Mobilteknik ökar kraftigt exponentiellt, men batteritekniken håller inte på. Vi når de fysiska gränserna för vad konventionella litiumjon- och litiumpolymerdesigner kan göra. Lösningen kan vara något som kallas ett halvledarbatteri.
Vad är ett halvledarbatteri?
I en konventionell batteridesign - oftast litiumjon - används två massiva metallelektroder med ett flytande litiumsalt som fungerar som en elektrolyt. Joniska partiklar rör sig från en elektrod (katoden) till den andra (anoden) när batteriet laddas och omvänd när det laddas ur. Den flytande litiumsaltelektrolyten är mediet som möjliggör den rörelsen. Om du någonsin har sett ett batteri korroderas eller punkteras är den "batterisyran" som sipprar ut (eller ibland exploderar) flytande elektrolyt.
I ett halvledarbatteri är både de positiva och negativa elektroderna och elektrolyten mellan dem fasta bitar av metall, legering eller något annat syntetiskt material. Termen "solid-state" kan påminna dig om SSD-datanheter , och det är inte en slump. Solid state-lagringsenheter använder flashminne, som inte rör sig, till skillnad från en vanlig hårddisk, som lagrar data på en snurrande magnetskiva som drivs av en liten motor.
Även om tanken på solid state-batterier har funnits i årtionden, har framsteg i deras utveckling precis börjat, som för närvarande stimuleras av investeringar från elektronikföretag, biltillverkare och allmänna industrileverantörer.
Vad är bättre med halvledarbatterier?
Solid state-batterier lovar några tydliga fördelar jämfört med deras vätskefyllda kusiner: bättre batteritid, snabbare laddningstider och en säkrare upplevelse.
Solid state-batterier komprimerar anoden, katoden och elektrolyten i tre plana lager istället för att hänga upp elektroderna i en flytande elektrolyt. Det betyder att du kan göra dem mindre - eller åtminstone plattare - medan du håller lika mycket energi som ett större vätskebaserat batteri. Så om du bytte ut litiumjon- eller litiumpolymerbatteriet i din telefon eller bärbara dator med ett solid-state-batteri av samma storlek, skulle det få en mycket längre laddning. Alternativt kan du göra en enhet som håller samma laddning mycket mindre eller tunnare.
Solid state-batterier är också säkrare eftersom det inte finns någon giftig, lättantändlig vätska att spilla ut, och de avger inte så mycket värme som konventionella uppladdningsbara batterier. När de appliceras på batterier som driver strömelektronik eller till och med elbilar kan de laddas mycket snabbare också - joner kan röra sig mycket snabbare från katoden till anoden.
Enligt den senaste undersökningen kan ett halvledarbatteri överträffa konventionella uppladdningsbara batterier med 500% eller mer när det gäller kapacitet och laddas upp på en tiondel av tiden.
Vad är nackdelarna?
Eftersom halvledarbatterier är en framväxande teknik är de otroligt dyra att tillverka. Så dyra faktiskt att de inte är installerade i någon större elektronik för konsumentkvalitet i skrivande stund. Under 2012, analytiker skriver för University of Florida Software Analysis and Advanced Materials Processing Department uppskattade att ett typiskt solid-state-batteri av mobiltelefon skulle kosta cirka 15 000 $ att tillverka. En stor nog att driva en elbil skulle kosta 100 000 dollar.
En del av detta beror på att stordriftsfördelarna inte är på plats - hundratals miljoner laddningsbara batterier tillverkas varje år just nu, så tillverkningskostnaderna för material och utrustning är spridda över stora försörjningslinjer. Det finns bara ett fåtal företag och universitet som undersöker solid state-batterier, så kostnaden för att producera var och en är astronomisk.
En annan fråga är materialen. Även om egenskaperna hos olika metaller, legeringar och metallsalter som används för konventionella uppladdningsbara batterier är välkända, vet vi för närvarande inte den bästa kemiska och atomsammansättningen för en fast elektrolyt mellan metallanoder och katoder. Nuvarande forskning minskar detta, men vi måste samla in mer tillförlitliga data innan vi kan samla eller syntetisera materialen och investera i tillverkningsprocesser.
När får jag använda ett halvledarbatteri?
Som med all ny teknik är det i bästa fall gissningar att försöka ta reda på när du får tag på det.
Det är uppmuntrande att många enorma företag investerar i den forskning som behövs för att föra solid state-batterier till konsumentmarknaden, men blyg för ett stort genombrott i omedelbar framtid är det svårt att säga om det kommer att bli ett stort steg framåt. Minst ett bilföretag säger att den kommer att vara redo att sätta en i ett fordon 2023, men gissar inte hur mycket den bilen kan kosta. Fem år verkar alltför optimistiska; tio år verkar mer sannolikt. Det kan gå tjugo år eller mer innan materialet är avgjort och tillverkningsprocesserna utvecklas.
Men som vi sa i början av artikeln börjar konventionell batteriteknik att slå en vägg. Och det finns inget som möjlig försäljning för att stimulera till forskning och utveckling. Det är åtminstone något (väldigt, väldigt lite) möjligt att du snart kan använda en gadget eller köra bil som drivs av ett solid state-batteri.
Bildkredit: Sucharas Wongpeth / Shutterstock, Daniel Krason / Shutterstock
