Semi-solid-state batterij: de tussenstap naar de accu van de toekomst
Stel je een spons voor die vol water zit, versus een spons die maar heel licht vochtig is maar toch nog net genoeg water bevat om goed te functioneren. Zoiets is het verschil tussen een gewone lithium-ion batterij en een semi-solid-state batterij. In een gangbare accu, zoals die in de meeste elektrische auto's en telefoons zit, stroomt de lading via een vloeibare elektrolyt: een geleidende vloeistof tussen de twee elektroden. Bij een semi-solid-state batterij is het grootste deel van die vloeistof vervangen door een vaste of gel-achtige stof, met slechts een klein restje vloeistof dat nog helpt om ionen soepel te laten bewegen.
Het woord 'semi' verraadt meteen dat dit een tussenvorm is. Onderzoekers en fabrikanten werken al jaren aan volledige solid-state batterijen, waarin geen druppel vloeistof meer zit en alles vast materiaal is, vergelijkbaar met een dichte blokkade in plaats van een spons. Die techniek belooft nog hogere energiedichtheid en veiligheid, maar is technisch en industrieel nog niet rijp voor grootschalige productie. Semi-solid-state batterijen zijn de praktische tussenstap: ze zijn al in auto's te vinden, terwijl de volledig vaste variant nog vooral in laboratoria en pilotfabrieken wordt ontwikkeld.
Wat is het precies?
In een klassieke lithium-ion batterij bewegen lithium-ionen tijdens het laden en ontladen door een vloeibare elektrolyt tussen de positieve en negatieve elektrode. Die vloeistof is meestal een organisch oplosmiddel met opgeloste lithiumzouten. Het werkt goed, maar de vloeistof is brandbaar en beperkt hoeveel energie je in een gegeven volume of gewicht kunt stoppen.
Bij een semi-solid-state batterij vervangen fabrikanten een groot deel van die vloeistof door een vaste of gelachtige elektrolyt. Dat kan een keramisch materiaal zijn, een polymeer-gel, of een combinatie daarvan, vaak verwerkt als coating op de separator (het dunne membraan dat de twee elektroden van elkaar scheidt zodat ze niet kortsluiten). Er blijft doorgaans nog een kleine hoeveelheid vloeistof aanwezig, meestal aangeduid als minder dan tien procent van het totale elektrolytvolume, om de ionengeleiding op peil te houden. Zonder die restvloeistof zou de weerstand in de cel te hoog oplopen voor praktisch gebruik.
Veel van deze batterijen combineren de nieuwe elektrolyt met een lithium-metaalanode of een siliciumrijke anode in plaats van de gangbare grafietanode. Dat verhoogt de energiedichtheid verder, maar brengt ook een bekend risico met zich mee: dendrietvorming. Dat zijn kleine, naaldachtige uitgroeisels van lithium die tijdens het laden kunnen ontstaan en die uiteindelijk door de separator heen kunnen prikken, met kortsluiting of zelfs brand als mogelijk gevolg. De vaste of gel-elektrolyt moet die dendrieten juist helpen tegenhouden, wat een van de redenen is waarom deze techniek als veiliger wordt gepresenteerd dan klassieke lithium-ion cellen.
Wat wil men ermee bereiken?
De belangrijkste drijfveer is energiedichtheid: hoeveel energie er in een bepaald gewicht of volume batterij past. Voor elektrische auto's betekent een hogere energiedichtheid een grotere actieradius zonder dat het voertuig zwaarder wordt, wat rechtstreeks inspeelt op wat in de sector 'range anxiety' heet, de vrees van bestuurders dat de accu leeg raakt voor de bestemming is bereikt.
Daarnaast speelt veiligheid een grote rol. Minder brandbare vloeistof in de cel betekent in theorie een lager risico op thermal runaway, het proces waarbij een beschadigde of oververhitte batterij zichzelf in een onomkeerbare, zichzelf versterkende reactie opwarmt tot er brand of een explosie ontstaat. Fabrikanten presenteren semi-solid-state technologie daarom vaak als een veiligere tussenstap.
Tot slot is er een strategisch motief: bedrijven willen ervaring opbouwen met vaste-stof-achtige elektrolyten en de bijbehorende productieprocessen, zodat ze goed gepositioneerd staan wanneer volledige solid-state batterijen ooit wel op grote schaal betaalbaar en betrouwbaar geproduceerd kunnen worden. Semi-solid-state is zo ook een leerschool en een manier om al inkomsten te genereren terwijl de duurdere, complexere technologie nog rijpt.
