Laserprocessen en solid-state batterijen
Van laboratorium naar productie
Vastestofbatterijen beloven meer veiligheid, een hogere energiedichtheid en nieuwe ontwerpvrijheid voor de cel. De weg van laboratoriumcel naar industriële productie is echter een uitdaging. Laserprocessen kunnen belangrijke obstakels overwinnen en een doorbraak mogelijk maken.
Lithium-ionbatterijen zijn de standaard voor de opslag van elektrische energie. Van consumentenelektronica en elektrische mobiliteit tot stationaire opslagsystemen, overal vinden we tegenwoordig dit type accu in terug.
De afgelopen jaren heeft de technologie opmerkelijke ontwikkelingen doorgemaakt, maar bereikt zo langzamerhand haar fysieke grenzen. De energiedichtheid neemt slechts langzaam toe, de veiligheid blijft beperkt door vloeibare elektrolyten en de afhankelijkheid van kritieke grondstoffen zoals nikkel, mangaan of kobalt is nog niet opgelost. Vastestofbatterijen worden daarom beschouwd als de volgende generatie elektrochemische energieopslagsystemen. Ze beloven een hogere energiedichtheid dankzij lithiummetaalanodes, een grotere veiligheid en een breder temperatuurbereik dankzij vaste elektrolyten, evenals nieuwe ontwerpmogelijkheden voor de batterijcel.
Toch hebben ze de industriële volwassenheid nog niet bereikt. Materialen zoals lithiummetaal en sulfidehoudende elektrolyten vereisen nieuwe processtrategieën, en de productie vereist investeringen in gespecialiseerde droge ruimtes of inerte gasomgevingen. Lasertechnologie kan een doorslaggevende bijdrage leveren, bijvoorbeeld door selectief sinteren van vaste elektrolyten, gerichte structurering van interfaces en contactloos snijden van kneedbare metalen. Het zou daarom een sleuteltechnologie kunnen blijken te zijn op de weg van laboratoriumcel naar industriële solid-state batterij.
De overgang van solid-state batterijen van het laboratorium naar de industriële productie vereist niet alleen nieuwe materialen, maar vooral robuuste processen. De productie van lithium-ioncellen biedt een waardevol referentiepunt. Veel processtappen, van de productie van elektroden en de assemblage van de cel tot de afwerking, zijn in principe vergelijkbaar, hoewel de eisen voor solid-state cellen aanzienlijk hoger liggen.
Al veel toegepast
Lasertechnologieën zijn al goed ingeburgerd in de lithium-ionproductie. Ze worden gebruikt bij lasersnijden, oftewel het nauwkeurig in de lengte doorsnijden van elektrodefolies, bij laserdrogen om oplosmiddelen snel en energiezuinig te verwijderen, en bij het laserkerven van stroomcollectoren. Veel van deze ervaring kan men overdragen naar solid-state cellen. De eisen aan precisie, zuiverheid en materiaalstabiliteit nemen echter aanzienlijk toe: zelfs de kleinste deeltjes, defecten of chemische veranderingen kunnen de werking van de cellen belemmeren.
Daarom worden laserprocessen steeds belangrijker. De contactloze, selectieve techniek maakt uiterst nauwkeurige bewerkingen mogelijk die kunnen worden geïntegreerd in beschermde omgevingen zoals droogkamers. Dit maakt de laser tot een instrument dat kan worden gebruikt om aan materiaaleisen te voldoen en rekening te houden met strenge omgevingsomstandigheden.
Op deze manier kunnen de in het laboratorium ontwikkelde procesketens worden overgezet naar een industriële productie. Waar hoge afvalpercentages en lange opstarttijden vandaag de dag nog steeds de boventoon voeren, kunnen lasergebaseerde processen een doorslaggevende bijdrage leveren aan de schaalbaarheid en kosteneffectiviteit van solid-state batterijen.
Desondanks zullen solid-state batterijen de gevestigde lithium-ioncellen niet snel vervangen, ook al bieden ze nieuwe perspectieven voor toepassingen die de hoogste eisen stellen aan veiligheid en energiedichtheid. Denk bijvoorbeeld aan de lucht- en ruimtevaart, medische technologie, krachtige voertuigen of noodstroomvoorzieningen voor datacenters en ziekenhuizen, waar de voordelen van vaste elektrolyten de extra kosten rechtvaardigen. Op de middellange tot lange termijn zouden dalende productiekosten bovendien de weg kunnen vrijmaken voor de toegang tot bredere markten.
Dit biedt een bijzondere kans voor Europa. Hoewel de massamarkt voor lithium-ioncellen sterk gedomineerd wordt door Aziatische fabrikanten, bestaat er nog geen gevestigd industrieel monopolie op het gebied van solid-state technologie. Bedrijven en onderzoeksinstellingen kunnen zich vroegtijdig positioneren, meewerken aan de ontwikkeling van standaarden en nieuwe waardeketens opbouwen.
Veiliger
“Het belangrijkste voordeel van solid-state batterijen ligt in hun intrinsieke veiligheid”, legt natuurkundige Stoyan Stoyanov van de snijafdeling van het Fraunhofer Instituut voor Lasertechnologie ILT uit. “Omdat ze geen vloeibare elektrolyten gebruiken, is er geen risico op lekkage of door warmte veroorzaakte branden. Bovendien remt de hoge mechanische stabiliteit van veel vaste elektrolyten de vorming van lithiumdendrieten, die de belangrijkste oorzaak zijn van interne kortsluitingen in conventionele batterijen.”
Naast veiligheid is een hogere energiedichtheid de belangrijkste drijfveer. Lithiummetaalanodes met een specifieke capaciteit van 3860 mAh/g presteren aanzienlijk beter dan grafietanodes. In combinatie met dunne, vaste elektrolyten biedt dit voordelen op het gebied van actieradius en gewicht, een doorslaggevende factor voor elektromobiliteit en de luchtvaart.
Batterijbeheer en sensorintegratie
Bij dit alles hangt de veiligheid, de levensduur en de prestaties van batterijen grotendeels af van het batterijbeheer. Sensorintegratie en het gebruik van AI bieden baanbrekende mogelijkheden om aan deze eisen te voldoen. Onderzoekers van Fraunhofer ILT printen sensoren van slechts enkele micrometers dik rechtstreeks op componenten. Deze slimme sensoren maken continue monitoring mogelijk van bijvoorbeeld temperaturen en krachten, of zelfs chemische veranderingen in de batterijen. Door AI ondersteunde algoritmen analyseren de grote hoeveelheden data in realtime en doen voorspellingen over de levensduur van de cellen.
