Solid-state-batterier är i ”trailblazer” -läge. Vad håller dem upp?

I nästan två decennier har fast tillståndsbatterier hyllats som de spelväxlare för elfordon. Ett genombrott som lovar att eliminera ångest i räckvidd, snedstreck laddningstider och göra elbilar lika praktiska och bekväma som gasdrivna-utan de otäcka utsläppen av svansrör som förorenar luften och skadar människors hälsa.

Och ändå har solid-state-batterier känt sig som om de har fångats i labbet. Så vad håller dem tillbaka? Hur nära är de för att driva EVs? Är de till och med verkliga, eller kommer denna teknik alltid att vara science fiction?

Experter berättade för Insideevs att framsteg av fast tillstånd inte är så trög som det verkar. Företag är närmare än någonsin kommersialisering, men hinder kvarstår. Precis som litiumjonbatterier förväntas deras utbyggnad vara långsam och gradvis. Semi-solid-state-batterier kommer att träffa marknaden först och fungerar som en ”Bridge Technology” innan helt solid-state-förpackningar når massproduktion.

”Vi är i läget att trailblazing genombrotten för att flytta dem närmare fordonsapplikationer,” berättade Siyu Huang, VD för Battery Startup Factorial till InSideEVs. ”Den största utmaningen för fast tillstånd är skalbarhet,” tillade hon-förmågan att producera dem i massmängder.

Hur detta fungerar

I en traditionell litiumjoncell är elektrolyten-materialet som bär de laddande joner mellan laddnings- och urladdningscyklerna-vanligtvis en litiumbaserad flytande kemikalie. Fastillståndbatterier byter ut det för en fast elektrolyt, ofta gjord av polymer, sulfider eller oxider. Målet förblir detsamma: Shuttling -elektroner mellan katoden och anoden för att driva fordonet.

Forskning har visat att denna switch ger viktiga fördelar. Batterier med fast tillstånd packar mer energi i ett mindre utrymme; De är snabbare laddning samtidigt som de är säkrare och levererar bättre termisk stabilitet än traditionella litiumjonbatterier. I teorin bör detta eliminera många vanliga och oroande problem med EV: sortiment förluster i extrema temperaturer, brandrisker och mer.

Halvfasta tillståndsbatterier, å andra sidan, använder en gelliknande elektrolyt istället för en helt flytande eller solid, som erbjuder bättre energitäthet och säkerhet. De är en hybridlösning mellan konventionell litiumjon och alla solid-state-batterier.

Nu finns det ett massivt tryck för att få båda dessa batterikemiker till liv. Huangs Massachusetts-baserade factorial är bland ledarna i detta utrymme. Det har ingått gemensamma utvecklingsavtal med Mercedes-Benz, Stellantis och Hyundai Motor Group (som till och med kan avslöja sina egna faststatsprototyper nästa månad, enligt rapporter.)

Flera andra spelare tävlar också för att utveckla denna teknik. Kalifornien-baserade kvantitetsbild har ett avtal med Volkswagen Groups batteri dotterbolag PowerCo för att industrialisera batterier i fast tillstånd. BMW-gruppen och Ford har investerat miljoner dollar i Colorado-baserade solida makt. Och Toyota och Honda leder sina egna interna utvecklingsinsatser för fast tillstånd i Japan.

Förra året avslöjade Factorial sitt Solstice All-Solid-state-batteri. Den använder en sulfidbaserad elektrolyt som påstås uppnå en genombrott av energitäthet på 450 wattimmar per kilo. De flesta litiumjonceller som för närvarande används i EV: er har en energitäthet på väl under 300 wh/kg. En högre energitäthet innebär att ett EV -batteri kan lagra mer kraft utan att bli större eller tyngre, vilket leder till längre körområde.

Masstillverkning av solid-state-batterier är dock ett stort hinder. ”En del av tidslinjen är att du inte kan använda samma tillverkningsanläggningar och processer för SSB: er,” säger Liz Najman, chef för marknadsinblick vid batterihälsa och data om start. ”Du måste bygga allt nytt, vilket kräver pengar och tid.”

Varför är det så svårt?

Den amerikanska regeringens National Science Foundation förklarar i detalj tillverkningskraven för solid-state-batterier och hur olika de är från litiumjonbatterier. Enkelt uttryckt kräver batteritillverkning tre huvudprocesser: elektrodproduktion, cellproduktion och cellkonditionering.

Dessa processer och den relaterade leveranskedjan är starkt optimerad för produktion av litiumjonbatterier. Nu ligger utmaningen i att konfigurera om de för solid-state-batterier. Denna förskjutning liknar övergången från bläck till lasertryck, eller ersätter koppartrådar till fiberoptiska kablar. Den behöver en ny design och ompröva hela infrastrukturen. Och eftersom tekniken fortfarande är ny arbetar forskare för att övervinna dessa hinder för att uppnå konsekvent prestanda och tillförlitlighet.

