Innehåll

• Utrymmes sparande
• Längre livslängd
• Typer av fasta tillstånd elektrolyter
• Tunna filmbatterier
• Större, bulkare batterier
• Mycket ledande
• Sammanfatta

För ett par veckor sedan introducerade Kris oss ämnet solid-state-batterier och hur de kan vara nästa stora framsteg inom smartphonebatterietekniken. Kort sagt, solid-state-batterier är säkrare, kan packa i mer juice och kan användas för ännu tunnare enheter. Tyvärr är de oöverkomligt dyra att lägga in medelstora smartphone-celler just nu, men det kan komma att förändras under de kommande åren.

Så om du har undrat vad exakt ett fast tillståndsbatteri är och hur det skiljer sig från dagens litiumjonceller, läs vidare.

Den viktigaste skillnaden mellan det vanligt använda litiumjonbatteriet och ett fast tillståndsbatteri är att den förra använder en flytande elektrolytisk lösning för att reglera strömmen, medan fast tillståndsbatterier väljer en fast elektrolyt. Batteriets elektrolyt är en ledande kemisk blandning som möjliggör strömflödet mellan anoden och katoden.

Solid state-batterier fungerar fortfarande på samma sätt som nuvarande batterier, men förändringen i material förändrar vissa av batteriets egenskaper, inklusive maximal lagringskapacitet, laddningstider, storlek och säkerhet.

Ström inuti ett batteri passerar mellan anoden och katoden genom en ledande elektrolyt, medan separatorer används för att förhindra en kortslutning.

Utrymmes sparande

Den omedelbara fördelen med att växla från en flytande till fast elektrolyt är att batteriets energitäthet kan öka. Detta beror på att istället för att kräva stora separatorer mellan vätskecellerna kräver fast tillståndsbatterier bara mycket tunna barriärer för att förhindra kortslutning.

Solid-state-batterier kan packa in dubbelt så mycket energi som Li-ion

Konventionella vätskedränkta batteriseparatorer har 20-30 mikron tjocklek. Solid-state-teknik kan minska separatorerna ner till 3-4 mikrometer vardera, en ungefär 7-faldig utrymmesbesparing bara genom att byta material.

Dessa separatorer är emellertid inte den enda komponenten inuti batteriet och andra bitar kan inte krympa lika mycket, vilket sätter en begränsning av utrymmesbesparande potential för batterier i fast tillstånd.

Icke desto mindre kan solid-state-batterier packa upp upp till dubbelt så mycket energi som Li-ion, när du också byter ut anoden med ett mindre alternativ.

Längre livslängd

Elektrolytter i fast tillstånd är vanligtvis mindre reaktiva än dagens vätska eller gel, så de kan förväntas hålla mycket längre och behöver inte bytas ut efter bara två eller tre år. Det betyder också att dessa batterier inte exploderar eller tänds om de är skadade eller lider av tillverkningsfel, vilket innebär säkrare produkter för konsumenterna.

Solid-state-batterier kommer inte att explodera eller ta eld om de är skadade eller har tillverkningsfel.

I nuvarande smartphones är utbytbara batterier ofta eftertraktade för dem som vill använda samma telefon under många år, eftersom de kan bytas ut när de börjar gå sönder.

Smarttelefonbatterier håller ofta inte på sin laddning efter ett år eller så och kan till och med göra att hårdvara blir instabil, återställer eller till och med slutar fungera efter flera års användning. Med solid-state-batterier kan smartphones och andra prylar hålla mycket längre utan att behöva ersätta en cell.

Det finns gott om fasta kemiska föreningar som kan användas i batterier, inte bara en.

Att tala om flytande kontra fasta batterier är dock en överförenkling av ämnet, eftersom det finns gott om fasta kemiska föreningar som kan användas i batterier, inte bara en.

Typer av fasta tillstånd elektrolyter

Det finns åtta olika huvudkategorier med fast tillståndsbatterier, som vardera använder olika material för elektrolyten. Dessa är Li-Halide, Perovskite, Li-Hydride, NASICON-liknande, Garnet, Argyrodite, LiPON och LISICON-liknande.

Eftersom vi fortfarande arbetar med en ny teknik kommer forskare fortfarande att ta itu med de bästa typerna av fast tillståndselektrolyt att använda för olika produktkategorier. Ingen har kommit ut som tydliga ledare ännu, men sulfidbaserade, LiPON och Garnet-celler ses för närvarande som de mest lovande.

