Innhold

• Spare plass
• Lengre levetid spenner over
• Typer faststoff-elektrolytter
• Tynne filmbatterier
• Større, bulkere batterier
• Svært ledende
• Pakk sammen

For et par uker siden introduserte Kris oss temaet solid-state-batterier og hvordan de kan være det neste store fremskritt innen batteriteknologi for smarttelefoner. Kort sagt, solid-state-batterier er tryggere, kan pakke i mer juice og kan brukes til enda tynnere enheter. Dessverre er de uoverkommelig dyre å legge inn i mellomstore smarttelefonceller akkurat nå, men det kan endre seg i løpet av de kommende årene.

Så hvis du har lurt på hva et faststoffbatteri er og hvordan det er annerledes enn dagens litium-ion-celler, kan du lese videre.

Den viktigste forskjellen mellom det ofte brukte litium-ion-batteriet og et faststoffbatteri er at førstnevnte bruker en flytende elektrolytisk løsning for å regulere strømmen av strøm, mens faststoff-batterier velger en solid elektrolytt. Batteriets elektrolytt er en ledende kjemisk blanding som tillater strøm av strøm mellom anoden og katoden.

Solid state-batterier fungerer fortsatt på samme måte som nåværende batterier gjør, men endringen i materialer endrer noen av batteriets attributter, inkludert maksimal lagringskapasitet, ladetider, størrelse og sikkerhet.

Strøm inne i et batteri passerer mellom anoden og katoden gjennom en ledende elektrolytt, mens separatorer brukes for å forhindre kortslutning.

Spare plass

Den umiddelbare fordelen med å bytte fra en væske til fast elektrolytt er at batteriets energitetthet kan øke. Dette skyldes at i stedet for å kreve store separatorer mellom væskecellene, krever faststoffbatterier bare veldig tynne barrierer for å forhindre kortslutning.

Solid-state-batterier kan pakke inn dobbelt så mye energi som Li-ion

Konvensjonelle væske-gjennomvåt batteriseparatorer kommer med en tykkelse på 20-30 mikron. Solid-state-teknologi kan redusere separatorene ned til 3-4 mikrometer hver, noe som er omtrent 7 ganger plassbesparende bare ved å bytte materiale.

Imidlertid er disse skillene ikke den eneste komponenten inne i batteriet, og andre biter kan ikke krympe like mye, noe som setter en begrensning på plassbesparende potensialet i solid-state-batterier.

Likevel kan solid-state-batterier pakke inn opptil dobbelt så mye energi som Li-ion, når du også bytter ut anoden med et mindre alternativ.

Lengre levetid spenner over

Elektrolytter i fast tilstand er vanligvis mindre reaktive enn dagens væske eller gel, så de kan forventes å vare mye lenger og trenger ikke å skiftes ut etter bare 2 eller 3 år. Dette betyr også at disse batteriene ikke vil eksplodere eller ta fyr hvis de er skadet eller lider av produksjonsfeil, noe som betyr tryggere produkter for forbrukerne.

Solid-state-batterier vil ikke eksplodere eller ta fyr hvis de er skadet eller lider av produksjonsfeil.

I nåværende smarttelefoner er utskiftbare batterier ofte etterspurt for de som ønsker å bruke den samme telefonen i mange år, ettersom de kan byttes ut når de begynner å gå i stykker.

Smarttelefonbatterier holder ofte ikke like godt etter et år og kan til og med føre til at maskinvare blir ustabilt, tilbakestiller eller til og med slutter å fungere etter flere års bruk. Med solid state-batterier kan smarttelefoner og andre dingser vare mye lenger uten å trenge en erstatningscelle.

Det er mange faste kjemiske forbindelser som kan brukes i batterier, ikke bare en.

Snakk om flytende kontra faste batterier er imidlertid en forenkling av emnet, ettersom det er mange faste kjemiske forbindelser som kan brukes i batterier, ikke bare en.

Typer faststoff-elektrolytter

Det er åtte forskjellige hovedkategorier av faststoffbatterier, som hver bruker forskjellige materialer til elektrolytten. Disse er Li-Halide, Perovskite, Li-Hydride, NASICON-lignende, Garnet, Argyrodite, LiPON og LISICON-lignende.

Ettersom vi fremdeles har å gjøre med en ny teknologi, kommer forskere fremdeles i kontakt med de beste typene faststoffelektrolytt som kan brukes til forskjellige produktkategorier. Ingen har kommet ut som klare ledere ennå, men sulfidbaserte, LiPON og Garnet-celler er for tiden sett på som de mest lovende.

