Donut Lab zegt de eerste volledige vastestofbatterij in productie te brengen die alle bekende trade-offs van de batterijtechnologie tot nu toe verleden tijd zou maken. Vermogen, laadsnelheid, slijtvastheid, veiligheid, duurzaamheid en betaalbaarheid: de Donut Solid State Battery zou op al deze punten top zijn. Dit zou een grote sprong vooruit zijn voor EV’s en andere vormen van elektrificatie.
Het Finse bedrijf Donut Lab maakte begin januari bekend dat het de eerste all-solid-state-batterij ter wereld in commerciële productie brengt. Dit is tamelijk sensationeel, omdat de ontwikkeling van een vastestofbatterij tot nu toe vast zat op serieuze technische problemen. Recent publiceerde het Zwitserse Paul Scherrer Institute een studie die een oplossing aanreikt voor twee kernproblemen van de vastestofbatterij: de vorming van lithiumdendrieten – naaldachtige structuren die kortsluiting veroorzaken – en de instabiliteit op het grensvlak tussen de lithium-metaalanode en de vaste elektrolyt.
We moeten dus aannemen dat Donut Lab in alle stilte de ontwikkelfase van zijn vastestofbatterij al succesvol heeft doorlopen en de sleutelproblemen opgelost. Al is niet duidelijk hoe. Gevraagd om toelichting laat de woordvoerder weten dat zij “de unieke combinatie van materialen en productieproces […] op dit moment nog niet bekendmaken.”
De Finnen presenteren hun Donut Solid State Battery onder het motto ‘No compromise’ en claimen dat de belangrijkste eigenschappen van hun batterij stuk voor stuk van topniveau zijn: de bekende trade-offs tussen vermogen, laadsnelheid, slijtvastheid, veiligheid, duurzaamheid en kosten zijn overwonnen. Om te beginnen is er de hoge energiedichtheid van 400 wattuur per kilogram (400 Wh/kg). De laadsnelheid bedraagt minder dan vijf minuten en afhankelijk van de uitvoering in ieder geval minder dan tien minuten. Er is geen noodzaak om opladen te beperken tot 80% ter voorkoming van versnelde slijtage. Deze eigenschappen gaan samen met een praktisch onbeperkte levensduur van 100.000 cycli van laden en ontladen. Voor de huidige lithium-ionbatterijen gelden 5.000 cycli als maximum. Hierbij hebben temperatuuromstandigheden nagenoeg geen effect op de prestaties van de Donut Battery. Een laboratoriumtest met extreme kou (-30 °C) en extreme hitte (100 °C) laat slechts 1 procent capaciteitsverlies zien.
Onbrandbaar
Ook op het vlak van veiligheid gooit de batterij van Donut hoge ogen: door de afwezigheid van brandbare vloeibare elektrolyten, thermische runaway-ketens en metalen dendrieten is sprake van onbrandbaarheid. Verder wordt een honderd procent ‘groene’ batterij geclaimd, waarmee wordt bedoeld dat er geen zeldzame en dure materialen (metalen) worden gebruikt, maar alleen overal ruim beschikbare materialen. Hiermee blijft de productie van de batterij ook gevrijwaard van geopolitieke invloeden. En mede hierdoor is de Donut Battery ook nog goedkoper dan lithium-ionbatterijen.
Is dit allemaal te mooi om waar te zijn? De brandende vraag is natuurlijk uit welke materialen anode, kathode en elektrolyt van de Donut Battery bestaan en hoe de architectuur eruitziet. En met welke innovatieve technieken zijn de kernproblemen opgelost? Onderzoekers en bedrijven wereldwijd zijn daar uiteraard erg benieuwd naar.
In-wheel motor
De batterij kan op maat in verschillende groottes, voltages en geometrieën worden geproduceerd en is daarmee breed toepasbaar, onder meer in voertuigen, drones, hijskranen, micro-elektronica en voor energie-opslag. Donut Lab speelt naast zijn vastestofbatterij een tweede troef uit: een elektrische in-wheel motor. Het Finse bedrijf presenteerde deze opzienbarende vinding een jaar geleden. De motor is geïntegreerd in het wiel en drijft het wiel direct aan, zonder aandrijfassen. Het is de eerste elektrische wielmotor ter wereld.
