Veilig testen van vaste-stofbatterijen

De markt voor elektrische voertuigen floreert. Tegelijk worden er steeds nieuwe mogelijkheden gezocht om de actieradius te vergroten, laadtijden te verkorten, veiligheid te verbeteren en duurzaamheid te bevorderen. Vastestofbatterijen zouden in de toekomst conventionele, vloeistof-elektrolyt gebaseerde Li-ion batterijen kunnen vervangen. Tot die tijd moeten nog enkele uitdagingen worden overwonnen en veel tests worden uitgevoerd. Omdat er momenteel nog geen uniforme normen hiervoor bestaan, ontwikkelt weisstechnik op basis van haar jarenlange ervaring oplossingen voor compacte testkasten en testlaboratoria die alle komende eisen betrouwbaar zullen voldoen.

Ontwikkelingsrace is begonnen

De race om de beste oplossing voor vastestofbatterijen is al lang geopend. Afhankelijk van de fabrikant zouden eerste serieauto's tussen 2025 en 2030 op de markt komen. Tot nu toe heeft echter alleen het Franse bedrijf Blue Solutions een serieklare oplossing gepresenteerd, die onder andere in de Mercedes eCitaro wordt gebruikt. Als innovatiedrijvers profileren zich momenteel vooral bedrijven uit Japan, Zuid-Korea, China en de VS. Gezien de jarenlange ervaring in de automobielsector hebben Duitse bedrijven echter ideale voorwaarden om belangrijke bijdragen te leveren aan de doorbraak van vastestofbatterijen. Testtechniek van weisstechnik kan daarbij een belangrijke rol spelen.

Innovatieveld vastestofbatterijen

In tegenstelling tot conventionele Li-ion batterijen met vloeistof-elektrolyten werken vastestofbatterijen (Solid-State Batteries, SSB) met vaste elektrolyten. Momenteel worden verschillende klassen vaste elektrolyten onderzocht op hun prestaties in volledige SSB-cellen. De focus ligt vooral op oxide-, sulfid-, polymeer- en halogenide-gebaseerde vaste elektrolyten, evenals afgeleide hybride oplossingen. Bij alle ontwikkelingslijnen is het noodzakelijk om de batterijchemie opnieuw te ontwikkelen en alle componenten perfect op elkaar af te stemmen om de gewenste eigenschappen te bereiken. Daarbij kunnen bijvoorbeeld ook nieuwe anodenactieve materialen (anode active materials, AAM) zoals lithiummetaal en silicium worden gebruikt. Ook voor de kathodemateriaal (cathode active materials, CAM) worden verschillende mogelijkheden onderzocht.

Overtuigende voordelen haalbaar

De werkhypothese van talrijke onderzoeksprojecten is dat de optimale materiaalkombinatie in vastestofbatterijen aanzienlijke voordelen biedt ten opzichte van vloeistof-elektrolyt gebaseerde Li-ion batterijen en de wereld van e-mobiliteit duurzaam kan revolutioneren. Zo beloven vastestofbatterijen een veel hogere energiedichtheid en een tot 30% grotere actieradius bij gelijktijdig compactere constructie. Bovendien kan, afhankelijk van de celchemie, de laadtijd aanzienlijk worden verkort en het aantal laadcycli worden verhoogd tot meer dan 2.000. Eveneens afhankelijk van de celchemie is de geringe brandgevaar van vastestofbatterijen bij thermisch doorbranden door overbelasting of een ongeluk, omdat geen brandbare, vloeibare componenten kunnen uitlopen. Daarnaast kunnen ze veel duurzamer worden geproduceerd en hebben ze daarmee een aanzienlijk toekomstpotentieel. Het is echter noodzakelijk om de productie van de componenten en de celproductie schaalbaar te maken en de momenteel 7- tot 8-voudige hogere productiekosten terug te brengen tot een serietype niveau.

Ontwikkelingsdruk is enorm

Momenteel doen autofabrikanten, toeleveringsbedrijven, ontwikkelingslaboratoria en universiteiten onderzoek naar vastestofbatterijtechnologie. Hiervoor staan aanzienlijke subsidiegelden ter beschikking – alleen VW investeert via haar samenwerkingspartner QuantumScape in de komende jaren 300 miljoen euro. In Duitsland zijn onder andere het Fraunhofer-instituut en het KIT, het Forschungszentrum Jülich, de TU Braunschweig en het MEET in Münster actief op dit gebied. Een innovatiedrijver is het interdisciplinaire centrum voor materiaalkunde (ZfM) aan de Justus-Liebig-Universität Gießen. Met haar ongeveer 40-koppige team onderzoekt de internationaal erkende specialist Prof. Dr. Dr. h. c. Jürgen Janek hier de chemische en fysische fundamenten en uitdagingen van vastestofbatterijen. Daarnaast coördineert hij de activiteiten van het competentiecluster voor vaste-stofbatterijen (FestBatt), dat is ingebed in het overkoepelende concept 'Forschungsfabrik Batterie' van het Duitse ministerie van Onderwijs en Onderzoek (BMBF). "De marktverwachtingen zijn enorm, de druk om snelle oplossingen te leveren is groot. Daarom is het belangrijk om te werken met testtechniek die betrouwbare en precieze resultaten oplevert," legt Prof. Dr. Dr. h. c. Jürgen Janek uit, algemeen directeur van het ZfM en coördinator van het FestBatt-cluster.