”Alla dessa processer kommer att ändras för batterier med fast tillstånd och är mycket beroende av materialegenskaperna hos den fasta elektrolyten,” säger papperet innan han drar slutsatsen att den kortvariga lösningen på snabbspårning kommer troligen att ”vara en hybrid tillvägagångssätt som antar processer från både konventionella libs och fasta oxidbränslecellsamhällen. ”

Factorial gör just det och innehåller sina egna processer medan de överför några av de beprövade teknikerna som används för att tillverka litiumjonbatterier.

Förra året öppnade det vad som påstås vara den största tillverkningslinjen för fast tillstånd i USA i Methuen, Massachusetts. Den 200 megawatt-timmen verkar liten jämfört med de jättebatterianläggningar som uppfördes över USA med hundratals gigawatt-timme kapacitet. Men Factorial’s Line är fortfarande en stor milstolpe.

Det har redan skickat ett ”B-prov” till Mercedes-Benz för testning och hävdar att han är det första batteriföretaget som skickade ett prov av ett helt fasta tillståndsbatteri till en global biltillverkare. B-prov hänvisar till en nästan produktionsprototyp av ett batteri. Det används för mer avancerad testning, till exempel validering av prestanda, säkerhetsbedömningar och integration i EVs.

Att bygga dessa celler utan defekter på en monteringslinje är också en utmaning. ”Vi kan få en 85% avkastning för pilotlinjen,” sade Huang och hänvisade till den producerade cellerna som uppfyller kvalitetsstandarder och anses användbara. ”Vanligtvis, i en stor tillverkningslinje, måste du ha mer än 95% avkastning,” sade hon. Så det finns fortfarande en viss förfining och skalbarhet kvar att uppnå.

Solstice-cellerna 40AH använder också en ny produktionsprocess som kallas torr katodbeläggning-en process som Tesla har också rapporterats ha utforskat för sina nästa generations celler.

Enligt Oak Ridge National Laboratory använder elektroderna i traditionella litiumjonbatterier en våt uppslamning som är dyr, skadlig för miljön och tar mycket utrymme på fabriksgolvet. Den torra processen eliminerar denna giftiga slam genom att blanda ”torra pulver med ett bindemedel”, vilket kan sänka kostnaderna, slänga energianvändningen och krympa det miljömässiga fotavtrycket för batteriproduktion.

Över 600 mil av räckvidd?

Resultatet? Factorial hävdar att dess energitäta förpackningar kan leverera ett körintervall på över 600 mil. Det är mer än dubbelt det genomsnittliga EPA-klassade körområdet i USA, som enligt Department of Energy var 283 miles. Det i sig är en prestation eftersom den har tredubblats under det senaste decenniet. Factorial hävdar också driftstemperaturer på över 90 grader Celsius och en 40% viktminskning över traditionella batterier.

Factorials kvasi-faststatsbatteri är emellertid en lösning på kort sikt som också kan leverera en hög prestanda och också enkelt skala upp. Den använder ett gelliknande material för elektrolyten tillsammans med en litiummetallanod och en katod med hög kapacitet. Detta kombinerar fördelarna med elektrolyter med fast tillstånd med tillverkningen av konventionella litiumjonbatterier, hävdar företaget.

Halvfasta statliga batterier har redan gått in på den kinesiska marknaden. Förra året uppnådde en NIO ET7-ägare 554 mil (892 km) av räckvidden på en enda laddning, tack vare dess 150 kilowatt-timmars halvfasta tillståndspaket.

De kommer snart till USA också. Stellantis har lovat att lansera en demonstrationsflotta av Dodge Charger Daytona utrustad med Factorials kvasi-fasta statliga batterier nästa år. Det påstås ha en energitäthet på 390 wh/kg, mycket högre än de nuvarande industristandarderna på cirka 250-300 wh/kg.

Foto av: Insideevs

De ger också enorma viktfördelar. Huang tillade att batterier med fast tillstånd kan spara upp till 200-300 pund på förpackningsnivån. ”På fordonsnivån kan SSB till och med spara upp till 1 000 pund,” sade hon. ”Om vi ​​minskar förpackningsvikten kan vi också minska stödstrukturerna.” Viktbesparing är direkt knuten till kostnadsbesparing. Med varje pund eliminerat kan batteritillverkare spara $ 5, sade Huang. Om de kan skära 1 000 pund är det en stor kostnadsdifferentierare.

”USA älskar riktigt stora, icke-aerodynamiska SUV: er och lastbilar,” sa återkommande Najman. ”Dessa kräver enorma batterier för att kompensera för sin dåliga fysik, och de blir riktigt tunga. SSB: er kan erbjuda mer kraft i ett mycket lättare paket, så de kan hitta användning i SUV/lastbilssegmentet, ”tillade hon. Biltillverkare går emellertid mot utökade drivlinor för större fordon, som har reservgasgeneratorer för att ladda batteriet.

Alla nämnda batterier i fast tillstånd är grundade för att leva upp till hype, tillade Najman. ”Hype är en del av det som har gjort tillverkarna extra försiktiga,” sade hon. ”Med allt löfte om SSB: er vill du inte släppa en som floppar.”

Har ett tips? Kontakta författaren: Suvrat.kothari@insidees.com