Pooja Vadhva 
Pranav Nagaveykar Pooja: Med ett konventionellt litiumjonbatteri har du två elektroder – en anod och en katod, och när du laddar ur cellen rör sig litiumjoner över från anoden och interkaleras in i katoden. Elektroderna fyllda med en flytande elektrolyt och en polymerseparator används för att förhindra kortslutning av cellen. Elektroderna är anslutna till en extern krets genom vilken elektronerna flödar och när du laddar ur cellen matas ström ut, som används för att driva ett elfordon. I ett solid state-batteri är principen densamma men man tar bort separatorn och flytande elektrolyt, och istället har man en solid elektrolyt mellan de två elektroderna. En fast elektrolyt kan möjliggöra en litiummetallanod som har tio gånger den teoretiska kapaciteten av en grafitanod, vilket fördubblar cellens energitäthet. Litiummetall är mycket reaktivt och kan bilda dendriter under cykling som kortsluter cellen. En fast elektrolyt kan mekaniskt förhindra dendritbildning samt öka cellens säkerhet, eftersom du inte har en brandfarlig flytande elektrolyt.
Pranav: Solid state-batterier är i grunden litiumjonbatterier utan flytande elektrolyt. Den flytande elektrolyten ersätts av en fast elektrolyt, vilket är anledningen till att dessa batterier kallas solid state-batterier. Många människor blir förvirrade över att solid state-batterier är en helt annan typ av batterier än de befintliga litiumjonbatterierna. Så är inte fallet. Det är bara det att den flytande elektrolyten nu är ersatt av en fast.
Li-Ion batteri kontra alla solid state-batterier Pranav: Som vi alla vet arbetar alla inom batteriindustrin kontinuerligt för att övervinna några av de stora utmaningarna för EV-övergång som att få mer energitäthet, mindre laddningstid, bättre livscykel för att nämna några. Med de nyutvecklade katoderna, högre andel nickel, kiselinbäddade anoder, har det skett en hel del förbättring av energitätheten för dessa celler men samtidigt är de också termiskt mindre stabila. Dessutom är den relativa förbättringen av laddningstider mindre. Det verkar som om vi med de konventionella litiumjoncellerna närmar oss en mättnadsnivå med avseende på alla dessa parametrar. För att få ännu högre energitäthet, bättre termisk stabilitet och kortare laddningstider måste vi gå över till en ny typ av teknik och jag tror att det är där solid state-batterier kommer in.
Pooja: Några intressanta punkter där. Ett annat område som jag tror att folk inte överväger är flygindustrin, med ökande tonvikt på hållbarhet, och det finns intresse för att använda solid state-batterier för att helt eller delvis driva elektriska framdrivningssystem på flygplan, till exempel under start eller landning. NASA har också meddelat att de kommer att tillverka solid state-batterier för förbättrad laddningsbarhet och säkerhet, så detta är verkligen lovande.
Pranav: Den grundläggande funktionsprincipen för Solid State-batterier är densamma som för konventionella litiumjonbatterier. I konventionella litiumjonbatterier delas litium i katoden i litiumjon och elektron. Elektronen färdas genom det yttre nätverket medan litiumjonen simmar genom den flytande elektrolyten för att nå anoden. För solid state-batterier är det mer eller mindre detsamma. Frågan är – hur flyttar vi jonerna från anod till katod och vice versa? I grund och botten använder vi något som kallas diffusion - vi flyttar litiumjonpositionerna inom det fasta elektrolytgittret, vi skapar några vakanser inom den nuvarande gitterstrukturen så att litiumjonerna kan "hoppa" från en gitterposition till en annan, flytta från anoden till katod och vice versa. Det är den enda skillnaden i den fungerande delen av batteriet.
Pooja: Avlägsnandet av den flytande elektrolyten och separatorn gör solid-state-batteriet mer kompakt, och med användningen av litiummetallanod ökar den volymetriska energitätheten. Litiumjonerna som hoppar genom det fasta elektrolytgittret är en relativt snabb process men du får också problem med gränssnittet med solid state-batterier, eftersom du har ett solidt gränssnitt vid anoden och katoden, och det kan vara mycket resistivt så det är något att tänka på och är ett aktivt forskningsområde för många industrier som försöker lösa detta.
