Vad är flexibla solid state-batterier?

En grupp internationella forskare har utvecklat en ny typ av solid state-batteri som kan öka räckvidden för elfordon och förhindra bränder i bärbara datorer och smartphones. Författarna beskriver sina resultat i Advanced Energy Materials. Genom att ersätta de flytande elektrolyterna som används i konventionella uppladdningsbara batterier med "solida", keramiska sådana kan de producera mer effektiva, långvariga batterier som också är säkrare att använda. Forskare hoppas att dessa fördelar kan bana väg för effektivare, grönare batterier för alla typer av enheter inklusive elbilar.

Författarna till studien, från USA och Storbritannien, har under en tid undersökt alternativ till flytande elektrolyter i litiumjonbatterier. 2016 tillkännagav de utvecklingen av ett solid-state-batteri som kan fungera med över dubbelt så hög spänning som konventionella litiumjonceller, men med liknande effektivitet.

Även om deras senaste design representerar en betydande förbättring jämfört med denna tidigare version, konstaterar forskaren, professor Donald Sadoway från MIT, att det fortfarande finns utrymme för förbättringar: "Att uppnå hög jonledningsförmåga i keramiska material vid förhöjda temperaturer kan vara svårt", förklarade han. "Det här var en genombrottsprestation." Forskarna hoppas att dessa förbättrade batterier efter testning kommer att visa sig lämpliga för elfordon eller till och med driva flygplan.

I solid state-batterier förhindras skador på grund av överhettning genom att använda keramiska elektrolyter snarare än brandfarliga, flytande. Om batteriet är skadat och börjar överhettas, förkolnar den keramiska elektrolyten istället för att antändas, vilket förhindrar att den tar eld. Porerna i strukturen hos dessa fasta material gör det också möjligt för dem att bära en mycket högre belastning av elektrisk laddning med joner som rör sig genom ett utökat nätverk i det fasta ämnet.

Dessa egenskaper betyder att forskare har kunnat höja både spänningen och kapacitansen på sina batterier jämfört med de som innehåller brandfarliga flytande elektrolyter. Faktum är att professor Sadoway sa: "Vi demonstrerade en litium-luftcell med 12 volt som arbetar vid 90 grader C [194°F]. Det är högre än någon annan har uppnått."

Denna nya batteridesign har andra potentiella fördelar jämfört med brandfarliga elektrolyter, inklusive det faktum att keramiska elektrolyter i allmänhet är mer stabila än organiska. "Det fantastiska är hur bra det fungerade", sa professor Sadoway. "Vi fick ut mer energi ur den här cellen än vi stoppade i den."

Denna stabilitet kan göra det möjligt för tillverkare att packa ett stort antal solid state-celler i bärbara datorer eller elbilar utan att behöva oroa sig för att de överhettas, vilket gör enheterna mycket säkrare och förlänger deras funktionella livslängd. För närvarande, om dessa typer av batterier överhettas riskerar de att fatta eld – som nyligen hände med Samsung Galaxy Note 7-telefonen. De resulterande lågorna skulle inte kunna spridas eftersom det inte finns någon luft inuti cellerna för att upprätthålla förbränning; de skulle faktiskt inte kunna sprida sig utanför platsen för den första skadan.

Dessa solida material är också mycket långvariga; däremot tar vissa försök att tillverka litiumjonbatterier med brandfarliga flytande elektrolyter, som arbetar vid högre temperaturer (över 100°C), rutinmässigt eld efter 500 eller 600 cykler. De keramiska elektrolyterna kan motstå mer än 7500 laddnings-/urladdningscykler utan att fatta eld."

De nya fynden kan vara oerhört betydelsefulla för att både utöka utbudet av elbilar och förhindra smartphonebränder. Enligt Sadoway: "Äldre generationer av batterier hade blysyra [bil] startbatterier. De hade en kort räckvidd men de var otroligt pålitliga", sa han och tillade att deras oförutsedda svaghet var att "om det blev varmare än cirka 60°C då det skulle fatta eld."

Dagens litiumjonbatterier, förklarar han, är ett steg upp från detta. "De har en lång räckvidd men de kan skadas av allvarlig överhettning och fatta eld," sa han och tillade att det nya solid-state-batteriet potentiellt är ett "grundläggande genombrott" eftersom det kan leda till mycket mer tillförlitliga och säkrare enheter.

Forskarna vid MIT tror att den här tekniken kan ta fem år att bli allmänt använd, men redan nästa år hoppas de kunna se den här typen av batterier monterade i smartphones från stora tillverkare som Samsung eller Apple. De noterade också att det finns många kommersiella användningsområden för dessa celler förutom telefoner, inklusive bärbara datorer och elfordon.

Professor Sadoway varnar dock för att det fortfarande är en bit kvar innan tekniken är fulländad. "Vi har en cell som ser alldeles utmärkt ut men det är väldigt tidigt ... Vi har ännu inte tillverkat celler med storskaliga elektroder med hög effektdensitet."

Sadoway tror att detta genombrott kommer att antas brett omedelbart eftersom det har potentialen att inte bara driva elbilar med mycket större räckvidd utan också potentiellt förhindra smartphonebränder. Kanske mer överraskande är hans förutsägelse att solid state-batterier kan användas allmänt på mindre än fem år när de flesta tillverkare är övertygade om deras säkerhet och tillförlitlighet.