Även om det är sant att allt mer konkurrenskraftiga elbilsmodeller dyker upp, för att elektrisk mobilitet ska bli verklighet bör den autonomi som elfordon erbjuder vara ännu större.
Och det är just den grundläggande uppgiften för solid-state-batterier, förutom att erbjuda större stabilitet och säkerhet.
Solid-state batteriteknik är en utveckling av dagens litiumjon (Li-Ion) batterier; används inte bara i elfordon utan också i alla typer av elektroniska enheter, som smartphones.
John B. Goodenough –en tysk-amerikansk vetenskapsman och fysiker, meduppfinnare av litiumjonbatterier – vid hans 97-års ålder leder han också utvecklingen av solid-state-batteriet som använder oorganiska kristallelektrolyter . Och han är faktiskt inte ensam om denna forskning, eftersom University of California i San Diego också har investerat i oorganiska fasta ämnen som keramiska oxider och svavelglas.
Införandet av fasta elektrolyter på marknaden kommer att göra det möjligt att ge större autonomi , bättre säkerhet och stabilitet, minskar ekonomiska kostnader och erbjuder mycket kortare laddningsperioder .
Å ena sidan består litiumjonbatteriet av två elektroder; katod och anod, som delas av en separator, inbäddade i en cell och nedsänkta i elektrolyten , en ledande vätska som kemiskt reagerar de nödvändiga jonerna mellan elektroderna. Och kombinationen av flera celler bildar batteriet.
Tja, när vi sätter på vårt fordon, aktiveras dessa kemiska reaktioner och startar joncirkulationen mellan elektroderna, producerar elektroner, överför dem till batteriklämmorna och genererar energi. Och när vi laddar batteriet cirkulerar partiklarna i motsatt riktning och den omvända processen äger rum.
Som vi vet har dessa batterier en begränsad livslängd från 8 till 10 år , vilket motsvarar ungefär 3 000 kompletta laddningscykler . Detta beror på det faktum att flytande litium med tiden stelnar och skapar små håligheter som kallas dendriter , som gör sig skyldiga till att försvaga batteriet, orsaka överhettning och kortslutning.
Och inte bara det, utan ett annat problem med flytande elektrolyt är att det är brandfarligt , som kräver säkerhets- och kylsystem för att förhindra värmeuppbyggnad och kapacitetsförluster. Och allt detta innebär högre kostnad, vikt och volym för batteriet.
Å andra sidan faller den största skillnaden i solid-state batteri på elektrolyten som i det här fallet är ett fast ämne snarare än en vätska. Med andra ord innehåller dessa batteriers energilagringsceller inte en ledande vätska, utan består av en fast förening som har samma funktion som den flytande elektrolyten:den överför joner mellan elektroderna för att generera energi.
Den övergripande prestandan är densamma, men med en oorganisk fast elektrolyt underlättar flera aspekter. För att vara mer specifik har John B. Goodenoughs team, i samarbete med ingenjör Maria Helena Braga, redan lämnat in sitt patent på solid glaselektrolyt i april 2020. Dess version har en alkalisk metallanod som gör det möjligt att öka energitätheten och batteritiden.
Tack vare Spring8-bilder kan vi få en uppfattning om hur dessa nya batterier fungerar när det gäller nuvarande litiumjonbatterier.
Lägre produktions- och försäljningskostnader, större säkerhet, obrännbart, längre livslängd, högre energitäthet och större möjligheter till återvinning.
Att använda en fast förening i cellerna ger en högre energitäthet, vilket innebär en högre energilagringskapacitet. När det gäller glas är det kapabelt att lagra mer energi i mindre vikt.
För att vara mer specifik skulle den här typen av batteri kunna lagra upp till tre eller till och med fem gånger mer energi än dess litiumjonekvivalent. Därför betyder det att de tillåter mycket högre autonomi .
Dessutom gör de det inte bara möjligt att förlänga laddnings- och urladdningscyklerna (vilket gör det möjligt att öka deras livslängd), men de minskar också passiv dränering (urladdningsprocessen av batteriet när det inte används).
Litiumglasbatterierna som utvecklats av John B. Goodenough klarar mer än 20 000 fulla laddningscykler (i laboratorietester har de överskridit 23 000 cykler ).
Solid-state elektrolyter påskyndar laddningen och ger mycket kortare laddningstider (bara inom några minuter), eftersom dessa tider förkortas med upp till sex gånger jämfört med nuvarande litiumjonbatterier.