Pooja: Liksom ett litiumjonbatteri kommer katoden fortfarande att innehålla kobolt, mangan och nickel; vi ersätter bara den flytande elektrolyten.
Pranav: Ja, katoden blir densamma. Det finns mycket förvirring att solid state-batterier inte innehåller kobolt, mangan och nickel, men det är inte nödvändigtvis sant. Det finns en möjlighet att använda olika katoder men de nuvarande kommer fortfarande att användas även med solid state-batterier.
Pooja: En fördel med fasta elektrolyter är att man kan använda högspänningskatoder, som har högre nickel och lägre kobolthalt, och det är en fördel uppenbarligen när det gäller att minska kobolt då det mestadels är oetiskt producerat, och även öka energitätheten som är lika med kapaciteten multiplicerad med driftspänningsfönstret. Anledningen till att fasta elektrolyter kan användas med högspänningskatoder är att eftersom vissa fasta elektrolyter har ett driftsspänningsfönster som är stabilt mellan 0 och 5 V, och 5 V är där många flytande elektrolyter snart börjar sönderdelas, (cirka 3 -4 V). Men med solid state-batterier är det inte så klart vad katodmaterialen kommer att bestå av. Om man använder ett material utan kobolt, nickel eller mangan såsom litiumjärnfosfat (LFP) katod är detta etiskt bättre men med EV då man vill ha en högspänningskatod för ökad energitäthet skulle denna behöva vara nickelbaserad.
En annan punkt är hur du klassificerar de fasta elektrolytmaterialen; du har oorganiska och organiska elektrolyter. Den senare använder vanligtvis någon sorts polymerelektrolyter, men eftersom deras jonledningsförmåga är låg brukar du inte använda dem för EV-applikationer. När du tittar på oorganiska ämnen finns det många klassificeringar - de två viktigaste är oxid- och svavelmaterial. Oxider är en hård keramik och lättillgänglig, men du måste sintra dem vid höga temperaturer cirka 1000 till 1200 o C och det kostar mycket. Svavelbaserade kemier är mjukare material så du behöver inte bearbeta dem vid så hög temperatur, vilket är en fördel, men när svavel reagerar med fukt producerar det H2 S-gas som är giftig, så dessa saker måste beaktas när du har en produktionslinje, samt CO2 utsläpp.
Pooja: En minskning av laddningstider; QuantumScape citerade att dess cell kan laddas till 80 % kapacitet på 15 minuter, vilket är mycket mindre jämfört med branschstandarden idag, vilket är någonstans runt 30-40 minuter, och en av de främsta anledningarna till att du kan göra detta är att det inte finns någon brandfarlig flytande elektrolyt i ett solid state-batteri så att du inte behöver tänka på en ökning av temperaturen när du laddar i snabbare takt.
Pranav: Som Pooja nämnde kommer snabb laddningstid att vara en stor fördel med SSB:er. 80 % på 15 minuter betyder att vi får cirka 26 % laddning på 5 minuter. Även om man antar en räckvidd på 400 km, är det som över 100 km inom 5 minuters snabbladdningstid, vilket låter ganska imponerande. Bortsett från det antar jag att förbättrad batteriförpackning är en annan fördel ur designteknisk synvinkel.
QuantumScape har framgångsrikt staplat sina enlagersceller och säger nu att de kommer att utveckla flerlagers solid state-battericeller när det går över till pilotproduktion
Pooja: Det är svårt att säga eftersom ingen har gjort ett helt paket ännu. Återvinning bör i princip vara möjlig. Men blir det kostnadseffektivt att utvinna materialen genom återvinning? I slutändan beror det på kemin hos den fasta elektrolyten. Fasta elektrolyters fasta natur gör det lättare att extrahera komponenterna jämfört med en flytande elektrolyt. Och om en fast svavelelektrolyt används är svavel väldigt billigt, så det kanske inte är effektivt att återvinnas. Om en keramisk fast elektrolyt används, som kräver högtemperaturbearbetning och därför är dyr att tillverka, och då kan det motivera återvinningskostnader. Jag tror helt enkelt inte att dessa saker har övervägts fullt ut än eftersom vi inte har en solid-state batteri EV ännu.
