Solid state-batteri (faststofbatteri)

Et faststofbatteri er en type genopladelig celle, hvor den flydende elektrolyt fra et almindeligt lithium-ion-batteri er udskiftet med et fast materiale. Elektrolytten er det medium, som lithium-ionerne vandrer igennem mellem de to elektroder, når cellen lades op og aflades, og i nutidens batterier er den en brandfarlig væske eller gel. At skifte den ud med et fast stof, hvad enten det er en keramik, et glas eller en særlig polymer, betragtes bredt som en af de mest lovende veje til næste generation af batterier til elbiler, fordi en enkelt ændring af arkitekturen åbner for længere rækkevidde, hurtigere opladning og højere sikkerhed.

Det tiltrækkende ved faste elektrolytter handler dels om, hvad selve det faste stof gør, og dels om, hvad det gør muligt. En fast elektrolyt brænder ikke, lækker ikke og tåler varme langt bedre, hvilket fjerner den farligste fejltilstand ved lithium-ion-celler, den termiske løbskhed, og mindsker behovet for omfangsrig køling og beskyttelse. Helt afgørende kan et tilstrækkeligt robust fast stof virke som en barriere mod de metalliske udvækster, kaldet dendritter, der dannes inde i cellerne og fører til kortslutning. Netop den barriere kan endelig gøre det muligt at bruge en ren lithium-metal-anode i stedet for nutidens grafit, en ændring der pakker langt mere energi ind på samme plads.

Denne ekstra energitæthed er det helt store løfte. En celle med en lithium-metal-anode bag en fast elektrolyt kan lagre væsentligt mere energi for en given vægt og volumen, hvilket giver elbiler med længere rækkevidde eller omvendt samme rækkevidde fra en mindre, lettere og billigere batteripakke. Faste elektrolytter kan i princippet også tåle de høje strømme ved meget hurtig opladning bedre end væsker, hvilket rejser udsigten til opladningstider på minutter frem for snese af minutter, mens den indbyggede sikkerhedsmargin lader ingeniørerne pakke cellerne tættere.

Vanskeligheden ligger i at omsætte disse løfter til noget, der kan fremstilles i millionvis. Det har vist sig overordentlig svært at lave en fast elektrolyt, der leder lithium-ioner lige så villigt som en væske, samtidig med at den bevarer perfekt kontakt med elektroderne, mens de udvider sig og trækker sig sammen ved hver opladningscyklus. At opretholde den tætte grænseflade over tusinder af cyklusser, dæmpe dendritter pålideligt og gøre alt dette til en pris og i et omfang, der passer til prisbillige biler, er formidable produktionsudfordringer. Derfor er teknologien stadig i alt væsentligt før-produktion, genstand for intens forskning og pilotlinjer, men endnu ikke for masseproducerede biler, med tidsplaner der gentagne gange er skredet.

Faststofbatteriet forstås bedst som den kommende efterfølger til det lithium-ion-batteri, der driver nutidens elbiler, herunder de udbredte NMC- og LFP-kemier. Hvor de betegner materialerne i elektroderne, betegner mærkatet faststof elektrolytten imellem dem, og den centrale grund til, at teknologien tiltrækker så megen opmærksomhed, er dens potentiale for at løfte batterikapaciteten langt ud over, hvad de nuværende kemier tillader.