Donut Lab speelt naast zijn vastestofbatterij een tweede troef uit: een elektrische in-wheel motor.”
Een wielmotor zet de traditionele aandrijftechniek op zijn kop. Aandrijfassen en veel aandrijfcomponenten worden overbodig. De voordelen ten opzichte van een centraal motorblok zijn aanzienlijk: hogere energie-efficiëntie, gewichts- en ruimtebesparing en minder koelbehoefte (doordat er minder warmte vrijkomt). Deze voordelen kunnen zich vertalen in meer vermogen en groter bereik. Minder componenten betekent verder minder onderhoud en minder kosten.
Toepassingen wielmotor en vastestofbatterij
Al zo’n tweehonderd fabrikanten zijn bezig met de ontwikkeling van nieuwe eindproducten op basis van de wielmotor, stelt het bedrijf. Donut Lab produceert de wielmotor in een aantal standaardafmetingen: 5, 12, 17 en 21 inch. Maatwerk is ook mogelijk. De 5-inch-uitvoering is met name geschikt voor drones. De 12-inch wordt onder meer gebruikt als motor in een robotbestuurde hijskraantakel van het bedrijf RoboRigger en in een off-road caravan van het Australische merk Brüder.
Het Amerikaanse Verge Motorcycles heeft een eerste motorfiets met 17-inch Donut Motor op de markt gebracht. In combinatie met de Donut Battery krijgt motortype Verge TS Pro met een batterijpakket van 20,2 kWh een bereik van 350 km, bij een vermogen van 102 kW en een koppel van 1.000 Nm. (Koppel (torque) is een complex begrip uit de motortechniek dat je versimpeld kunt vertalen als draaikracht. Bij vrachtwagentrucks is het koppel een maat voor de trekkracht, bij motoren is het een indicatie voor acceleratie.) Verge Motorcycles heeft meteen al een variant met een batterijpakket van 33,3 kWh aangekondigd die een bereik heeft van 600 km heeft.
Verder werkt het Finse bedrijf samen met WATT Electric Vehicles aan een ultralicht, modulair elektrisch voertuig. Op basis van een aluminium skateboard-architectuur en volledig geïntegreerde wielmotoren, omvormers, software en batterij zijn verschillende voertuiguitvoeringen mogelijk.
Slimme trailer
Als een joint venture tussen Ahola Group en Donut Lab richt Cova Power zich op slimme vrachtwagentrailers die eigen aandrijving hebben, naast die van de truck. De Cova Smart Trailer is uitgerust met zes wielmotoren, accu’s en besturingssoftware van Donut Lab. De Smart Trailer bespaart 54% op diesel en 30% op het totale energieverbruik van de vrachtwagencombinatie. Uiteraard wordt de energieprestatie nog beter met een EV-truck, al wordt die mogelijkheid door Donut Lab en Cova Power zelf niet genoemd.
Vanwege de veiligheid, betrouwbaarheid en robuustheid is de Donut Battery ook interessant voor defensietoepassingen. In samenwerking met ESOX Group worden de batterij en de wielmotor van Donut Lab gebruikt in een vierwielige tactische buggy en een droneprogramma. Het bedrijf studeert op de toepassing in een hypercar en acht zelfs het gebruik voor helikopters mogelijk.
Platform
Donut Lab benadrukt dat het zijn motor- en batterijtechnologie inclusief regelsoftware als platform aanbiedt aan OEM-fabrikanten om samen te werken aan nieuwe toepassingen. De grote ontwerpvrijheid nodigt uit tot integratie in tal van producten. Hierbij kan gebruik worden gemaakt van een zelf ontwikkeld digitaal ontwerpprogramma.
Is de Donut Solid State Battery – eventueel in combinatie met de wielmotor van het bedrijf – de EV-revolutie waar naar wordt uitgekeken? Enige voorzichtigheid is op zijn plaats omdat nog niets bekend is over de samenstelling en technologie van deze vastestofbatterij met zijn sensationele eigenschappen. Het echte bewijs wordt geleverd als voertuigen en andere producten die ermee zijn uitgerust een tijdje in gebruik zijn. Elektrische motorfietsen van Verge Motorcycles rijden er al mee rond. Donut Lab wekt hoge verwachtingen.
