Vi tager meget af teknologien omkring os for givet. For eksempel mikrocomputere til telefoner, der fungerer uden at lade op hele dagen. Men jeg vil have telefonen til at virke i 3-4 dage uden genopladning. Eller en elbil, der kan køre 1000 kilometer, lade op på få minutter ... og koste mindre end en bil med benzinmotor. Der har været meget snak om solid-state batterier gennem årene, men hvordan går det nu? Og hvor meget mere skal vi vente til solid state batterier ende inde i vores enheder?
Det seneste eksempel er Toyota, som annoncerede en solid-state batteribil under vinter-OL. De lithium-ion-batterier, vi bruger i dag, så gode som de er, har visse ulemper, som solid-state-batterier forsøger at løse.
Hvad har de tilfælles?
Begge typer bruger lithium til at producere elektricitet, og deres generelle struktur er ret ens. Kort sagt har de en anode (negativ elektrode), en katode (positiv elektrode) og en elektrolyt.
Deres hovedforskel ligger i elektrolyttens tilstand, som hjælper med at overføre ioner fra katoden til anoden under opladning og omvendt under afladning. Med andre ord regulerer elektrolytten strømmen af elektrisk strøm mellem de negative og positive sider af batteriet. Mens lithium-ion-batterier bruger flydende elektrolytter, bruger solid-state-batterier, som deres navn antyder, tynde lag af fast elektrolyt.
Hvorfor er dette vigtigt?
Faste elektrolytter har en række væsentlige fordele:
- Sikkerhed: ssure elektrolytter flygtige og let antændes ved høje temperaturer. I modsætning til dem er faste elektrolytter mere stabile og reducerer risikoen for brand eller eksplosion.
- Højere energitæthed og hurtigere opladningstid: søget stabilitet betyder, at solid-state-batterier kan lagre 50 % mere energi end deres lithium-ion-modstykker, mens de forventes at nå 80 % opladning inden for 12 minutter.
Til venstre ser vi strukturen af et lithium-ion batteri, og til højre ser vi strukturen af et solid-state batteri.
3. Lettere vægt og størrelse: Mens væsken inde i lithium-ion-batterier gør dem tungere, giver den kompakte struktur af solid-state-batterier mulighed for højere energitæthed pr. arealenhed, hvilket betyder, at der er behov for færre batterier.
Vil solid-state-batterier erstatte lithium-ion-batterier?
I teorien, ja, eller det er i hvert fald der, tingene er på vej hen. Faktisk investerer mange bilproducenter allerede i denne teknologi, herunder Volkswagen, Toyota, Ford og BMW. Men i praksis produceres celler af solid state-batterier en efter en i laboratorier, og for at bringe dem til masseproduktion - en dyr og stadig utilstrækkeligt udviklet opgave.
Det er vanskeligt at udvikle en fast elektrolyt, der ville være både stabil, kemisk inert og en god leder af ioner mellem elektroderne. Derudover er elektrolytter for dyre at fremstille og er tilbøjelige til at revne på grund af deres skørhed, når de udvides og komprimeres under brug. Men måske efterhånden som lithium-ion-batterier gradvist bliver mere overkommelige, vil det ske.
Hvilke undersøgelser er der allerede lavet?
I de senere år er der gennemført mange interessante undersøgelser, som havde til formål at løse dette problem. MIT-forskere har udviklet såkaldte blandede ion-elektron-ledere (MIEC'er) samt elektroniske og lithium-ion-isolatorer (ELI'er). Det er en tredimensionel cellulær arkitektur med MIEC-rør i nanoskala. Rørene er fyldt med lithium, som danner anoden. En vigtig del af denne opdagelse er, at den cellulære struktur giver plads til lithium at udvide og trække sig sammen under opladning og afladning. Denne "ånding" af batteriet forhindrer revner. Belægningen af ELI-rør fungerer som en barriere, der beskytter dem mod fast elektrolyt. Dette er strukturen af et solid-state batteri, som sparer os fra behovet for at tilføje enhver væske eller gel, og derfor giver os mulighed for at undgå dendritter.
Et firma ringede Ionlagringssystemer udviklet en ultratynd keramisk elektrolyt på omkring 10 mikrometer tyk, omtrent samme tykkelse som moderne plastseparatorer, der bruger flydende elektrolytter. Hver side af den keramiske elektrolyt er belagt med et supertyndt lag af aluminiumoxid, der hjælper med at reducere modstanden. Batteriprototypen har en energikapacitet på omkring 300 Wh/kg og kan oplades på 5-10 minutter. Til sammenligning: moderne NCA-batterier når en energikapacitet på omkring 250 Wh/kg.
På udstillingen CES i år fremviste Mecedes konceptbilen AVTR, lavet af miljøvenlige materialer, som også har et fuldt genanvendeligt batteri. I et interview udtalte Mercedes Senior Battery Research Manager Andreas Hintennach, at batteriteknologien i øjeblikket er under laboratorietest og vil være klar om 10-15 år. CATL (Teslas kinesiske batteripartner) har også udviklet et prøve-solid-state batteri, men de rapporterede, at det ikke kommer på markedet før 2030.
Kontinuerlig produktion af solid-state batterier forventes vil blive rettet fra 2025, men i første omgang ikke i bilindustrien.
Læs også: