Solid-state-batterier: Når blir "erstatninger" til "hovedstøtter"?

Solid-state batterierdukker opp som neste generasjons strømkilde, men hybrid fast-flytende batterier vil sannsynligvis kommersialiseres først og fungere som en avgjørende bro mellom dagens flytende litium-ion-celler og fremtidige all-solid-state-systemer.

Hva solid-state batterier er

Solid-state batterier erstatter brennbare flytende elektrolytter med faste materialer samtidig som de muliggjør høyere energitetthet og bedre sikkerhetsytelse. Katodene deres kan bruke høyenergimaterialer som litiumrike manganbaserte forbindelser, mens anoden kan kombinere nano-silisium og grafitt for å presse energitettheten mot 300–450 Wh/kg.

En solid elektrolytt bærer litiumioner uten lekkasjerisiko og reduserer sannsynligheten for termisk løping betydelig.

Anoder med høyere kapasitet og høyspenningskatoder gir solid-state-batterier potensialet for lengre rekkevidde i elektriske kjøretøy og forbedret utholdenhet i droner eller energilagringssystemer.

Hybrid fast-væske som en overgang

Artikkelen skiller flytende, hybrid fast-flytende og hel-solid-state litiumbatterier, og understreker at hybrid design er et viktig overgangsstadium. Halvsolide, kvasi-solide og "solide" batterier på markedet faller i stor grad inn i denne hybridkategorien, og skiller seg bare i forholdet mellom flytende og fast elektrolytt.

Hybrid fast-flytende batterier inneholder fortsatt litt flytende elektrolytt, noe som forbedrer kontakten med aktive materialer og letter produksjonen.

All-solid-state batterier inneholder kun fast elektrolytt, og tilbyr bedre egensikkerhet og høyere teoretisk energitetthet, men står overfor mer alvorlige tekniske utfordringer i dag.

Tekniske barrierer for full solid state

Selv om mange selskaper og forskningsinstitutter over hele verden investerer i solid-state-teknologi, har ingen solid-state-kraftcelle med stor kapasitet ennå matchet flytende litium-ion-batterier både på ytelse og kostnad. Kjernevanskeligheten ligger ved grensesnittet mellom solid og solid, der stive elektrolyttmaterialer gjør det vanskelig å opprettholde intim kontakt med elektroder under sykling og volumendringer.

Gjeldende ruter inkluderer polymer-, tynnfilm-, sulfid- og oksid-faststoff-batterier, hver med distinkte fordeler og begrensninger.

For eksempel sliter polymerfaststoffceller ved romtemperatur og med høyspentkatoder, mens sulfidsystemer er følsomme for luft og krever krevende produksjonsforhold.

In situ størkningsstrategi

For å overvinne grensesnittproblemer mens de utnytter eksisterende litiumion-infrastruktur, foreslår forskere en in-situ størkningstilnærming for hybride fast-flytende elektrolytter. Under cellemontering sørger en flytende forløper for god fukting og kontakt; senere konverterer kjemiske eller elektrokjemiske reaksjoner hele eller deler av denne væsken til en fast elektrolytt inne i cellen.

Denne metoden forbedrer elektrode-elektrolyttkontakt, undertrykker litiumdendrittvekst og balanserer sikkerhet, høyspenning og hurtiglading.

Den kan også gjenbruke mye av dagens flytende litium-ion-produksjonsprosess, noe som hjelper produsenter med å skalere opp raskere og redusere kostnadene.

Fremtidige utviklingsretninger

Eksperter forventer at hel-solid-state litiumbatterier vil trenge omtrent fem år til før ekte storskala kommersialisering, så hybrid solid-liquid power-batterier forblir en realistisk vei på kort sikt. For å akselerere industrialiseringen fremhever artikkelen behovet for koordinert fremgang innen materialer, celledesign, produksjon og standarder.

Prioriteringer inkluderer: utvikling av faste elektrolytter med balansert ionisk ledningsevne, stabilitet og bearbeidbarhet; matchende høyenergielektroder som høy-nikkel katoder og silisium-karbon eller litium metall anoder; og integrering av digital simulering med intelligent produksjon.

Industrien oppfordres til å bygge robuste forsyningskjeder for nøkkelmaterialer, investere i automatisert utstyr, avgrense test- og evalueringssystemer og gradvis utvikle seg fra hybrid fast-væske litium-ion-batteriermot fullstendig solid-state litiummetallbatterier.