Du kommer antagligen ha märkt att många av dessa typer fortfarande är litiumbaserade (Li) baserade i vissa avseenden, eftersom de fortfarande använder litiumelektroder. Men många väljer nya anod- och katodelektrodmaterial för att förbättra prestandan.

Tunna filmbatterier

Även inom batterityper i fast tillstånd finns det två tydliga undertyper - tunn film och bulk. En av de mest framgångsrika tunnfilmstyperna som redan finns på marknaden är LiPON, som majoriteten av tillverkarna tillverkar med en litiumanod.

LiPON-elektrolyten erbjuder utmärkta egenskaper för vikt, tjocklek och till och med flexibilitet, vilket gör den till en lovande celltyp för bärbar elektronik och prylar som kräver små celler. Genom att återgå till ämnet med längre celler har LiPON också visat utmärkt stabilitet med endast 5% kapacitetsminskning efter 40 000 laddningscykler.

LiPON-batterier kan hålla var som helst från 40 till 130 gånger längre än Li-ion-batterier innan de behöver bytas ut.

Som jämförelse erbjuder litiumjonbatterier bara mellan 300 och 1000 cykler innan de visar en liknande eller större kapacitetsnedgång. Detta innebär att LiPON-batterier kan vara var som helst från 40 till 130 gånger längre än Li-ion-batterier innan de behöver bytas ut.

LiPONs nackdel är att dess totala energilagringskapacitet och konduktivitet är ganska dålig i jämförelse. Alternativa batteriteknologier i fast tillstånd kan dock vara nyckeln till att få längre batteritid till smartwatches, vilket för närvarande avskräcker ett antal kunder från att plocka upp en bärbar.

Större, bulkare batterier

Hittills är fastbatterier ännu inte lämpliga för större celler som finns i smartphones och surfplattor, än mindre bärbara datorer eller elbilar. För större bulkfasta batterier med större kapacitet krävs överlägsen konduktivitet som kommer nära eller matchar flytande elektrolyter, vilket utesluter annat lovande tekniker som LiPON. Ionisk ledning mäter jons förmåga att röra sig genom ett material, och god ledning är ett krav hos större celler för att säkerställa den erforderliga strömmen.

LISICON och LiPS har förbi forskning om LiPO-, LiS- och SiS-batterier, de tidigare ledarna inom solid state-fältet. Dessa typer lider emellertid fortfarande av lägre konduktivitet än organiska och flytande elektrolyter vid rumstemperatur, vilket gör dem opraktiska för kommersiella produkter.

Mycket ledande

Det är här som forskning om granatoxid (LLZO) elektrolyter kommer in, eftersom det har en hög jonledningsförmåga vid rumstemperatur.

Materialet uppnår en ledning som bara kommer in något bakom resultaten från flytande litiumjonceller, och nya studier av LGPS tyder på att detta material till och med kan matcha det.

Detta skulle innebära solid-state-batterier med ungefär lika stor effekt och kapacitet som dagens Li-ion-celler, samtidigt som fördelar som reducerad storlek och längre livslängd blir verklighet.

Granat är också stabilt i luft och vatten, vilket gör det lämpligt för Li-Air-batterier också. Tyvärr måste den tillverkas med en dyr sintringsprocess.

Detta gör det för närvarande till ett oattraktivt förslag för användning i konsumentbatterier jämfört med de låga kostnaderna för litiumjonceller. I framtiden kommer kostnaderna troligen att falla när tillverkningstekniker förfinas, men vi är fortfarande långt borta från ett kommersiellt hållbart batteri i fast tillstånd.

Sammanfatta

Det är uppenbart att det fortfarande finns en hel del pågående forskning om solid-state batteriteknologi. Vi kommer inte att se mogna celler komma in i konsumentprodukter som smartphones på ytterligare 4 eller 5 år, enligt de tidigaste förutsägelserna. Solid-state-batterier i andra enheter (som drönare) kan dock visas så snart som nästa år.

Ändå ger den senaste forskningen äntligen resultat som kan konkurrera med befintliga li-ion-batterier när det gäller attribut, samtidigt som de ger fördelarna med fastformiga elektrolyter. Allt vi behöver är att tillverkningsprocesser mognar, och det finns ett antal stora och kommande batteritillverkare med resurser för att göra detta till verklighet.

Sammanfattningsvis är de viktigaste fördelarna med alla dessa kemiska skillnader ur ett konsumentperspektiv: upp till 6 gånger snabbare laddning, upp till två gånger energitätheten, en längre livslängd på upp till 10 år jämfört med 2 och inga brandfarliga komponenter. Det kommer säkert att vara en välsignelse för smartphones och andra bärbara prylar.