Solid state-batteri (fastelektrolytbatteri)

Ett solid state-batteri är en typ av uppladdningsbar cell där den flytande elektrolyten i ett konventionellt litiumjonbatteri byts ut mot ett fast material. Elektrolyten är det medium genom vilket litiumjonerna förflyttar sig mellan de två elektroderna när cellen laddas och laddas ur, och i dagens batterier utgörs den av en brandfarlig vätska eller gel. Att ersätta den med ett fast ämne, oavsett om det är keramik, glas eller en särskild polymer, betraktas allmänt som en av de mest lovande vägarna mot nästa generations elbilsbatterier, med utsikter om längre räckvidd, snabbare laddning och högre säkerhet genom en enda förändring av cellens arkitektur.

Lockelsen med att gå över till fast elektrolyt handlar dels om vad den fasta elektrolyten gör i sig, dels om vad den möjliggör. En fast elektrolyt brinner inte, läcker inte och tål värme avsevärt bättre, vilket eliminerar det farligaste haveriförloppet i litiumjonceller, så kallad termisk rusning, och minskar behovet av skrymmande kylning och skydd. Avgörande är att ett tillräckligt robust fast material kan fungera som en barriär mot de metalliska utväxter, kallade dendriter, som bildas inuti celler och orsakar kortslutningar. Just denna barriär skulle till slut kunna tillåta användning av en ren litiummetallanod i stället för dagens grafit, en förändring som rymmer betydligt mer energi på samma utrymme.

Den högre energitätheten är det centrala löftet. En cell med litiummetallanod bakom en fast elektrolyt skulle kunna lagra väsentligt mer energi för en given vikt och volym, vilket innebär elbilar med längre räckvidd eller, omvänt, samma räckvidd från ett mindre, lättare och billigare batteripaket. Fasta elektrolyter kan i princip också tåla de höga strömmarna vid mycket snabb laddning bättre än vätskor, vilket öppnar för laddningstider mätta i minuter snarare än tiotals minuter, samtidigt som den inbyggda säkerhetsmarginalen låter ingenjörerna packa cellerna tätare.

Svårigheten ligger i att omvandla dessa löften till något som kan tillverkas i miljontal. Att framställa en fast elektrolyt som leder litiumjoner lika lätt som en vätska gör, samtidigt som den behåller perfekt kontakt med elektroderna när dessa sväller och krymper för varje laddningscykel, har visat sig oerhört svårt. Att upprätthålla denna intima kontaktyta över tusentals cykler, att tillförlitligt hålla dendriterna i schack och att göra allt detta till en kostnad och i en skala som passar prisvärda bilar är formidabla tillverkningsutmaningar. Tekniken befinner sig därför till stor del i förkommersiellt skede, föremål för intensiv forskning och pilotlinjer men ännu inte för massmarknadens bilar, med tidplaner som gång på gång har skjutits fram.

Solid state-batteriet förstås bäst som den tilltänkta efterföljaren till det litiumjonbatteri som driver dagens elbilar, inklusive de vanliga NMC- och LFP-kemierna. Där dessa beskriver elektrodernas material, beskriver beteckningen solid state elektrolyten mellan dem, och det främsta skälet till att tekniken väcker så stor uppmärksamhet är dess potential att lyfta batterikapaciteten långt bortom vad nuvarande kemier tillåter.