Mobil teknologi stiger kraftigt eksponentielt, men batteriteknologi holder ikke op. Vi når de fysiske grænser for, hvad konventionel lithium-ion og lithium-polymer design kan gøre. Løsningen kan være noget, der kaldes et solid-state-batteri.
Hvad er et solid state-batteri?
I et konventionelt batteridesign - mest almindeligt lithium-ion - anvendes to faste metalelektroder med et flydende lithiumsalt, der fungerer som en elektrolyt. Ioniske partikler bevæger sig fra den ene elektrode (katoden) til den anden (anoden), når batteriet oplades, og omvendt, når det aflades. Den flydende lithiumsaltelektrolyt er mediet, der tillader denne bevægelse. Hvis du nogensinde har set et batteri korroderer eller bliver punkteret, er "batterisyren", der oser (eller undertiden eksploderer) ud, den flydende elektrolyt.
I et solid-state batteri er både de positive og negative elektroder og elektrolytten mellem dem faste stykker metal, legering eller noget andet syntetisk materiale. Udtrykket "solid-state" kan minde dig om SSD-datadrev , og det er ikke tilfældigt. Solid-state-lagerdrev bruger flashhukommelse, som ikke bevæger sig i modsætning til en standardharddisk, der lagrer data på en roterende magnetisk disk, der drives af en lille motor.
Selvom ideen om solid state-batterier har eksisteret i årtier, er fremskridt i deres udvikling lige begyndt, som i øjeblikket anspores til investeringer fra elektronikvirksomheder, bilproducenter og generelle industrielle udbydere.
Hvad er bedre ved solid state-batterier?
Solid-state-batterier lover et par tydelige fordele i forhold til deres væskefyldte fætre: bedre batterilevetid, hurtigere opladningstid og en sikrere oplevelse.
Solid state-batterier komprimerer anoden, katoden og elektrolytten i tre flade lag i stedet for at suspendere elektroderne i en flydende elektrolyt. Det betyder, at du kan gøre dem mindre - eller i det mindste fladere - mens du holder så meget energi som et større væskebaseret batteri. Så hvis du udskiftede lithium-ion- eller lithium-polymer-batteriet i din telefon eller bærbare computer med et solid-state-batteri i samme størrelse, ville det få en meget længere opladning. Alternativt kan du lave en enhed, der holder den samme opladning meget mindre eller tyndere.
Solid state-batterier er også sikrere, da der ikke spildes giftig, brandfarlig væske, og de afgiver ikke så meget varme som konventionelle genopladelige batterier. Når de anvendes på batterier, der driver strømelektronik eller endda elektriske biler, kan de også genoplade meget hurtigere - ioner kan bevæge sig meget hurtigere fra katoden til anoden.
Ifølge den seneste forskning kunne et solid state-batteri overgå konventionelle genopladelige batterier med 500% eller mere med hensyn til kapacitet og oplade på en tiendedel af tiden.
Hvad er ulemperne?
Fordi solid state-batterier er en ny teknologi, er de utroligt dyre at fremstille. Så dyre, faktisk, at de ikke er installeret i nogen større forbrugerelektronik i skrivende stund. I 2012 analytikere, der skriver for University of Florida afdeling for softwareanalyse og avanceret materialebehandling skønnede, at et typisk solid-state-batteri i mobiltelefonstørrelse ville koste omkring $ 15.000 at fremstille. En stor nok til at drive en elbil ville koste $ 100.000.
En del af dette skyldes, at stordriftsfordelene ikke er på plads - der fremstilles hundreder af millioner af genopladelige batterier hvert år lige nu, så produktionsomkostningerne for materialer og udstyr er spredt over store forsyningslinjer. Der er kun få virksomheder og universiteter, der undersøger solid state-batterier, så omkostningerne ved at producere hver enkelt er astronomiske.
Et andet spørgsmål er materialerne. Mens egenskaberne ved forskellige metaller, legeringer og metalliske salte, der anvendes til konventionelle genopladelige batterier, er velkendte, kender vi i øjeblikket ikke den bedste kemiske og atomsammensætning til en fast elektrolyt mellem metalliske anoder og katoder. Nuværende forskning indsnævrer dette, men vi er nødt til at indsamle mere pålidelige data, før vi kan samle eller syntetisere materialerne og investere i fremstillingsprocesser.
Hvornår skal jeg bruge et solid state-batteri?
Som med al ny teknologi er det i bedste fald gætteri at prøve at finde ud af, hvornår du får fat i det.
Det er opmuntrende, at mange enorme virksomheder investerer i den nødvendige forskning for at bringe solid state-batterier ind på forbrugermarkedet, men bange for et stort gennembrud i den nærmeste fremtid er det svært at sige, om der vil være et stort spring fremad. Mindst et bilfirma siger, at den vil være klar til at sætte en i et køretøj inden 2023, men gætter ikke på, hvor meget den bil kan koste. Fem år virker alt for optimistisk; ti år synes mere sandsynligt. Det kan gå tyve år eller mere, før materialerne afvikles, og fremstillingsprocesserne udvikles.
Men som vi sagde i begyndelsen af artiklen, begynder konventionel batteriteknologi at ramme en mur. Og der er intet som potentielt salg til at anspore til forskning og udvikling. Det er i det mindste let (meget, meget lidt) muligt, at du muligvis snart kan bruge en gadget eller køre en bil, der drives af et solid state-batteri.
Billedkredit: Sucharas Wongpeth / Shutterstock, Daniel Krason / Shutterstock