Detta beror på det faktum att batteriet, som består av en fast oorganisk förening (som glas), möjliggör enklare och snabbare förflyttning mellan elektroderna.
Genom att förhindra bildning av dendriter och eliminera risken för explosion och brand –vilket nuvarande litiumjonbatterier faktiskt har (även om låt oss komma ihåg att brandrisken är fyra gånger högre i en bensin eller diesel än i en elektrisk) – är det möjligt att ytterligare öka säkerheten.
Därför behöver solida elektrolytbatterier, eftersom de är mycket mindre uppvärmda, inte säkerhets- eller kylsystem för att förhindra värmeuppbyggnad. De behöver inte heller separatorer mellan elektroderna, eller det skyddande vattentäta höljet som trots allt summerar till kostnaden, vikten och mer än halva volymen för Li-ion-batterier.
Och som om det inte vore nog fungerar dessa nya batterier optimalt även vid extrema temperaturer ner till -20°C.
Massproduktion är fortfarande på ett forskningsstadium, men om vi talar om ett material som glas, som är lätt och snabbt att tillverka, skulle det tillåta den totala kostnaden av både själva batteriet och själva elfordonet för att reduceras kraftigt . Det skulle också göra det möjligt att tillverka cellerna av mycket mer hållbara material än de nuvarande litiumjonerna.
En annan mycket viktig punkt att ta hänsyn till är att dessa batterier skulle göra det möjligt att eliminera praktiskt taget all kobolt närvarande i cellerna; en mycket dyr, knapp och ohållbar råvara.
Inledningsvis förväntades det inte att denna typ av batteri skulle marknadsföras på minst ett decennium . Men mer än bara en tillverkare har redan börjat investera i denna typ av teknik och till och med utveckla sitt eget patent, som John B. Goodenough och Samsung har gjort. Toyota, Porsche, BMW, Fisker, Hyundai, General Motors, Honda, Nissan, Daimler och Volkswagen är exempel på varumärken som redan investerar i dess utveckling.
Samsung presenterade i mars 2020 sina framsteg inom utvecklingen av solida elektrolytbatterier, vars prototyp lovar att producera batterier som är 50 % mindre än de nuvarande. Företaget uppskattar att det inom ett par år kan introducera sin första smartphone med denna nya teknik.
Toyota t.ex. hade hittills vägrat att tillverka helelektriska bilar eftersom man ansåg att det fortfarande fanns två mycket tydliga begränsningar:laddtider och elfordons räckvidd. Nåväl, nu, med utvecklingen av solida elektrolyter, kommer Toyota äntligen att lansera sin första 100 % elbil med solid-state elektrolytbatteri år 2022.
Vi pratar om den nya C-HR EV som i april förra året redan har landat hos de första kinesiska återförsäljarna, men i Europa lär det ta åtminstone ett par år till att komma fram. Under det nya företaget Prime Planet Energy &Solutions, det nya samriskföretaget med Panasonic, förväntades det att varumärket i år skulle presenteras vid Olympiska spelen i Tokyo en elbil som drivs av batterier med fast elektrolyt, men på grund av coronaviruset får vi vänta lite längre!
En ny studie från MIT (Massachusetts Institute of Technology) arbetar också med designen av en metallanod gjord av rent litium.
Prologium (Taiwanesisk batteritillverkare) tillkännagav i början av detta år på CES (världsscenen där tekniska innovationer presenteras) ett avtal med olika biltillverkare om att installera de nya högspänningssolid-state batterierna med keramisk elektrolyt (baserat på MAB, Multi Axis BiPolar+ teknik) i sina elbilar. Under tiden KITECH (Korea Institute of Industrial Technology) vill inte heller stå på efterkälken med denna lovande nya teknik.
Vissa påpekar att framtiden för solid-state-batteriet kommer att vara att använda kisel istället för glas, andra att det mest lovande är att använda natrium(salt)baserat glas, eftersom det är ett mycket vanligt material på jorden och har låg miljöpåverkan. .
Men även om både metod och implementeringstid för denna teknik är något osäker och måste utföras med hänsyn till återanvändnings- och återvinningskriterier och processer, vad som är klart är att det kommer att innebära en riktig revolution och inte bara inom elektrisk mobilitet utan inom hela elektronikindustrin.
Kan du tänka dig att privata transporter, tung sjöfart, flyg och marina områden drivs av hållbara elbatterier? Ett definitivt adjö till förbränningsmotorn och föroreningar. En dröm som gick i uppfyllelse?