Du vil sannsynligvis ha lagt merke til at mange av disse typene fremdeles er litium (Li) basert på noen måte, fordi de fortsatt bruker litiumelektroder. Men mange velger nye anode- og katodeelektrodematerialer for å forbedre ytelsen.

Tynne filmbatterier

Selv innen solidtypet batterityper er det to tydelige undertyper - tynn film og bulk. En av de mest vellykkede tynnfilmtyper som allerede er på markedet er LiPON, som flertallet av produsentene produserer med en litiumanode.

LiPON-elektrolytten har utmerket vekt, tykkelse og jevn fleksibilitet, noe som gjør den til en lovende celletype for bærbar elektronikk og dingser som krever små celler. LiPON, som går tilbake til gjenstanden med mer varige celler, har også vist en utmerket stabilitet med bare 5% kapasitetsreduksjon etter 40.000 ladesykluser.

LiPON-batterier kan vare alt fra 40 til 130 ganger lenger enn Li-ion-batterier før de må byttes ut.

Til sammenligning tilbyr litium-ion-batterier bare mellom 300 og 1000 sykluser før de viser et lignende eller større fall i kapasiteten. Dette betyr at LiPON-batterier kan vare alt fra 40 til 130 ganger lenger enn Li-ion-batterier før de må byttes ut.

LiPONs ulempe er at den totale energilagringskapasiteten og ledningsevnen er relativt dårlig til sammenligning. Imidlertid kan alternative solid-state batteriteknologier være nøkkelen til å bringe lengre batterilevetid til smartwatches, som for øyeblikket forhindrer en rekke kunder fra å plukke opp en bærbar.

Større, bulkere batterier

Så langt er solid state-batterier ennå ikke egnet for større celler som finnes i smarttelefoner og nettbrett, enn si bærbare datamaskiner eller elbiler. For større bulk-solid-state-batterier med større kapasitet kreves overlegen ledningsevne som kommer i nærheten av eller samsvarer med flytende elektrolytter, noe som utelukker ellers lovende teknologier som LiPON. Ionisk ledning måler ionenes evne til å bevege seg gjennom et materiale, og god ledning er et krav av større celler for å sikre den nødvendige strømmen.

LISICON og LiPS har forbikjørt forskning om LiPO-, LiS- og SiS-batterier, de tidligere lederne på solid state-feltet. Imidlertid lider disse typene av lavere konduktivitet enn organiske og flytende elektrolytter ved romtemperatur, noe som gjør dem upraktiske for kommersielle produkter.

Svært ledende

Det er her forskning på granat oksid (LLZO) elektrolytter kommer inn, ettersom den har en høy ionisk konduktivitet ved romtemperatur.

Materialet oppnår en ledning som bare kommer litt bak resultatene som tilbys av flytende litium-ion-celler, og nye studier på LGPS antyder at dette materialet til og med kan matche det.

Dette vil bety solid-state-batterier med omtrent like kraft og kapasitet som dagens Li-ion-celler, mens du ser fordeler som redusert størrelse og lengre levetid bli en realitet.

Granat er også stabilt i luft og vann, noe som gjør det egnet for Li-Air-batterier også. Dessverre må det fabrikeres ved bruk av en kostbar sintringsprosess.

Dette gjør det for øyeblikket til et lite attraktivt forslag å bruke i forbrukerbatterier sammenlignet med de lave kostnadene for litium-ion-celler. I fremtiden vil kostnadene sannsynligvis falle når produksjonsteknikker foredles, men vi er fremdeles et stykke unna et kommersielt levedyktig faststoffbatteri.

Pakk sammen

Det er klart det fortsatt er mye pågående forskning på solid-state batteriteknologi. Vi kommer ikke til å se modne celler gjøre vei inn i forbrukerprodukter som smarttelefoner i ytterligere 4 eller 5 år, i henhold til de tidligste spådommene. Faststoffbatterier på andre enheter (som droner) kan imidlertid vises så snart neste år.

Likevel produserer den siste forskningen endelig resultater som kan konkurrere med eksisterende li-ion-batterier når det gjelder attributter, samtidig som de gir fordelene med faststoffelektrolytter. Alt vi trenger er at produksjonsprosesser blir modne, og det er en rekke store og kommende batteriprodusenter som har ressurser til å gjøre dette til virkelighet.

Oppsummert er de viktigste fordelene med alle disse kjemiske forskjellene fra et forbrukerperspektiv: opptil 6 ganger raskere lading, opptil det dobbelte av energitettheten, en lengre sykluslevetid på opptil 10 år sammenlignet med 2, og ingen brennbare komponenter. Det vil absolutt være en velsignelse for smarttelefoner og andre bærbare dingser.