Μπαταρία στερεάς κατάστασης (solid-state)

Η μπαταρία στερεάς κατάστασης είναι ένας τύπος επαναφορτιζόμενου στοιχείου στο οποίο ο υγρός ηλεκτρολύτης που συναντάται στη συμβατική μπαταρία ιόντων λιθίου αντικαθίσταται από στερεό υλικό. Ο ηλεκτρολύτης αποτελεί το μέσο μέσα από το οποίο τα ιόντα λιθίου μετακινούνται ανάμεσα στα δύο ηλεκτρόδια κατά τη φόρτιση και την εκφόρτιση του στοιχείου, ενώ στις σημερινές μπαταρίες πρόκειται για εύφλεκτο υγρό ή γέλη. Η αντικατάστασή του από στερεό, είτε αυτό είναι κεραμικό, γυαλί ή κάποιο ειδικό πολυμερές, θεωρείται ευρέως ως μία από τις πλέον υποσχόμενες οδούς προς τη νέα γενιά μπαταριών για ηλεκτρικά αυτοκίνητα, καθώς από μια και μόνο αλλαγή αρχιτεκτονικής ανοίγει η προοπτική για μεγαλύτερη αυτονομία, ταχύτερη φόρτιση και υψηλότερη ασφάλεια.

Η ελκυστικότητα της στερεάς λύσης οφείλεται εν μέρει σε αυτό που κάνει ο ίδιος ο στερεός ηλεκτρολύτης και εν μέρει σε αυτό που καθιστά εφικτό. Ένας στερεός ηλεκτρολύτης δεν αναφλέγεται, δεν διαρρέει και είναι πολύ πιο ανεκτικός στη θερμότητα, γεγονός που εξαλείφει τον πιο επικίνδυνο τρόπο αστοχίας των στοιχείων ιόντων λιθίου, τη θερμική διαφυγή (thermal runaway), και μειώνει την ανάγκη για ογκώδη συστήματα ψύξης και προστασίας. Καθοριστικό είναι ότι ένα αρκετά ανθεκτικό στερεό μπορεί να λειτουργήσει ως φραγμός απέναντι στις μεταλλικές προεξοχές, γνωστές ως δενδρίτες, που αναπτύσσονται στο εσωτερικό των στοιχείων και προκαλούν βραχυκυκλώματα. Αυτός ακριβώς ο φραγμός θα μπορούσε επιτέλους να επιτρέψει τη χρήση καθαρής ανόδου μεταλλικού λιθίου στη θέση του σημερινού γραφίτη, μια αλλαγή που συμπυκνώνει πολύ περισσότερη ενέργεια στον ίδιο χώρο.

Αυτή η αυξημένη ενεργειακή πυκνότητα είναι και η κορυφαία υπόσχεση. Ένα στοιχείο με άνοδο μεταλλικού λιθίου πίσω από στερεό ηλεκτρολύτη θα μπορούσε να αποθηκεύσει ουσιαστικά περισσότερη ενέργεια για δεδομένο βάρος και όγκο, κάτι που μεταφράζεται σε ηλεκτρικά αυτοκίνητα με μεγαλύτερη αυτονομία ή, αντίστροφα, σε ίδια αυτονομία από μικρότερη, ελαφρύτερη και φθηνότερη συστοιχία μπαταρίας. Οι στερεοί ηλεκτρολύτες μπορούν επίσης, καταρχήν, να ανέχονται καλύτερα από τα υγρά τα υψηλά ρεύματα της πολύ ταχείας φόρτισης, ανοίγοντας την προοπτική για χρόνους φόρτισης που μετριούνται σε λεπτά αντί για δεκάδες λεπτά, ενώ το εγγενές περιθώριο ασφαλείας επιτρέπει στους μηχανικούς να τοποθετούν τα στοιχεία πιο πυκνά.

Η δυσκολία βρίσκεται στη μετατροπή αυτών των υποσχέσεων σε κάτι που μπορεί να κατασκευαστεί σε εκατομμύρια κομμάτια. Η δημιουργία ενός στερεού ηλεκτρολύτη που να άγει τα ιόντα λιθίου τόσο εύκολα όσο ένα υγρό, διατηρώντας παράλληλα τέλεια επαφή με τα ηλεκτρόδια καθώς αυτά διαστέλλονται και συστέλλονται σε κάθε κύκλο φόρτισης, αποδεικνύεται εξαιρετικά δύσκολη. Η διατήρηση αυτής της στενής διεπαφής επί χιλιάδες κύκλους, η αξιόπιστη καταστολή των δενδριτών και η επίτευξη όλων αυτών σε κόστος και κλίμακα κατάλληλα για προσιτά αυτοκίνητα συνιστούν τρομερές προκλήσεις παραγωγής. Ως αποτέλεσμα, η τεχνολογία παραμένει σε μεγάλο βαθμό προπαραγωγική, αντικείμενο εντατικής έρευνας και πιλοτικών γραμμών παραγωγής αλλά όχι ακόμη αυτοκινήτων μαζικής αγοράς, με χρονοδιαγράμματα που έχουν επανειλημμένα μετατεθεί.

Η μπαταρία στερεάς κατάστασης κατανοείται καλύτερα ως η εν δυνάμει διάδοχος της μπαταρίας ιόντων λιθίου που τροφοδοτεί σήμερα τα ηλεκτρικά αυτοκίνητα, συμπεριλαμβανομένων των κοινών χημειών NMC και LFP. Εκεί όπου εκείνες περιγράφουν τα υλικά των ηλεκτροδίων, ο όρος στερεάς κατάστασης περιγράφει τον ηλεκτρολύτη ανάμεσά τους, και ο κεντρικός λόγος που η τεχνολογία προσελκύει τόση προσοχή είναι η δυνατότητά της να ανεβάσει τη χωρητικότητα των μπαταριών αρκετά πέρα από όσα επιτρέπουν οι σημερινές χημείες.