Vad är ett solid state-batteri och kommer de att lösa våra batterilivsproblem?

Mobiltekniken ökar i kraft exponentialt, men batteritekniken håller inte uppe. Vi når de fysiska gränserna för vad konventionella litiumjon- och litiumpolymermönster kan göra. Lösningen kan vara något som kallas solid state-batteri.

Vad är ett Solid State-batteri?

I en konventionell batteridesigns-vanligast litiumjon används två fasta metallelektroder med ett flytande litiumsalt som verkar som en elektrolyt. Joniska partiklar rör sig från en elektrod (katoden) till den andra (anoden) när batteriet laddas och i omvänd när det släpper ut. Den flytande litiumsaltelektrolyten är mediet som tillåter den rörelsen. Om du någonsin har sett ett batteri korroderar eller blivit punkterat, är den "batterisyra" som oser (eller ibland exploderar) ut den flytande elektrolyten.

I ett solid state-batteri är både de positiva och negativa elektroderna och elektrolyten mellan dem fasta bitar av metall, legering eller något annat syntetiskt material. Uttrycket "solid state" kan påminna dig om SSD-datauppgifter, och det är inte en slump. Solid State-lagringsenheter använder flashminne, som inte rör sig, i motsats till en vanlig hårddisk, som lagrar data på en spinnmagnetskiva som drivs av en liten motor.

Trots att idén om solid state-batterier har funnits i årtionden, är utvecklingen i sin utveckling påbörjad, för närvarande påskyndad av investeringar från elektronikföretag, biltillverkare och allmänna leverantörer av industri.

Vad är bättre om batterier med fast batteriladdning?

Solid State-batterier lovar några få fördelar framför sina vätskefyllda kusiner: bättre batterilivslängd, snabbare laddningstider och en säkrare upplevelse.

Solid State-batterier komprimerar anoden, katoden och elektrolyten i tre plana lager istället för att suspendera elektroderna i en flytande elektrolyt. Det betyder att du kan göra dem mindre eller åtminstone smidigare samtidigt som du håller så mycket energi som ett större vätskebaserat batteri. Så om du bytte ut litiumjon- eller litiumpolymerbatteriet i din telefon eller laptop med ett solid state-batteri av samma storlek, skulle det bli 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, brandfarlig vätska att spilla, och de matar inte så mycket värme som vanliga uppladdningsbara batterier. När de appliceras på batterier som strömmar elektronik eller till och med elbilar, kan de ladda mycket mycket snabbare, även att joner kan flytta mycket snabbare från katoden till anoden.

Enligt den senaste forskningen skulle ett solid state-batteri kunna överträffa konventionella laddningsbara batterier med 500% eller mer när det gäller kapacitet och laddas upp i en tiondel av tiden.

Vad är nackdelarna?

Eftersom solid state-batterier är en framväxande teknik, är de otroligt dyra att tillverka. Så dyrt, faktum att de inte installeras i någon större elektronik av konsumentkvalitet vid skrivningstillfället. År 2012 bedömde analytiker som skriver för University of Florida Software Analysis och Advanced Materials Processing att ett typiskt batteriladdat solid-state-batteri skulle kosta cirka 15 000 dollar att tillverka. En stor nog att driva en elbil kostar $ 100.000.

Att göra ett solid state-batteri som är tillräckligt stort för att driva telefonen kostar tusentals dollar idag.

En del av detta beror på att skalfördelar inte finns på plats - hundratals miljoner laddningsbara batterier tillverkas varje år just nu, så tillverkningskostnaden för material och utrustning spridas över stora utbudsledningar. 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. Medan egenskaperna hos olika metaller, legeringar och metalliska salter som används för konventionella uppladdningsbara batterier är kända, vet vi inte för närvarande den bästa kemiska och atomkompositionen för en fast elektrolyt mellan metallanoder och katoder. Nuvarande forskning minskar detta, men vi behöver samla mer tillförlitliga data innan vi kan samla eller syntetisera materialen och investera i tillverkningsprocesser.

När kommer jag att använda ett solid-state batteri?

Som med all ny teknik, försöker du räkna ut när du kommer händerna på det är i bästa fall gissningar.

Det är uppmuntrande att många enorma företag investerar i den forskning som behövs för att ta med fasta batterier till konsumentmarknaden, men blyg för ett stort genombrott i den närmaste framtiden, det är svårt att säga om det kommer bli ett stort steg framåt. Minst ett bilföretag säger att det kommer att vara klart att sätta ett fordon i 2023, men gissar inte hur mycket den bilen kan kosta. Fem år verkar alltför optimistisk; tio år verkar mer troligt. Det kan vara tjugo år eller mer innan materialen löses på och tillverkningsprocesserna utvecklas.

Men som vi sa i början av artikeln börjar konventionell batteriteknik att träffa en vägg. Och det finns inget som potentiell försäljning för att stimulera till forskning och utveckling. Det är åtminstone något (väldigt mycket litet) möjligt att du kanske kan använda en gadget eller köra en bil som drivs av ett solid state-batteri snart.

Bildkredit: Sucharas Wongpeth / Shutterstock, Daniel Krason / Shutterstock