Hva er et solid-state batteri og vil de løse våre problemer med batterilevetiden?

Mobilteknologi øker kraftig eksponentielt, men batteriteknologi holder seg ikke opp. Vi nå de fysiske grensene for hva konvensjonelle litiumion- og litium-polymer-konstruksjoner kan gjøre. Løsningen kan være noe som kalles solid state-batteri.

Hva er et Solid State-batteri?

I en konvensjonell batteridesigns-oftest litiumion-to, anvendes to faste metallelektroder med et flytende litiumsalt som virker som en elektrolytt. Joniske partikler beveger seg fra en elektrode (katoden) til den andre (anoden) når batteriet lades, og i revers når det tømmes. Den flytende litiumsaltelektrolytten er mediet som tillater bevegelsen. Hvis du noen gang har sett et batteri korroderer eller blir punktert, er "batterisyren" som oser (eller noen ganger eksploderer) den flytende elektrolytten.

I et solid-state batteri er både de positive og negative elektrodene og elektrolytten mellom dem faste biter av metall, legering eller noe annet syntetisk materiale. Begrepet "solid state" kan minne deg om SSD-datastasjoner, og det er ikke en tilfeldighet. Solid State-lagringsstasjoner bruker flashminne, som ikke beveger seg, i motsetning til en vanlig harddisk, som lagrer data på en spinnende magnetisk plate drevet av en liten motor.

Selv om ideen om solid state-batterier har eksistert i flere tiår, er utviklingen i ferd med å begynne, for tiden ansporet av investeringer fra elektronikkvirksomheter, bilprodusenter og generelle industrielle leverandører.

Hva er bedre med solid-state batterier?

Solid State-batterier lover noen få forskjellige fordeler over sine væskefylte fetter: bedre batterilevetid, raskere ladetider og en tryggere opplevelse.

Solid state batterier komprimerer anoden, katoden og elektrolytten i tre flate lag i stedet for å suspendere elektrodene i en flytende elektrolytt. Det betyr at du kan gjøre dem mindre - eller i det minste flattere - mens du holder så mye energi som et større væskebasert batteri. Så, hvis du erstattet litium-ion eller litium-polymer batteri i telefonen eller bærbar PC med et solid-state batteri av samme størrelse, ville det bli mye lengre ladning. Alternativt kan du lage en enhet som holder samme lade mye mindre eller tynnere.

Solid-state batterier er også sikrere, siden det ikke er giftig, brannfarlig væske å spyle, og de gir ikke så mye varme som vanlige oppladbare batterier. Når de brukes på batterier som strømkrevende elektronikk eller til og med elektriske biler, kan de lade opp mye raskere, og også ioner kan bevege seg mye raskere fra katoden til anoden.

Ifølge den nyeste forskningen kan et solid-state-batteri overgå til vanlige oppladbare batterier med 500% eller mer når det gjelder kapasitet, og lade opp i en tiendedel av tiden.

Hva er ulemperne?

Fordi solid state-batterier er en fremvoksende teknologi, er de utrolig dyre å produsere. Så dyrt, faktisk, at de ikke er installert i noen større forbruker-grade elektronikk på tidspunktet for skriving. I 2012 anslått analytikere for University of Florida Software Analysis og Advanced Materials Processing avdelingen at et typisk mobiltelefonstort solid-state batteri ville koste rundt $ 15.000 til produksjon. En stor nok til å drive en elektrisk bil ville koste $ 100.000.

Å lage et solid-state-batteri som er stort nok til å drive telefonen koster tusenvis av dollar i dag.

En del av dette skyldes at stordriftsfordeler ikke er på plass - hundrevis av millioner oppladbare batterier blir laget hvert år akkurat nå, så produksjonsprisen på materialene og utstyret spres ut over store forsyningslinjer. Det er bare noen få bedrifter og universiteter som undersøker solid state-batterier, så kostnaden for å produsere hver enkelt er astronomisk.

Et annet problem er materialene. Selv om egenskapene til forskjellige metaller, legeringer og metalliske salter som brukes til konvensjonelle oppladbare batterier, er velkjente, vet vi ikke for tiden den beste kjemiske og atomiske sammensetningen for en fast elektrolytt mellom metallanoder og katoder. Nåværende forskning er innsnevring av dette, men vi må samle mer pålitelige data før vi kan samle eller syntetisere materialene og investere i produksjonsprosesser.

Når kommer jeg til å bruke et solid-state batteri?

Som med all ny teknologi, prøver du å finne ut når du får hendene på det, er det i beste fall gjetning.

Det er oppmuntrende at mange enorme selskaper investerer i den undersøkelsen som trengs for å bringe solid state-batterier inn i forbrukermarkedet, men sjenert av et stort gjennombrudd i nær fremtid, er det vanskelig å si om det vil være et stort sprang fremover. Minst en bilfirma sier at den vil være klar til å sette en i et kjøretøy innen 2023, men gjetter ikke hvor mye bilen kan koste. Fem år virker altfor optimistiske; Ti år virker mer sannsynlig. Det kan være tjue år eller mer før materialene løses og produksjonsprosessene utvikles.

Men som vi sa i begynnelsen av artikkelen, begynner konvensjonell batteriteknikk å ramme en vegg. Og det er ingenting som potensielt salg for å stimulere til forskning og utvikling. Det er i det minste mulig (veldig, veldig lite) mulig at du kanskje kan bruke en gadget eller kjøre bil drevet av et solid state-batteri snart.

Bildetekst: Sucharas Wongpeth / Shutterstock, Daniel Krason / Shutterstock