Pranav: Exakt. Förutom den fasta elektrolytdelen är resten av den samma som ett konventionellt batteri, så när det gäller återvinning bör det fortsätta att utvecklas på samma väg.
BASF bygger ny prototypfabrik för batteriåtervinning i Schwarzheide, Tyskland
Pooja: Solid state-batterier erbjuder dubbel energitäthet och är i sig säkra. Problemet är de tekniska utmaningarna och att skala dessa till storformatsceller för elbilar på ett kostnadseffektivt sätt.
Pranav: När det gäller framsteg står Solid State-batterier (SSB) inför problem på flera nivåer. Ur teknisk synvinkel står SSB:er inför problem med själva elektrolyt-elektrodgränssnittet, som är kontakten mellan den fasta elektrolyten och anoden och katoden. Det solida cellgränssnittet skapar många problem när det gäller energi när jonerna flödar. Det finns också ett problem med det mekaniska tillståndet. Fasta elektrolyter kan eventuellt spricka under trycket från staplingsceller när man skapar ett batteripaket. Sedan finns det kommersialiseringsfrågan att skala dessa batterier till produktionsvolymer.
Pooja: Jag håller med om att produktionen kan vara annorlunda men jag ser inte detta som ett stort problem. Du kan inte riktigt göra solid state-batterier som en cylindrisk cell eftersom de inte är tillräckligt flexibla för att lindas till ett cylindriskt format. Så nuvarande produktionslinjer för litiumjonbatterier måste anpassas till celler av påstyp. Men det finns en fördel med detta eftersom om du kan eliminera användningen av moduler som är dyra och sätta celler i förpackningar direkt, ja du kanske måste ändra ditt cellformat, men du kommer att vinna när det gäller att minska vikt och kostnad.
På längre sikt är det största problemet trycket och dendritproblemet. Den fasta elektrolyten vi pratade om tidigare fungerar också som en barriär som hindrar litiumdendriter från att gå mellan elektroderna och orsaka kortslutning. Genom att applicera stapeltryck kan dendritbildning minskas genom att ge bättre gränssnittskontakt. Till och med QuantumScape som har sagt att deras batteri löser alla kärnutmaningar som har plågat solid state-batterier, såsom kort livslängd och långsam laddningshastighet, cyklar fortfarande celler vid 3,4 atmosfärstryck. Kan vi göra detta i ett rörligt fordon? Ofta rapporteras 1MPa som genomförbart tryck för en EV och därför bör vi sikta på detta. Vi behöver samma cellprestanda för solid state-batterier men under ett realistiskt tryck som vi skulle kunna använda bara genom cellstapling.
Om du använder en svavelelektrolyt finns det fortfarande ett problem i en krasch där svavel exponeras för luft och orsakar att giftiga gaser släpps ut. Oxidelektrolyter producerar inte sådana giftiga gaser, men kräver höga temperaturer för sintring vilket är dyrt. Så det finns en avvägning mellan reducerad elektrolytsintringstemperatur för svavelelektrolyter och kostnaden förknippad med att bygga fuktkänsliga kammare.
Den andra frågan är att bygga tillräckligt många gigafabriker för att minska den totala tillverkningskostnaden för solid state-batterier eftersom de blir dyrare än litiumjon även om de initiala kemikostnaderna är lägre.
Ren elektrisk Volvo C40 och XC40 laddar vid en laddstation Pranav: Det låter ungefär rätt med det nuvarande tillståndet. Det finns inte ens en riktig fullskalig modell tillgänglig ännu. Kommersialiseringsdelen kan bero på hur produktionen av dessa celler anpassas.
Pooja: Att säga om det specifikt är 2030-talet eller 2034 är väldigt svårt eftersom dessa företag tittar på olika fasta elektrolytmaterial och alla kostnader som är förknippade med detta och produktionslinjen kommer att vara annorlunda, så det är för tidigt att säga men jag ser inte att de är billigare än litiumjonbatterier före denna tidsram.
Pooja: Ja, de har faktiskt en fördel eftersom de inte är brandfarliga så du kan ta dem till högre temperaturer och även vid lägre temperaturer där dendriter verkar bildas. Så även om paketet är något dyrare, kan det användas i fler applikationer som flyg- eller högpresterande fordon som kan kräva ett högt temperaturområde under drift. När elbilar blir populära kan företag uppnå skalfördelar genom att öka produktionen och sänka kostnaderna.
