Därför satsar alla på solid state-batterier

2021-09-27 06:00  

Säkrare batterier som ger längre räckvidd än i dag. Det är drömmen med solid state-batterier, där elektrolyten är i fast fas. Men tekniken har även flera nackdelar.

Solid state är en extremt hajpad batteriteknik. I bilindustrin kämpar bolagen om att bli först med att få ut ett eget solid state-batteri i sina bilar. Näst intill alla biltillverkare (se faktaruta) har meddelat satsningar på tekniken.

Det är inte så konstigt, eftersom batteritypen omgärdas av löften om högre energitäthet, längre livslängd, förbättrad säkerhet och mindre och lättare batterier.

Definitionen på solid state är att elektrolyten är i fast fas, till skillnad mot den vätska som används i litiumjonbatterier. Men egentligen är elektrolytbytet ett sätt att få bukt på en trilskande men lockande anod: Av metalliskt litium.

Litiummetallbatteri.

Batterier med sådana anoder, så kallade litiummetallbatterier, har längre hägrat som en framtida teknik som ska slå dagens litiumjonbatterier med hästlängder. Med metalliskt litium i stället för grafit i anoden blir laddkapaciteten i materialet ungefär tio gånger högre. Det gör metalliskt litium extremt attraktivt.

Problemet är att materialet också är väldigt reaktivt. Celler med flytande elektrolyter har drabbats av nedbrytningsproblem och taggiga utväxter, så kallade dendriter, på anoden. Dendriter ökar nedbrytningen av elektrolyten och kan också punktera separatorn så att batteriet kortsluts.

”Man tar bort den komponent som brinner”

En lösning på problemet är att ersätta den flytande elektrolyten med ett material i fast fas.

– Förutsatt att elektrolyten är tillräckligt mekaniskt robust och inte porös. Då har dendriterna inte kraft att penetrera elektrolytmaterialet, säger Daniel Brandell, batteriprofessor vid Uppsala universitet, som i somras utkom med en bok om solid state-batterier tillsammans med två kollegor.

Litiummetallbatterier med fast elektrolyt finns redan i användning, till exempel i det franskitalienska samarbetet Bluecar, men i liten skala. Och än så länge finns batteritypen inte på marknaden för försäljning.

Man tar bort den komponent som brinner.

Battericellerna i Bluecar har inte heller nått hela vägen till att uppfylla de löften som förknippas med batteritypen. Den faktiska energitätheten motsvarar ungefär den i litiumjonbatterierna, 250 Wh/kg, och cellerna måste värmas, till åtminstone 50 grader Celsius, annars blir jonledningsförmågan i elektrolyten för låg.

Läs mer: Bakslag för framtidshoppet inom batteritekniken

Daniel Brandell välkomnar biltillverkarnas ambitiösa satsningar på solid state-batterier. Framför allt för att det skulle göra elbilarna säkrare. Elektrolyter i fast fas är inte brännbara, vilket gör att risken för batteribränder försvinner.

– Man tar bort den komponent som brinner. I Paris hände det ganska ofta att folk satte eld på Bluecarbilarna i samband med kravaller eller nyårsfiranden, och batterierna var alltid helt intakta. Förpackningen skadades så klart, men det var inte mer än så, säger Daniel Brandell.

”Keramer är generellt sett mer mekaniskt stabila”

Det gör också batteritypen mycket intressant för användningsområden där säkerheten är ännu mer kritisk, till exempel i flygplan eller marina farkoster.

Det finns två huvudsakliga utvecklingsalternativ för fast elektrolyt i litiummetallbatterier. Den kan antingen bestå av en polymer eller en keram.

– Polymerer har sämre mekanisk hållfasthet men går att göra robusta. De är också billiga och lätta att massproducera, säger Daniel Brandell.

Läs mer: Grafen höjer kapaciteten i natriumjonbatterier

Det går också att anpassa polymerelektrolyter så att de följer med när elektrodmaterialet rör sig under reaktionsprocessen. Det gäller att kontakten mellan elektrod och elektrolyt hela tiden är god så att litiumjonerna, energibärarna i battericellen, kan ta sig mellan anod och katod.

Just den följsamheten är mycket enklare när elektrolyten är en vätska, som tar sig in överallt i elektroderna, men svårare att åstadkomma när elektrolyten är i fast fas.

Det andra alternativet till fastfaselektrolyt är keramer.

– De är generellt sett mer mekaniskt stabila än polymerer och jonledningsförmågan är bättre. Några av dem har nästan samma jonledningsförmåga som vätska, säger Daniel Brandell.

”Succén kommer att avgöras av hur mycket bättre litiumjoncellen blir”

Flera försök har också gjorts för att kombinera polymerer och keramer i ett kompositmaterial, för att förena deras bästa egenskaper. Men hittills har ansträngningarna inte nått hela vägen fram.

Daniel Brandell bedömer att polymerelektrolyter ligger lite längre fram i utvecklingen än keramer. Polymerer har redan använts i batterier, framför allt i Bluecars bilar, och visat sig fungera väl.

– Min bild är att polymerelektrolyter är rätt välbeprövade och det går att göra bra solid state batterier av dem. Det som inte är så välbeprövat är att få batterierna att bli så bra som man skulle vilja, det vill säga med en energitäthet om runt 500 Wh/kg, säger Daniel Brandell.

Den allmänna förhoppningen är att batteritypen ska nå sådan energitäthet om några år. Men förutom en högre energitäthet måste litiummetallbatterier också nå en lång livslängd, minst 1 000 upp- och urladdningscykler, och klara ett brett temperaturspann samt både låga och höga strömstyrkor.

Trots alla löften och förhoppningar kring solid state-batterier har batteritypen några nackdelar jämfört med litiumjonbatterier. Keram-baserade solid state-batterier kommer antagligen att behöva använda sig av flera sällsynta jordartsmetaller, som riskerar att bli kritiska att få tag på, och kostnaden kan bli hög. Experter som Reuters har talat med skattar dagens kostnad för att tillverka en solid state-cell till ungefär åtta gånger mer än en litiumjoncell.

– Jag tror att vi kommer att ha solid state i framtiden. Men hur pass stor succén kommer att bli kommer att avgöras av hur mycket bättre litiumjoncellen kommer att bli och hur mycket kostnaden pressas för den, säger Daniel Brandell.

Biltillverkare som satsar på solid state

Toyota, Volkswagen, Ford, BMW, Daimler, Hyundai och Stellantis (före detta Groupe PSA och Fiat Chrysler) satsar alla på solid state-batterier.

Den biltillverkare som än så länge tycks gå emot strömmen är Tesla, som hittills inte har meddelat några planer på solid state.

Jämförelse av energitäthet i praktiken

En battericell med grafit som anod, flytande elektrolyt och NMC (nickel, mangan och kobolt) i katoden har ungefär 250-260 Wh/kg i energitäthet. Samma cell har 600-650 Wh/l i volymetrisk energitäthet.

En battericell med litiummetall i anoden, fast elektrolyt och NMC i katoden förväntas få ungefär 310-330 Wh/kg i energitäthet. Samma cell förväntas få 910-1 000 Wh/l i volymetrisk energitäthet.

Källa: Matthew Lacey. Jämförelsen är gjord på cellnivå, för en påscell om 64 Ah anpassad för elfordon.

Linda Nohrstedt

Kommentarer

Välkommen att säga din mening på Ny Teknik.

Principen för våra regler är enkel: visa respekt för de personer vi skriver om och andra läsare som kommenterar artiklarna. Alla kommentarer modereras efter publiceringen av Ny Teknik eller av oss anlitad personal.

  Kommentarer

Debatt