Hva er fleksible solid state-batterier?

En gruppe internasjonale forskere har utviklet en ny type solid-state batteri som kan øke rekkevidden til elektriske kjøretøy og forhindre brann i bærbare datamaskiner og smarttelefoner. Forfatterne beskriver funnene sine i Advanced Energy Materials. Ved å erstatte de flytende elektrolyttene som brukes i konvensjonelle oppladbare batterier med "solide", keramiske batterier kan de produsere mer effektive, langvarige batterier som også er tryggere å bruke. Forskere håper at disse fordelene kan bane vei for mer effektive, grønnere batterier for alle typer enheter, inkludert elbiler.

Forfatterne av studien, fra USA og Storbritannia, har i noen tid undersøkt alternativer til flytende elektrolytter i litiumion-batterier. I 2016 kunngjorde de utviklingen av et solid-state-batteri som kunne fungere med over dobbelt så høy spenning som konvensjonelle litiumionceller, men med lignende effektivitet.

Mens deres siste design representerer en betydelig forbedring i forhold til denne tidligere versjonen, bemerker forsker professor Donald Sadoway fra MIT at det fortsatt er rom for forbedring: "Å oppnå høy ionisk ledningsevne i keramiske materialer ved forhøyede temperaturer kan være vanskelig," forklarte han. "Dette var en gjennombruddsprestasjon." Forskerne håper at disse forbedrede batteriene etter testing vil vise seg å være egnet for elektriske kjøretøy eller til og med å drive fly.

I solid state-batterier forhindres skade på grunn av overoppheting ved å bruke keramiske elektrolytter i stedet for brennbare, flytende. Hvis batteriet er skadet og begynner å overopphetes, forkuller den keramiske elektrolytten i stedet for å antennes, noe som hindrer det i å ta fyr. Porene i strukturen til disse faste materialene gjør dem også i stand til å bære en mye høyere belastning av elektrisk ladning med ioner som beveger seg gjennom et utvidet nettverk i faststoffet.

Disse funksjonene betyr at forskere har vært i stand til å heve både spenningen og kapasitansen til batteriene deres sammenlignet med de som inneholder brennbare flytende elektrolytter. Faktisk sa professor Sadoway: "Vi demonstrerte en litium-luftcelle med 12 volt som opererer ved 90 grader C [194°F]. Det er høyere enn noen andre har oppnådd."

Denne nye batteridesignen har andre potensielle fordeler fremfor brennbare elektrolytter, inkludert det faktum at keramiske elektrolytter generelt er mer stabile enn organiske. "Det utrolige er hvor godt det fungerte," sa professor Sadoway. "Vi fikk mer energi ut av denne cellen enn vi la inn i den."

Denne stabiliteten kan tillate produsenter å pakke et stort antall solid-state celler inn i bærbare datamaskiner eller elektriske biler uten å måtte bekymre seg for at de overopphetes, noe som gjør enhetene mye tryggere og forlenger deres funksjonelle levetid. For øyeblikket, hvis slike batterier overopphetes, risikerer de å ta fyr – som nylig skjedde med Samsung Galaxy Note 7-telefonen. De resulterende flammene ville ikke være i stand til å spre seg fordi det ikke er luft inne i cellene for å opprettholde forbrenningen; de ville faktisk ikke være i stand til å spre seg utover stedet for den første skaden.

Disse solide materialene er også svært langvarige; i motsetning til dette tar noen forsøk på å lage litiumionbatterier med brennbare flytende elektrolytter, som opererer ved høyere temperaturer (over 100°C), rutinemessig brann etter 500 eller 600 sykluser. De keramiske elektrolyttene tåler mer enn 7500 lade-/utladningssykluser uten å ta fyr."

De nye funnene kan være enormt viktige både for å utvide rekkevidden av elbiler og for å forhindre brann i smarttelefoner. I følge Sadoway: "Eldre generasjoner batterier hadde blysyre [bil] startbatterier. De hadde kort rekkevidde, men de var utrolig pålitelige," sa han og la til at deres uforutsette svakhet var at "hvis det ble varmere enn ca. 60 °C da det ville ta fyr."

Dagens litiumionbatterier, forklarer han, er et steg opp fra dette. "De har lang rekkevidde, men de kan bli skadet av alvorlig overoppheting og ta fyr," sa han og la til at det nye solid-state-batteriet potensielt er et "fundamentalt gjennombrudd" fordi det kan føre til langt mer pålitelige, sikrere enheter.

Forskerne ved MIT tror det kan ta fem år før denne teknologien blir mye brukt, men allerede neste år håper de å se slike batterier montert i smarttelefoner fra store produsenter som Samsung eller Apple. De bemerket også at det er mange kommersielle bruksområder for disse cellene i tillegg til telefoner, inkludert bærbare datamaskiner og elektriske kjøretøy.

Professor Sadoway advarer imidlertid om at det fortsatt er et stykke igjen før teknologien er perfeksjonert. "Vi har en celle som ser veldig bra ut, men det er veldig tidlig ... Vi har ennå ikke laget celler med elektroder med stor skala med høy effekttetthet."

Sadoway tror at dette gjennombruddet vil bli bredt tatt i bruk umiddelbart fordi det har potensialet ikke bare til å gi drivstoff til elbiler med mye større rekkevidde, men også potensielt forhindre smarttelefonbranner. Kanskje mer overraskende er spådommen hans om at solid state-batterier kan bli universelt brukt på mindre enn fem år når de fleste produsenter er overbevist om deres sikkerhet og pålitelighet.