. Dit zorgt niet alleen voor een verbeterde veiligheid — omdat vloeibare elektrolyten vaak brandgevaarlijk zijn — maar ook voor een verhoging van de energiedichtheid doordat lithium-metaalanodes kunnen worden ingezet. In theorie kunnen solid-state batterijen daardoor kleinere, lichtere en krachtigere energieopslagsystemen opleveren.

Knelpunten

Toch blijkt uit het onderzoek van Fraunhofer dat er nog aanzienlijke technische obstakels bestaan. Eén daarvan is de keuze en compatibiliteit van materialen. Zo is het gebruik van een lithium-metaalanode aantrekkelijk vanwege de extreem hoge theoretische capaciteit, maar dit brengt problemen met zich mee zoals volumeveranderingen tijdens het laden en ontladen, wat kan leiden tot mechanische spanningen en de groei van gevaarlijke lithiumdendrieten. Alternatieven zoals grafiet of silicium-gebaseerde anodes bieden oplossingen, maar leveren in de praktijk vaak weer minder energiedichtheid.

Ook de vaste elektrolyten zelf brengen uitdagingen met zich mee. Oxide-gebaseerde elektrolyten, zoals Li₇La₃Zr₂O₁₂ (LLZO), zijn chemisch stabiel maar kampen met hoge interfaciale weerstand, wat de prestaties van de batterij verlaagt. Sulfide-elektrolyten hebben een uitstekende ionengeleiding, maar zijn extreem gevoelig voor vocht en kunnen reactief zijn, wat leidt tot degradatie en veiligheidsproblemen. Polymeer-elektrolyten zijn eenvoudiger te verwerken en flexibel, maar hebben meestal een lagere ionengeleidbaarheid bij normale temperaturen, waardoor ze minder geschikt zijn voor toepassingen met hoge prestaties.

Minstens vijf jaar wachten

De reden dat Fraunhofer ISI verwacht dat het nog minstens vijf jaar duurt voordat SSB’s commercieel breed worden ingezet, is dat de industrie nog worstelt met het vertalen van veelbelovende laboratoriumresultaten naar massaproductie. De huidige productietechnologieën zijn nog niet geschikt om solid-state batterijen op grote schaal en tegen concurrerende kosten te fabriceren. Specifieke problemen zijn onder andere de zeer precieze verwerkingseisen voor materialen, de noodzaak van extreem gladde interfaces, en de moeilijkheid om batterijen langdurig stabiel te houden onder realistische gebruiksomstandigheden.

Daarnaast zijn er structurele onzekerheden over hoe de kosten zich zullen ontwikkelen. Hoewel solid-state batterijen theoretisch goedkoper kunnen worden door een langere levensduur en hogere veiligheid, zijn de initiële investeringskosten in nieuwe productielijnen en de risico’s rond grootschalige opschaling momenteel aanzienlijk. Pas als deze productie-uitdagingen zijn opgelost en voldoende schaalvoordelen zijn gerealiseerd, kunnen solid-state batterijen daadwerkelijk gaan concurreren met de inmiddels sterk geoptimaliseerde conventionele lithium-iontechnologie.

Markt

Fraunhofer wijst er bovendien op dat de automobielsector een doorslaggevende rol zal spelen. Grote autofabrikanten investeren weliswaar fors in solid-state technologie — zoals Toyota, Volkswagen en BMW — maar zullen pas massaal overstappen als de betrouwbaarheid en kosten van SSB’s daadwerkelijk concurrerend zijn. Tot die tijd zullen verbeterde conventionele lithium-ionbatterijen, zoals LFP- of NMC-cellen, waarschijnlijk de markt blijven domineren.

Tot slot benadrukt Fraunhofer ISI dat de komende jaren cruciaal zijn. Als solid-state batterijen tegen 2030 niet breed commercieel inzetbaar blijken, bestaat het risico dat de technologie wordt ingehaald door andere batterij-innovaties, zoals lithium-zwavel- of natrium-ionbatterijen, die ook gericht zijn op hogere duurzaamheid en lagere kosten.

Bron: Fraunhofer ISI