Pranav: Ja, det är en av de största höjdpunkterna med solid state-batterier. Brett temperaturområde.
Pranav: Ja. de behöver inte dyra kylsystem. Det finns en möjlighet att de inte behöver något kylsystem. Det betyder också att elbilstillverkare kan använda det utrymmet för att få plats med fler batterier eller paketera den befintliga batteristorleken mer effektivt.
Pooja: Ja precis, och det kan också hjälpa till att sänka produktionskostnaderna.
Pranav: Elfordon för passagerare, det pågår en hel del forskning när det gäller flyg som vi nämnde, så det kan komma upp som en av applikationerna men från vad jag har läst kommer vi först att se dem i elbilar.
Pooja: Ja, jag håller med, men jag skulle nog säga mer lyxiga elbilar, på grund av kostnaden. Alla applikationer där säkerhet och energitäthet är av största vikt och kostnad är inte en fråga, det är där vi kommer att se det först, så flyg som Pranav sa. Jag skulle säga att för nätskala eller marina applikationer där du vill att batterier ska vara mycket billiga och det inte spelar någon roll om energitätheten eller storleken så kommer inte industrierna att se till solid state.
Pranav: Alla biltillverkare måste sätta upp en tidslinje för alla projekt, och 2025 är ett aggressivt mål, även om det är fullt möjligt för en demo, men jag ser inte att den är produktionsklar då.
Pooja: Jag skulle säga från en akademisk sida, vi måste först lösa dendritfrågan. Låt oss säga att vi tar QuantumScapes ord att de har löst dendritproblemet, och att de för tillfället har en tiolagerscell som kommer att utgöra en del av en enda påsecell. Deras första cykeltester har gjorts på en enskiktscell så de måste återskapa dessa resultat på sin tioskiktscell. När cellen med tio lager fungerar bra måste de integrera dessa påsceller i en förpackning, som kommer att vara ett till två år och sedan måste de prova den i ett prototypfordon och samtidigt bygga en produktionslinje. För det första måste vi se om de får den prestanda de behöver när de väl har lagt den i ett helt paket för att se om det är värt att skala för gigafabriker.
Solid Power är ett annat företag som har gjort en 2Ah påscell och de tillverkar för närvarande 20Ah. Även om tidsskalorna är ganska långt tror jag att vi under de kommande åren eller två åtminstone kommer att kunna veta om detta kommer att vara kommersiellt och integrerat i elbilar med de ovannämnda problemen lösta. Det är då det kommer att vara dags att bli upphetsad, men det är inte långt borta:att gå från labb till tillverkning och, om det visar sig vara värt, med tillräckligt med pengar och investerare, att snabbt bygga produktionslinjeanläggningar.
BMW Group och Ford siktar på att använda Solid Powers lågkostnads- och högenergiteknologi för alla solid-state batterier i kommande elfordon Pooja: Jag tror att båda behövs, och i fall av överlägsna applikationer som prestanda/lyxiga elbilar där prestanda och säkerhet är av största vikt kommer vi att ha solid state, men jag ser inte att litiumjon försvinner snart, det är ganska billigt och för saker som energilagringssystem, det är perfekt på grund av deras snabba respons, modularisering och flexibla installation.
Pranav: Jag håller också med Pooja, åtminstone under de närmaste decennierna och tills kostnaderna för solid state-batterier sjunker kommer vi att se att de båda används. Och när det gäller VW:s uttalande tror jag att vi kan se räckvidden öka med upp till 50 procent.
Pooja: Det är en hel del, det finns Samsung, som slog sig ihop med Toyota. Honda och Nissan, sedan finns det Solid Power som BMW och Ford satsar hårt på – som använder en svavelelektrolyt som skiljer sig från QuantumScape som använder en keramisk elektrolyt. Solid Power är också ute efter att ha en kiselanod, vilket är intressant då industrin mest använder litiumanoder. Det finns Solid Energy Systems som General Motors samarbetar med och de använder ett hybridelektrolytsystem - en solid polymerelektrolyt för att skydda litiumanoden men har en flytande elektrolyt.
