Hvad er et solid state batteri og vil de løse vores batterilevetidsproblemer?

Mobilteknologi øges i kraft eksponentielt, men batteriteknologi holder ikke op. Vi når de fysiske grænser for, hvad konventionelle lithium-ion og lithium-polymer designs kan gøre. Løsningen kan være noget, der hedder et solid state-batteri.

Hvad er et solid-state batteri?

I en konventionel batteridesigns-oftest lithiumion anvendes to faste metalelektroder med et flydende lithiumsalt, der virker som en elektrolyt. Ioniske partikler bevæger sig fra den ene elektrode (katoden) til den anden (anoden) som batteriet oplades, og omvendt som det udledes. Den flydende lithiumsaltelektrolyt er det medium, der tillader bevægelsen. Hvis du nogensinde har set et batteri korroderer eller bliver punkteret, er "batterisyren", der oser (eller nogle gange eksploderer), 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" minder dig om SSD-datastationer, og det er ikke tilfældigt. Solid-state-lagringsdrev bruger flashhukommelse, som ikke bevæger sig, i modsætning til en standard harddisk, der lagrer data på en spinnende magnetisk disk, der drives af en lille motor.

Selvom ideen om solid state-batterier har eksisteret i årtier, er udviklingen i deres udvikling lige begyndt, i øjeblikket fremkaldt af investeringer fra elektronikvirksomheder, bilproducenter og generelle industriudbydere.

Hvad er bedre med solid-state batterier?

Solid state batterier lover et par særskilte fordele i forhold til deres væskefyldte fætre: bedre batterilevetid, hurtigere opladningstider 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 hvert fald fladere - mens du holder så meget energi som et større væskebaseret batteri. Så hvis du erstatter lithium-ion eller lithium-polymer batteri i din telefon eller laptop med et solid-state batteri af samme størrelse, ville det få en meget længere opladning. Alternativt kan du lave en enhed, der holder samme opladning meget mindre eller tyndere.

Solid state batterier er også sikrere, da der ikke er nogen giftig, brændbar væske, der spildes, og de producerer ikke så meget varme som konventionelle genopladelige batterier. Når de anvendes på batterier, der strømforsyningselektronik eller endda elbiler, kan de genoplade meget hurtigere, og ioner kan flytte meget hurtigere fra katoden til anoden.

Ifølge den seneste forskning kunne et solid state-batteri overlevere konventionelle genopladelige batterier med 500% eller mere i form af kapacitet og opladning om tiendedelen af ​​tiden.

Hvad er ulemperne?

Fordi solid state batterier er en ny teknologi, er de utrolig dyre at fremstille. Så dyrt, faktisk, at de ikke er installeret i nogen større forbruger-grade elektronik på tidspunktet for skrivning. I 2012 vurderede analytikere, der skrev til University of Florida Software Analysis og Advanced Materials Processing, at et typisk mobiltelefonformat solid state batteri ville koste omkring $ 15.000 til fremstilling. En stor nok til at drive en elbil ville koste $ 100.000.

At lave et solid state-batteri, der er stort nok til at drive din telefon, koster tusindvis af dollars i dag.

En del af dette skyldes, at stordriftsfordelene ikke er på plads - hundredvis af millioner genopladelige batterier laves hvert år lige nu, så produktionsomkostningerne for materialer og udstyr spredes ud over store forsyningslinjer. Der er kun få firmaer og universiteter, der undersøger solid state-batterier, så prisen for at producere hver enkelt er astronomisk.

Et andet problem er materialerne. Mens egenskaberne hos forskellige metaller, legeringer og metalsalte, der anvendes til konventionelle genopladelige batterier, er velkendte, kender vi i øjeblikket ikke den bedste kemiske og atomiske sammensætning for en fast elektrolyt mellem metalliske anoder og katoder. Nuværende forskning er indsnævring af dette, men vi skal indsamle mere pålidelige data, før vi kan samle eller syntetisere materialerne og investere i fremstillingsprocesser.

Hvornår får jeg adgang til et solid-state batteri?

Som med alle nye teknologier, forsøger du at finde ud af, hvornår du får hænderne på det, er det i bedste fald gætte.

Det er opmuntrende, at mange enorme virksomheder investerer i den forskning, der er nødvendig for at bringe solid state-batterier ind på forbrugermarkedet, men genert af et stort gennembrud i den nærmeste fremtid, det er svært at sige, om der vil være et stort spring fremad. Mindst en bilvirksomhed siger, at det vil være klar til at sætte en i et køretøj inden 2023, men gætter ikke på, hvor meget bilen kan koste. Fem år virker alt for optimistiske; ti år synes mere sandsynligt. Det kan være tyve år eller mere, før materialerne afregnes, og fremstillingsprocesserne udvikles.

Men som vi sagde i starten af ​​artiklen, begynder konventionel batteriteknik at ramme en mur. Og der er intet som potentielt salg for at anspore til forskning og udvikling. Det er i det mindste lidt (meget, meget lidt) muligt, at du måske vil kunne bruge en gadget eller køre bil drevet af et solid state-batteri snart.

Billedkredit: Sucharas Wongpeth / Shutterstock, Daniel Krason / Shutterstock