Faststoffbatteri (solid-state)

Et faststoffbatteri er en oppladbar celletype der den flytende elektrolytten i et vanlig litiumionebatteri er erstattet med et fast materiale. Elektrolytten er mediet som litiumionene vandrer gjennom mellom de to elektrodene når cellen lades opp og ut, og i dagens batterier er den en brennbar væske eller gel. Å bytte den ut med et fast stoff, enten en keramikk, et glass eller en spesiell polymer, regnes som en av de mest lovende veiene til neste generasjon elbilbatterier, fordi én enkelt endring i oppbyggingen kan gi både mer rekkevidde, raskere lading og bedre sikkerhet.

Gevinsten ved å gå over til fast elektrolytt handler dels om hva selve elektrolytten gjør, dels om hva den åpner for. En fast elektrolytt brenner ikke, lekker ikke og tåler langt høyere temperaturer, noe som fjerner den farligste sviktmekanismen i litiumioneceller, termisk rømning (thermal runaway), og reduserer behovet for omfattende kjøling og beskyttelse. Vel så viktig er at et tilstrekkelig robust fast materiale kan virke som en sperre mot de metalliske utvekstene, kalt dendritter, som vokser inne i cellene og forårsaker kortslutninger. Nettopp denne sperren kan endelig gjøre det mulig å bruke en ren litiummetallanode i stedet for dagens grafitt, en endring som rommer langt mer energi på samme plass.

Denne høyere energitettheten er det viktigste løftet. En celle med litiummetallanode bak en fast elektrolytt kan lagre vesentlig mer energi for en gitt vekt og et gitt volum, noe som gir elbiler med lengre rekkevidde, eller motsatt samme rekkevidde fra en mindre, lettere og rimeligere batteripakke. Faste elektrolytter kan i prinsippet også tåle de høye strømmene ved svært hurtig lading bedre enn væsker, slik at ladetidene kan måles i minutter snarere enn titalls minutter, mens den iboende sikkerhetsmarginen lar ingeniørene pakke cellene tettere.

Utfordringen ligger i å gjøre disse løftene til noe som kan produseres i millioner. Å lage en fast elektrolytt som leder litiumioner like lett som en væske, samtidig som den holder perfekt kontakt med elektrodene mens de sveller og krymper for hver ladesyklus, har vist seg svært vanskelig. Å bevare denne tette kontakten over tusenvis av sykluser, undertrykke dendritter pålitelig og få til alt dette til en kostnad og i et volum som passer for rimelige biler, er formidable produksjonsutfordringer. Derfor er teknologien fortsatt i hovedsak før-produksjon, gjenstand for intens forskning og pilotlinjer, men ennå ikke for masseproduserte biler, og tidsplanene har gjentatte ganger blitt skjøvet.

Faststoffbatteriet er best å forstå som den mulige arvtakeren etter litiumionebatteriet som driver dagens elbiler, inkludert de vanlige NMC- og LFP-kjemiene. Der disse beskriver materialene i elektrodene, beskriver betegnelsen faststoff elektrolytten mellom dem, og hovedgrunnen til at teknologien får så mye oppmerksomhet, er at den kan løfte batterikapasiteten langt forbi det dagens kjemier tillater.