Onderzoekers van het Paul Scherrer Institute (PSI) nemen een belangrijke hobbel weg richting commercieel haalbare lithium-metaal solid-state batterijen door twee hardnekkige problemen tegelijk op te lossen.
All-solid-state batterijen gelden al jaren als de ‘heilige graal’ van energieopslag. Ze beloven een hogere energiedichtheid, sneller laden en een veel betere veiligheid dan huidige lithium-ionbatterijen met vloeibare elektrolyten. Toch blijft grootschalige toepassing uit, vooral door twee technische obstakels: de vorming van lithiumdendrieten – naaldachtige structuren die kortsluiting veroorzaken – en de instabiliteit op het grensvlak tussen de lithium-metaalanode en de vaste elektrolyt.
Volgens de studie, gepubliceerd in Advanced Sciences, heeft een onderzoeksteam van PSI nu een fabricageproces ontwikkeld dat deze problemen gelijktijdig adresseert. Daarmee komt commerciële toepassing van solid-state batterijen een flinke stap dichterbij.
Ideaal op papier, lastig in de praktijk
Centraal in het onderzoek staat een zogenoemde argyrodiet-elektrolyt, Li₆PS₅Cl. Dit sulfide-materiaal staat bekend om zijn uitzonderlijk hoge lithium-iongeleiding, een cruciale eigenschap voor krachtige accu’s. In theorie is het daarmee een ideaal elektrolytmateriaal, maar in de praktijk blijkt verwerking lastig.
Om een vaste elektrolyt geschikt te maken voor batterijen, moet deze extreem dicht zijn. Poriën en onregelmatigheden vormen namelijk ideale routes voor dendrietgroei. Tot nu toe vereiste dat óf zeer hoge mechanische druk bij kamertemperatuur, óf sinteren bij temperaturen boven de 400 °C. Beide methoden brengen nadelen met zich mee, zoals materiaaldegradatie, ongewenste korrelgroei en hoge energiekosten.
Alternatieve benadering lost probleem op
Het PSI-team koos voor een andere benadering. Met een zogeheten gentle sintering-proces wordt de elektrolyt onder gematigde druk gecomprimeerd bij slechts 80 °C. Die combinatie blijkt precies genoeg om de deeltjes stevig te laten versmelten zonder de chemische stabiliteit van het materiaal aan te tasten.
Het resultaat is een zeer dichte, uniforme microstructuur die lithium-ionen snel laat passeren, maar tegelijkertijd veel beter bestand is tegen dendrietpenetratie. Daarmee wordt een van de grootste zwakke punten van solid-state batterijen aanzienlijk verkleind.
Ultradunne beschermlaag tegen dendrieten
Alleen een goede elektrolyt is echter niet voldoende. Het grensvlak met de lithium-metaalanode blijft een gevoelig punt, zeker bij snel laden of hoge spanningen. Om ook dit probleem te tackelen, brachten de onderzoekers een ultradunne laag lithiumfluoride aan op het lithiumoppervlak.
Deze laag, slechts 65 nanometer dik en aangebracht via vacuümverdamping, fungeert als chemische buffer én fysieke barrière. Ze voorkomt ongewenste reacties tussen anode en elektrolyt en remt de groei van dendrieten af, zonder de iongeleiding significant te hinderen.
Resultaten tonen opvallend lange levensduur
In laboratoriumtests met zogeheten button cells presteerden de batterijen opvallend goed, zelfs onder omstandigheden die normaal gesproken snelle degradatie veroorzaken. Bij hoge bedrijfsspanningen – cruciaal voor een hoge energiedichtheid – bleef de cel stabiel functioneren.
Na 1.500 volledige laad- en ontlaadcycli was nog circa 75 procent van de oorspronkelijke capaciteit beschikbaar. Dat is een uitzonderlijk resultaat voor lithium-metaal solid-state systemen en plaatst het werk van PSI bij de beste resultaten die tot nu toe zijn gerapporteerd.
Enorm relevant
De timing van de Zwitserse doorbraak is opvallend. Recent meldde batterijontwikkelaar WeLion nog dat ze solid-state batterijcellen hebben getest met een energiedichtheid van maar liefst 824 wattuur per kilogram. Samen onderstrepen deze ontwikkelingen dat de sector snel dichter bij praktische toepassingen komt.
Voor elektrische voertuigen betekent dit potentieel een grotere actieradius, kortere laadtijden en minder veiligheidsrisico’s. Ook voor stationaire energieopslag, bijvoorbeeld voor netbalancering, zijn solid-state batterijen aantrekkelijk vanwege hun lange levensduur en intrinsieke veiligheid.
Lagere kosten en betere schaalbaarheid
Naast prestatieverbeteringen biedt het PSI-proces ook economische voordelen. De lage procestemperatuur verlaagt het energieverbruik tijdens productie en vermindert de noodzaak voor dure hittebestendige apparatuur. Dat maakt de methode beter schaalbaar dan veel eerdere benaderingen.
Volgens de onderzoekers zijn slechts beperkte optimalisaties nodig om de technologie geschikt te maken voor industriële productie. Argyrodites, ooit vooral een academisch onderzoeksobject, lijken daarmee klaar om een sleutelrol te spelen in de volgende generatie accu’s.
Voorzichtig optimisme
Hoewel commerciële solid-state batterijen nog niet morgen in de showroom liggen, laat dit onderzoek zien dat meerdere fundamentele problemen tegelijk oplosbaar zijn. Door materiaalwetenschap, procestechnologie en interface-engineering slim te combineren, zet PSI een belangrijke stap richting robuuste, schaalbare lithium-metaalaccu’s.
Voor een technologie die al jaren ‘veelbelovend’ wordt genoemd, voelt dit als een doorbraak die dat label eindelijk begint waar te maken.
