QuantumScape, ontwikkelaar van solid-state lithium-metaalbatterijen, heeft een samenwerking gesloten met het Japanse Murata Manufacturing. De focus ligt op de productie van keramische films, die een sleutelrol spelen in QuantumScape’s ontwerp van solid-state batterijen. Deze stap past binnen de bredere strategie om de commerciële schaalbaarheid van solid-state technologie te versnellen.
Lithiummetaalanode
De kern van de batterijontwikkeling bij QuantumScape is de toepassing van een lithiummetaalanode, gecombineerd met een vaste keramische separator. Een lithiummetaalanode biedt theoretisch een aanzienlijk hogere energiedichtheid dan conventionele grafietanodes. Lithium kan immers veel meer lading opslaan per gewichtseenheid, wat batterijcellen aanzienlijk kleiner en lichter kan maken. Echter, de praktische toepassing van lithiummetaal is complex: tijdens het laden en ontladen zet de lithiumlaag sterk uit en krimpt ze weer, wat kan leiden tot mechanische stress, het ontstaan van scheuren en de groei van dendrieten. Deze dendrieten — microscopisch kleine lithiumvezels — kunnen doorschieten naar de kathode, met kortsluiting en in het slechtste geval brand tot gevolg.
Keramische seperator
De keramische separator van QuantumScape is ontworpen om deze problemen tegen te gaan. Keramiek is mechanisch robuust en kan de fysieke krachten die gepaard gaan met de volumeveranderingen van de lithiumanode beter opvangen dan traditionele polymeermembranen. Belangrijker nog: de dichte microstructuur van de keramische separator fungeert als een fysieke barrière tegen dendrietgroei. Waar conventionele separatoren onder belasting vaak perforeren door dendrieten, kan een goed ontworpen keramische laag de lithiumvezels effectief blokkeren, waardoor de veiligheid en levensduur van de batterij aanzienlijk verbeteren.
De voordelen hiervan zijn tweeledig. Enerzijds verbetert de structurele integriteit van de cel, waardoor het aantal laad- en ontlaadcycli dat zonder significante degradatie kan worden doorstaan, toeneemt. QuantumScape heeft eerder aangegeven te mikken op prestaties waarbij 80% van de initiële capaciteit behouden blijft na 800 laadcycli, een niveau dat solide concurrentie vormt voor huidige lithium-ionbatterijen. Anderzijds verhoogt de keramische separator de veiligheid, wat essentieel is om brede acceptatie in de automobielsector mogelijk te maken, waar strenge veiligheidseisen gelden.
De samenwerking met Murata, dat ruime ervaring heeft met precisieproductie van keramische componenten, moet QuantumScape helpen de productie van deze gevoelige keramische separatoren op industriële schaal te realiseren. De betrouwbaarheid en reproduceerbaarheid van de keramische laag zijn cruciaal: kleine defecten kunnen leiden tot kortsluiting of verminderde prestaties. Grootschalige, foutloze productie is daarom een noodzakelijke stap richting commerciële beschikbaarheid.
Technische uitdagingen
Toch blijven er nog technische uitdagingen. Onder meer de aansluiting tussen keramiek en de andere celmaterialen, zoals de kathode, vereist geavanceerde materiaalkundige oplossingen om interfaciale weerstand te minimaliseren. Daarnaast speelt kostenbeheersing een grote rol. Keramische productie is traditioneel duurder dan de productie van polymeren, en om de batterijen competitief te maken ten opzichte van bestaande lithium-ioncellen, moeten kosten verder omlaag.
Tot slot
De samenwerking tussen QuantumScape en Murata zou een belangrijke stap kunnen zijn richting de industrialisatie van solid-state batterijen met lithiummetaalanodes. Als de technologische uitdagingen in keramische productie, interfaciale compatibiliteit en opschaling succesvol worden aangepakt, kan dit leiden tot batterijen met hogere energiedichtheid, betere veiligheid en een langere levensduur dan huidige technologie mogelijk maakt. Commerciële beschikbaarheid op grote schaal wordt, mede door dit soort samenwerkingen, realistischer naarmate de tweede helft van dit decennium nadert.
