”Springy” solid state-batteri är dubbelt så bred som en vit blodkropp och kan drastiskt öka EV-räckvidden
Forskare som arbetar vid Oak Ridge National Laboratory (ORNL) har utvecklat en ny typ av solid state-batteriteknik som kan fördubbla energitätheten i elbilar.
Avståndet som elfordon (EV) kan färdas mellan laddningar – känd som deras räckvidd – har varit på en stadig uppåtgående kurva under det senaste decenniet, tredubblats från 80 miles (129 kilometer) 2010 till 220 miles (354 km) 2021.
Men gränser gäller för hur effektiva de kan bli på grund av både kemin hos flytande elektrolytlitiumjonbatterier (Li-ion) som för närvarande driver elbilar och deras vikt. Som förklaras i Heatmap 2023: ”Litiumjonpaketen i elbilar är toppmoderna inom modern batteriteknik … Men deras energitäthet bleknar fortfarande i jämförelse med bensin. Så att ge en bil hundratals miles av körräckvidd innebär att slänga ett stort, tungt batteri längs fordonets botten.”
Ett nytt framsteg inom solid-state-batterier, som beskrivs i en studie publicerad 10 maj i tidskriften ASC Energibrevskulle kunna ändra allt det, dock.
Den förlitar sig på att lagra kraft i flexibla och hållbara ark av solid-state elektroder som är 30 mikrometer tjocka – ungefär samma bredd som ett människohår. Tekniken, om den utvecklas, skulle kunna fördubbla energilagringen från den nuvarande maximala energitätheten i EV-batterier till 500 wattimmar per kilogram, sa forskarna i ett uttalande.
Problemet med solid state
Solid-state-batterier är ingen ny idé, och forskare vid ORNL har tidigare lagt grunden för deras skapelse och användning på 1990-talet. De har använts i små format för att driva pacemakers, RFID-taggar – såsom förlustförebyggande taggar som används i butiker – och bärbara enheter i många år.
Men när det kommer till att driva elbilar har de inte varit tillräckligt hållbara eller skalbara. Dessutom har de plastpolymerer som används i de flesta solid-state-batterier för närvarande en lägre ledningsförmåga än flytande elektrolyter, vilket gör dem mindre prestanda.
Släkt: Världens största batteri kommer till Maine – och det kan lagra 130 miljoner gånger mer energi än din bärbara dator
Forskarna övervann dessa problem genom att använda en polymer för att skapa en ”stark men ändå fjädrande tunn film” som skulle kunna ge solid-state-batterier en mycket högre energitäthet. Detta överstiger inte bara vad som för närvarande finns tillgängligt i de bästa solid-state-batterierna utan även flytande Li-ion-teknik, sa forskarna i uttalandet.
Arken möjliggör separation av negativa och positiva elektroder, förhindrar kortslutningar samtidigt som de ger högledningsbanor för jonrörelse. Den använder också sulfidelektrolyter i fast tillstånd, som har en liknande nivå av ledningsförmåga som de flytande elektrolyterna som används i Li-ion-batterier och därför erbjuder en liknande prestandanivå.
”Vi vill minimera polymerbindemedlet eftersom det inte leder joner”, huvudförfattare till studien Guang YangFoU-assistent vid ORNL, sade i påstående. ”Bindemedlets enda funktion är att låsa in elektrolytpartiklarna i filmen. Att använda mer bindemedel förbättrar filmens kvalitet men minskar jonledning. Omvänt ökar användning av mindre bindemedel jonledning men äventyrar filmkvaliteten.”
Ett högpresterande, säkrare elbilsbatteri
Nästa steg för forskarna blir att bygga en enhet som låter dem testa sina resultat under praktiska batteriförhållanden i ett labb. De kommer också att samarbeta med forskare inom akademi och industri för att utveckla bredare tester.
Skulle forskningen leda till produktion av en ny generation elbilsbatterier kan det inte bara ge elbilar en mycket större räckvidd utan också göra dem säkrare, tillade forskarna i uttalandet.
Li-ion-batterier är flyktiga och även om bränder är sällsynta är de mycket giftiga och svåra att släcka. Enligt Storbritanniens Institutionen för brandingenjörer (IFE), över 100 organiska kemikalier genereras under en EV-brand, inklusive dödlig kolmonoxid och vätecyanid.
Icke desto mindre, snarare än att försöka släcka branden, rekommenderar biltillverkarna att brandmän låter branden brinna ut. Detta beror delvis på hur mycket vatten som skulle användas – cirka 1 125 liter per minut – vilket skulle skapa farligt avrinning som skulle kunna komma in i offentliga avloppssystem, enligt IFE.
Dessutom, även när Li-ion batteribränder har till synes släckts, kan de återuppstå ”timmar, dagar eller till och med veckor” senare, inte bara en gång utan många gånger om. Den nya ORNL-utvecklade tekniken, å andra sidan, är icke-flyktig, vilket innebär att det inte skulle finnas någon sådan risk i elbilar som använder den i ett solid-state-batteri.
