Solid State batterier

solidstate

Man hör ofta talas om så kallade solid-state batterier som en framtida batterilösning för elbilar. Men vad är det för slags batterier egentligen?

Dagens litiumjon batterier består av två folier, oftast en kopparfolie belagd med grafit och kisel (anoden), och en aluminiumfolie belagd med litium-nickel-mangan-cobolt-oxid (katoden). Emellan dem finns det en isolerande tunn pappersblad indränkt i en flytande elektrolyt oftast bestående av en litiumsaltlösning. När man laddar batteriet lösgörs positivt laddade litiumjoner från katoden (litium-nickel-mangan-cobolt-oxiden) och via elektrolyten vandrar de över till anoden. Vid urladdning vandrar de sedan tillbaka till katoden igen. I och med att det är litiumjonernas vandring mellan polerna som gör att batteriet kan laddas och urladdas heter batteritypen litiumjonbatterier, trots att själva litiumet utgör endast 2% av batteriernas innehåll.

Solid-state batterier har bytt ut den flytande litiumsaltlösningen i elektrolyten mot litiumsulfat eller andra fasta material. Fördelen med att använda fasta elektrolyter är att de tål långt högre temperaturer än flytande. Uppemot 60-120 grader är inga problem, medan flytande elektrolyt skulle koka bort och så småningom även börja brinna i sådana temperaturer. Därmed kan man framställa batterier med högre energitäthet, som kan laddas snabbare och leverera mer effekt, i och med att man behöver inte bekymra sig om att batterierna överhettas lika mycket längre. Därmed blir batterierna även säkrare, risken för batteribrand minskar avsevärt. Låga temperaturer innebär däremot ofta ett problem, litiumjonbatterier med flytande elektrolyt tål låga temperaturer bättre.

Största problemet med solid-state batterier är dock att få ordentlig kontakt mellan elektrolyten och anoden och katoden. När elektrolyten är flytande flyter vätskan inte bara fram till anod- och katodmaterialen utan till och med tränger in i dem, som bilden ovan visar. Då är det lätt för litiumjonerna att komma i kontakt med elektrolyten och vandra mellan polerna. Med en fast elektrolyt är det mycket svårare att få ett tillräckligt tätt kontakt mot anoden och katoden så joner ska kunna vandra mellan dem. Inte ens mikrometerstora springor får finnas emellan materialen, joner kan inte hoppa över i luften. Materialen måste vara i kontakt med varandra till och med på mikroskopisk nivå. Och ju större kontaktyta desto bättre. Att få solida elektrolyten att tränga in i anoden och katoden som på bilden ovan är lätt att rita men mycket svårt att få till i verkligheten, speciellt i industriell stor skala. Batterier som framställts i laboratorier kan inte lätt skalas upp till massproduktion. Vissa menar till och med att högre produktionsvolymer inte resulterar i minskade kostnader för solid-state batterier, man får ingen economies-of-scale.

Som en lösning på problemet satsas det mycket på forskning på polymer-batterier (LiPo), där elektrolyten består av polymerer, plast. Polymerer är väldigt långa molekylkedjor av till exempel polyetylen-oxid som lättare kan tränga in i anod- och katodmaterialen och skapa bra kontakt med dem. I många batterier är polymererna geleaktiga, men det förekommer även batterier där de är i fast form.

Alla litiumjonbatterier kan råka ut för att de sväller vid höga laddnivåer. För ett solid-state batteri kan detta vara förödande då de mekaniska förändringarna kan medföra att fasta elektrolyten släpper från anod- och katodmaterialen. Därför brukar solid-state batterier kräva fastare hårdare metallhöljen som håller ihop batteriet bättre. LiPo polymerbatterier med elektrolyt i geleform kan tvärtom till och med klara sig helt utan metallhölje vilket är bra ur viktsynpunkt i till exempel drönare och flygplan.

Det är mycket forskning som pågår om olika batteriteknologier nu, med många spännande nya rön om olika material i både anod, katod och elektrolyt. Men det har ofta visat sig vara svårt att överföra laboratorieresultat till industriella processer som ska masstillverka batterier. Litiumjonbatterier lanserades för bara 26 år sedan och dagens batterier är närapå tio gånger så kraftfulla som de första var. Framtida lösningar med fasta eller polymer-elektrolyter lovar ännu säkrare batterier med högre energitäthet, effekt, och snabbare laddtider. Utvecklingen har i stort sett bara börjat!

 


TCS två år sedan: Problemet med semisnabbladdare

För två år sedan uppmärksammade vi problemet med att vissa kallar laddstolpar med hög maxeffekt för ”semisnabbladdare” – trots att de varken är semisnabba eller laddare.

Tagged . Bookmark the permalink.
  • Johannes Brorsson

    Om alla litiumjon-batterier kan råka ut för att det sväller, har det hänt i Teslor? Jag har inte läst något sådant ännu iaf.

    • http://teslaclubsweden.se Tibor Blomhäll

      Nej, det har inte hänt i nån Tesla mig veterligen. Eller någon annan modern elbil.
      Tesla har faktiskt ett patent på hur man minskar att batterier sväller, och deras tätt packade cylindriska batterier håller bra emot sånt rent mekaniskt. Med noga kontroll på laddförloppet och batteritemperaturen minskas risken ännu mer. Det är framför allt påsbatterier som inte har tjocka metallväggar som brukar råka ut för problemet. https://i2.wp.com/ebuddynews.com/wp-content/uploads/2017/06/Reasons-Behind-The-Smartphone-Battery-Is-Swollen-2.jpg

      • Johannes Brorsson

        Ja precis, jag har sett det i ett tiotal Dell-batterier på jobbet.

  • Mocke

    Intressant som nästan alltid.
    Det man är mest intresserad av vilken teknik håller bäst i kallare temperaturer. (vi är inte benådade med 40 graders helvetesgrader här uppe). kan man säga att de blir dubbelt så kraftfulla vart 10 år? (eller går utvecklingen snabbare? kostnaden sjunker ju som en sten. och man undrar när det går att köpa långfärdselbilar för 250 000?

    • http://wroom.com Franz

      Säg att du har en teknik som ger X% bättre prestanda enbart vid kallt väder och en annan som ger X% bättre prestanda förutsatt att det inte är för kallt. Den senare skulle troligen gynna majoriteten av ägarna samtidigt som det skulle finnas kapacitet kvar att värma batteriet till mer lämpliga temperaturer.

    • Storapa

      De senaste åren har både pris och energidensitet förbättrats, men de går inte nödvändigtvis hand i hand. Pris kan påverkas negativt av råvarubrist, ökad efterfrågan eller naturkatastrofer (som t.ex när hårddiskfabriker i Thailand förstördes och priset påverkades globalt).

      De senaste åren har energidensiteten förbättrats med 5-8% per år, men det kommer troligen inte fortsätta i den takten för alltid. Klipper in en intressant kommentar från internet:

      ”I’d like to point out that this trend is most likely not going to continue into the distant future. It is not feasible to get much more energy into a material than 1 eV per atom. Most solids have atomic weights of 30 GeV/c^2 [*] which yields E/m = 3×10^-11 c^2. When you convert this into the more human Watt-hour/kg, you get 850 W-hr/kg. We’re already at 200 W-hr/kg, which means that we can gain a factor of 4 before we hit this rough limit. With a growth rate of 5%, we hit this limit in 25 years and at 8% this is hit in 17 years. This is similar to the end of Moore’s law where the atomic size is limits the gain in speed that arose from miniaturizing integrated circuits.

      [*] Li-Ion batteries are composed of Li Co O2 with mass with a mass of 80 GeV/c^2.”