Hvad er fleksible solid state-batterier?

En gruppe internationale videnskabsmænd har udviklet en ny type solid-state batteri, der kan øge rækkevidden af ​​elektriske køretøjer og forhindre brande i bærbare computere og smartphones. Forfatterne beskriver deres resultater i Advanced Energy Materials. Ved at erstatte de flydende elektrolytter, der bruges i konventionelle genopladelige batterier, med "solide", keramiske batterier, er de i stand til at producere mere effektive, langtidsholdbare batterier, der også er mere sikre at bruge. Forskere håber, at disse fordele kan bane vejen for mere effektive, grønnere batterier til alle slags enheder, herunder elbiler.

Forfatterne af undersøgelsen, fra USA og Storbritannien, har i nogen tid udforsket alternativer til flydende elektrolytter i lithium-ion-batterier. I 2016 annoncerede de udviklingen af ​​et solid state-batteri, der kunne fungere ved over dobbelt så høj spænding som konventionelle lithium-ionceller, men med lignende effektivitet.

Mens deres seneste design repræsenterer en væsentlig forbedring i forhold til denne tidligere version, bemærker forsker professor Donald Sadoway fra MIT, at der stadig er plads til forbedringer: "Det kan være svært at opnå høj ionisk ledningsevne i keramiske materialer ved forhøjede temperaturer," forklarede han. "Dette var en gennembrudspræstation." Forskerne håber, at disse forbedrede batterier efter afprøvning vil vise sig egnede til elektriske køretøjer eller endda til at drive flyvemaskiner.

I solid state-batterier forhindres skader på grund af overophedning ved at bruge keramiske elektrolytter i stedet for brændbare, flydende. Hvis batteriet er beskadiget og begynder at overophedes, forkuller den keramiske elektrolyt i stedet for at antænde, hvilket forhindrer det i at antænde. Porerne i strukturen af ​​disse faste materialer gør dem også i stand til at bære en meget højere belastning af elektrisk ladning med ioner, der bevæger sig gennem et udvidet netværk i det faste stof.

Disse funktioner betyder, at forskere har været i stand til at hæve både spændingen og kapacitansen af ​​deres batterier sammenlignet med dem, der indeholder brændbare flydende elektrolytter. Faktisk sagde professor Sadoway: "Vi demonstrerede en lithium-luftcelle med 12 volt, der arbejder ved 90 grader C [194°F]. Det er højere end nogen anden har opnået."

Dette nye batteridesign har andre potentielle fordele i forhold til brandfarlige elektrolytter, herunder det faktum, at keramiske elektrolytter generelt er mere stabile end organiske. "Det fantastiske er, hvor godt det fungerede," sagde professor Sadoway. "Vi fik mere energi ud af denne celle, end vi lagde i den."

Denne stabilitet kan give producenterne mulighed for at pakke et stort antal solid state-celler ind i bærbare computere eller elbiler uden at skulle bekymre sig om, at de overophedes, hvilket gør enheder meget sikrere og forlænger deres funktionelle levetid. I øjeblikket, hvis denne slags batterier overophedes, risikerer de at gå i brand – som det for nylig skete med Samsung Galaxy Note 7-telefonen. De resulterende flammer ville være ude af stand til at sprede sig, fordi der ikke er luft inde i cellerne til at opretholde forbrændingen; de ville faktisk ikke være i stand til at sprede sig ud over stedet for den oprindelige skade.

Disse solide materialer er også meget langtidsholdbare; i modsætning hertil går nogle forsøg på at lave lithium-ion-batterier med brændbare flydende elektrolytter, som fungerer ved højere temperaturer (over 100°C), rutinemæssigt i brand efter 500 eller 600 cyklusser. De keramiske elektrolytter kan modstå mere end 7500 opladnings-/afladningscyklusser uden at gå i brand."

De nye resultater kan være enormt vigtige for både at udvide rækkevidden af ​​elbiler og forhindre smartphonebrande. Ifølge Sadoway: "Ældre generationer af batterier havde blysyre [bil] startbatterier. De havde en kort rækkevidde, men de var utroligt pålidelige," sagde han og tilføjede, at deres uforudsete svaghed var, at "hvis det blev varmere end omkring 60°C, så det ville gå i brand."

Nutidens lithium-ion-batterier, forklarer han, er et skridt op fra dette. "De har en lang rækkevidde, men de kan blive beskadiget af alvorlig overophedning og antændelse," sagde han og tilføjede, at det nye solid state-batteri potentielt er et "fundamentalt gennembrud", fordi det kan føre til langt mere pålidelige, sikrere enheder.

Forskerne ved MIT mener, at denne teknologi kan tage fem år at blive udbredt, men allerede næste år håber de at se den slags batterier monteret i smartphones fra store producenter som Samsung eller Apple. De bemærkede også, at der er mange kommercielle anvendelser for disse celler udover telefoner, herunder bærbare computere og elektriske køretøjer.

Professor Sadoway advarer dog om, at der stadig er et stykke vej igen, før teknologien er perfektioneret. "Vi har fået en celle, der ser virkelig fremragende ud, men det er meget tidlige dage ... Vi har endnu ikke lavet celler med storskala elektroder med høj effekttæthed."

Sadoway mener, at dette gennembrud vil blive bredt vedtaget med det samme, fordi det har potentialet ikke kun til at brænde elbiler med meget større rækkevidde, men også potentielt forhindre smartphonebrande. Måske mere overraskende er hans forudsigelse om, at solid state-batterier kan blive brugt universelt på mindre end fem år, når de fleste producenter er overbevist om deres sikkerhed og pålidelighed.