Succesfactor testtechniek

Met deze ontwikkelingsdruk groeien ook de eisen aan de aanbieders van testtechniek. Want ook vastestofbatterijen moeten vóór de serieproductie talrijke tests ondergaan. Hoewel ervan uit mag worden gegaan dat ze vanwege hun materiaaleigenschappen over het algemeen minder problematisch zijn dan conventionele Li-ion batterijen, beschikken ze wel over een hogere energiedichtheid en een ander gevaarpotentieel, waarop de testtechniek op het gebied van veiligheidssystemen moet worden aangepast. Pas dan kunnen prestaties en veiligheid uitgebreid worden getest. Omdat er nog geen toepassingsnorm of fabrikantenspecificaties bestaan, rijst de vraag welke tests met welke eisen moeten worden uitgevoerd en welke testapparatuur dit betrouwbaar en veilig kan doen. Want ondanks het vermoedelijk lagere gevaarpotentieel kunnen bij tests van bijvoorbeeld sulfidgebaseerde vastestofbatterijen giftige en explosieve uitstoot van waterstofsulfide (H2S) optreden. Daarom moeten testinrichtingen zodanig worden ontworpen dat er geen gevaar ontstaat voor mensen, testapparatuur en het milieu.

Vereisten aan testtechniek

Naast het mogelijke gevaar door H2S-uitstoot moeten testinrichtingen ook rekening houden met de soms hogere bedrijfstemperatuur van vastestofbatterijen. Ongeacht de genoemde bijzonderheden wordt verwacht dat testinstallaties voor vastestofbatterijen vergelijkbare of gelijke eisen stellen aan tests en testomgevingen als conventionele Li-ion batterijen. En met de voortgang van de ontwikkelingen zullen de inhoud van normen geleidelijk worden verduidelijkt. Dit is belangrijk zodat iedereen die in dit dynamische veld werkt, een veilige en uniforme basis kan gebruiken en vergelijkbare testresultaten kan leveren.

Upgrades voor bestaande installaties

Veel bedrijven en instellingen beschikken al over testinstallaties voor conventionele Li-ion batterijen. Als deze van weisstechnik zijn, kunnen ze in de meeste gevallen probleemloos worden omgebouwd of uitgebreid voor tests met vastestofbatterijen. Bij een testkamer kan het bijvoorbeeld voldoende zijn om een H2S-meldsysteem met sensor en waarschuwingslamp te integreren, en indien nodig een extra ventilatieoplossing. Maar ook ClimeEvent-testkasten voor laboratoriumtoepassingen kunnen snel en eenvoudig worden aangepast aan de meeste eisen. Voor bedrijven zijn upgrades van bestaande testoplossingen duurzamer en sneller te realiseren. Dit geeft hun gebruikers een belangrijk concurrentievoordeel in de snel ontwikkelende omgeving waarin het gaat om zo snel mogelijk betrouwbare antwoorden te vinden en veilige oplossingen te presenteren.

Nieuwe testkasten en kamers

Naast talrijke gevestigde bedrijven en instellingen doen ook veel jonge bedrijven en start-ups onderzoek naar vastestofbatterijen. Deze beschikken vaak nog niet of slechts beperkt over eigen testinstallaties en zijn daarom afhankelijk van snel beschikbare en veilig inzetbare testkasten en testkamers. Ook hier kan weisstechnik eenvoudig helpen. Met de bestaande Hazard Level-bouwdoos kunnen de eisen aan testinrichtingen eenvoudig worden vastgesteld en na een risicoanalyse worden omgezet in gestandaardiseerde oplossingen of maatwerk. Het modulaire basisconcept van de testoplossingen van weisstechnik versnelt en vereenvoudigt daarbij de snelle ontwikkeling en levering.

Testtechniek blijft een zaak van vertrouwen

Competentie, ervaring en service zijn centrale criteria bij de keuze van een partner voor testoplossingen in de automotive sector. weisstechnik is een ervaren specialist voor veeleisende testoplossingen en actief op het gebied van Li-ion batterijen sinds meer dan 20 jaar. Met deze kennis biedt het bedrijf toekomstbestendige testoplossingen die snel inzetbaar zijn en ook op lange termijn rendabel blijven. Als innovatief leider in de branche ondersteunt weisstechnik bedrijven ook proactief en zeer flexibel met een landelijk dekkend servicenetwerk en op maat gemaakte servicecontracten. Dit verhoogt de operationele betrouwbaarheid en stelt bedrijven in staat zich te richten op hun ontwikkelingswerk.