Varför är solid-state-batterier för elbilar bättre än deras motsvarigheter med litiumjon?

Vi tar mycket av tekniken omkring oss för givet. Till exempel mikrodatorer för telefoner som fungerar utan att ladda hela dagen. Men jag vill att telefonen ska fungera i 3-4 dagar utan att laddas. Eller en elbil som kan åka 1000 XNUMX kilometer, ladda på några minuter ... och som kostar mindre än en bil med bensinmotor. Det har pratats mycket om solid-state-batterier genom åren, men hur går det nu? Och hur mycket mer måste vi vänta tills solid state-batterier hamnar i våra enheter?

Det senaste exemplet är Toyota, som tillkännagav en solid-state batteribil under vinter-OS. De litiumjonbatterier vi använder idag, hur bra de än är, har vissa nackdelar som solid state-batterier försöker lösa.

Vad har de gemensamt?

Båda typerna använder litium för att producera elektricitet och deras allmänna struktur är ganska lika. Enkelt uttryckt har de en anod (negativ elektrod), en katod (positiv elektrod) och en elektrolyt.

Deras huvudsakliga skillnad ligger i elektrolytens tillstånd, vilket hjälper till att överföra joner från katoden till anoden under laddning och vice versa under urladdning. Med andra ord reglerar elektrolyten flödet av elektrisk ström mellan de negativa och positiva sidorna av batteriet. Medan litiumjonbatterier använder flytande elektrolyter, använder solid-state-batterier, som namnet antyder, tunna lager av fast elektrolyt.

Varför är detta viktigt?

Fasta elektrolyter har ett antal betydande fördelar:

1. Säkerhet: sidsura elektrolyter flyktig och lätt antändas vid höga temperaturer. Till skillnad från dem är fasta elektrolyter mer stabila och minskar risken för brand eller explosion.
2. Högre energi densitet och snabbare laddningstid: sidökad stabilitet innebär att solid-state-batterier kan lagra 50 % mer energi än sina motsvarigheter med litiumjon, medan de förväntas nå 80 % laddning inom 12 minuter.

Till vänster ser vi strukturen hos ett litiumjonbatteri, och till höger ser vi strukturen hos ett solid-state batteri.

3. Lättare vikt och storlek: Medan vätskan inuti litiumjonbatterier gör dem tyngre, tillåter den kompakta strukturen hos solid state-batterier högre energitäthet per ytenhet, vilket innebär att färre batterier behövs.

Kommer halvledarbatterier att ersätta litiumjonbatterier?

I teorin, ja, eller det är åtminstone dit saker är på väg. Faktum är att många biltillverkare redan investerar i denna teknik, inklusive Volkswagen, Toyota, Ford och BMW. Men i praktiken produceras celler av solid-state-batterier en efter en i laboratorier, och för att ta dem till massproduktion - en dyr och fortfarande otillräckligt utvecklad uppgift.

Det är svårt att utveckla en fast elektrolyt som skulle vara både stabil, kemiskt inert och en bra ledare av joner mellan elektroderna. Dessutom är elektrolyter för dyra att tillverka och är benägna att spricka på grund av deras sprödhet när de expanderas och komprimeras under användning. Men kanske i takt med att litiumjonbatterier gradvis blir billigare så kommer det att hända.

Vilka studier har redan gjorts?

Under senare år har många intressanta studier genomförts, som syftat till att lösa detta problem. MIT-forskare har utvecklat så kallade blandade jon-elektronledare (MIEC), samt elektroniska och litiumjonisolatorer (ELI). Det är en tredimensionell cellulär arkitektur med MIEC-rör i nanoskala. Rören är fyllda med litium, som bildar anoden. En viktig del av denna upptäckt är att den cellulära strukturen tillåter utrymme för litiumet att expandera och dra ihop sig under laddning och urladdning. Denna "andning" av batteriet förhindrar sprickor. Beläggningen av ELI-rör fungerar som en barriär som skyddar dem från fast elektrolyt. Detta är strukturen hos ett solid-state batteri, som räddar oss från behovet av att lägga till någon vätska eller gel, och därför tillåter oss att undvika dendriter.

Ett företag ringde Jonlagringssystem utvecklat en ultratunn keramisk elektrolyt ca 10 mikrometer tjock, ungefär samma tjocklek som moderna plastseparatorer som använder flytande elektrolyter. Varje sida av den keramiska elektrolyten är belagd med ett supertunt lager av aluminiumoxid som hjälper till att minska motståndet. Batteriprototypen har en energikapacitet på cirka 300 Wh/kg och kan laddas på 5-10 minuter. Som jämförelse: moderna NCA-batterier når en energikapacitet på cirka 250 Wh/kg.

På utställningen CES i år visade Mecedes upp konceptbilen AVTR, gjord av miljövänliga material, som också har ett helt återvinningsbart batteri. I en intervju uppgav Mercedes Senior Battery Research Manager Andreas Hintennach att batteritekniken för närvarande genomgår laboratorietester och kommer att vara klar om 10-15 år. CATL (Teslas kinesiska batteripartner) har också utvecklat ett prov på ett solid-state-batteri, men de rapporterade att det inte kommer ut på marknaden förrän 2030.

Kontinuerlig produktion av solid-state-batterier förväntas kommer att fixas från 2025, men till en början inte inom fordonsindustrin.

Läs också:

• Ett stort batteri och snabbladdning kan ännu inte samexistera
• En ny typ av snabbladdning har utvecklats: litiumbatterier kommer att laddas på 10 minuter