Voorbeelden uit de praktijk
Het Chinese automerk NIO kondigde in 2023 een 150 kWh-accupakket aan met semi-solid-state cellen, ontwikkeld samen met batterijleverancier WeLion New Energy Technology uit Beijing. Vanaf 2024 werd dit pakket geleverd als optie voor langeafstandsversies van modellen als de ET7 en ET5, met een door NIO geclaimde actieradius van ongeveer duizend kilometer op één lading. Die claim is gebaseerd op testomstandigheden van de fabrikant zelf; onafhankelijke verificatie onder normale rijomstandigheden is beperkt beschikbaar.
Ook IM Motors (ook bekend als Zhiji, een joint venture van SAIC en Alibaba) bracht in 2024 een model uit, de L6, met een semi-solid-state batterij van leverancier Qingtao Energy Development. Het bedrijf claimde eveneens een sterk verbeterde actieradius en snellere laadtijden ten opzichte van gangbare lithium-ion accu's.
Een vroeger voorbeeld komt van Ganfeng Lithium, een van de grootste lithiumverwerkers ter wereld, dat al rond 2018 semi-solid-state cellen leverde voor een beperkte proefvloot van de Dongfeng E70, een Chinese elektrische personenauto. Dit was een van de eerste keren dat de techniek buiten het laboratorium in een rijdend voertuig werd getest.
Ook Chinese merken als Chery hebben aangekondigd met semi-solid-state technologie te experimenteren voor toekomstige modellen, al zijn concrete productiedetails daarover nog schaars. Een grensgeval is de condensed matter battery van batterijgigant CATL, aangekondigd in 2023 voor gebruik in de luchtvaart. Deze techniek wordt door CATL zelf niet altijd expliciet 'semi-solid-state' genoemd, maar deelt kenmerken met de categorie, zoals een sterk gereduceerde hoeveelheid vloeibare elektrolyt.
Hoe ver is de techniek?
Semi-solid-state batterijen zitten inmiddels in productieauto's, vooral in China, wat de techniek verder heeft gebracht dan volledige solid-state batterijen, die grotendeels nog in de onderzoeks- en pilotfase zitten. Toch is het beeld genuanceerder dan de marketing soms doet vermoeden.
Ten eerste bestaat er geen strikt gestandaardiseerde definitie van wat precies 'semi-solid-state' mag heten. Verschillende fabrikanten hanteren uiteenlopende percentages resterende vloeistof, en sommige critici wijzen erop dat de term deels ook als marketingaanduiding wordt gebruikt om een product aantrekkelijker te positioneren tussen klassieke lithium-ion en de veelbelovende solid-state batterij in. In China wordt via brancheorganisaties, waaronder het onderzoeksinstituut CATARC, gewerkt aan meer eenduidige classificaties, maar een wereldwijd geaccepteerde standaard ontbreekt vooralsnog.
Ten tweede zijn productiekosten en schaalbaarheid nog een obstakel. De productieprocessen voor de vaste of gel-elektrolytlagen zijn preciezer en duurder dan bij klassieke lithium-ion cellen, wat de huidige toepassingen vooral in het duurdere segment van de automarkt houdt.
Ten derde ontbreekt het vaak aan onafhankelijk geverifieerde langetermijngegevens over levensduur en degradatie. Fabrikanten publiceren doorgaans hun eigen testresultaten over actieradius, laadsnelheid en aantal laadcycli, maar externe, herhaalbare validatie door onafhankelijke laboratoria is beperkt gepubliceerd. Dat maakt het lastig om claims over bijvoorbeeld duizend kilometer actieradius volledig op waarde te schatten onder alledaagse rijomstandigheden, temperatuurswisselingen en jarenlang gebruik.
Wie werken eraan?
China is momenteel de duidelijke koploper in de commerciële toepassing van semi-solid-state batterijen, met bedrijven als WeLion New Energy Technology, Qingtao Energy Development en Ganfeng Lithium als belangrijke celleveranciers, en autofabrikanten als NIO, IM Motors en Chery als afnemers en mede-ontwikkelaars. Batterijgigant CATL onderzoekt verwante technologie voor toepassingen met extreem hoge energiedichtheid, zoals de luchtvaart.
Ter vergelijking en context is het nuttig te weten wie zich vooral richten op de volledige solid-state batterij, de stap die na semi-solid-state wordt verwacht. Toyota in Japan investeert al jaren zwaar in deze technologie en heeft herhaaldelijk mijlpalen voor commercialisering naar achteren moeten bijstellen. Het Amerikaanse QuantumScape, gesteund door onder meer Volkswagen, ontwikkelt solid-state cellen met een keramische separator. Samsung SDI uit Zuid-Korea heeft een pilotlijn voor solid-state batterijen operationeel, en het Taiwanese ProLogium werkt aan een lithium-keramische variant, mede met steun van Europese partners. Deze bedrijven worden vaak in één adem genoemd met semi-solid-state ontwikkelingen omdat de onderliggende materiaalkennis overlapt, ook al ligt hun tijdlijn voor grootschalige productie doorgaans verder in de toekomst.