I en verden, hvor vores afhængighed af batterier er stigende i takt med vores behov for mobilitet og bæredygtighed, er forskningen i batteriteknologi af afgørende betydning. En banebrydende udvikling inden for batterier er skiftet til faststofbatterier (På engelsk Solid State Batteries), som har potentiale til at forvandle vores energilagringskapacitet. Disse batterier kan lagre næsten dobbelt så meget energi som traditionelle lithium-ion batterier og er samtidig langt mere sikre. I denne artikel vil vi udforske faststofbatterier, deres fordele og den seneste forskning, der baner vejen for deres fremtidige kommercielle anvendelse.
Baggrund: Traditionelle Batterier og deres Udfordringer
Traditionelle batterier fungerer ved hjælp af kemiske reaktioner mellem to elektroder: den negativt ladede anode, hvor elektroner strømmer ud af batteriet, og den positivt ladede katode, hvor elektroner kan strømme ind i batteriet. De elektroder, der anvendes i typiske lithium-ion batterier, er lavet af materialer, hvis struktur kan lagre og frigive elektrisk ladede lithiumioner. Anoden består ofte af grafitt, mens katoden ofte er en metaloxid. Disse elektrode materialer er belagt på metalfoils, der opsamler den genererede strøm – typisk kobber til anoden og aluminium til katoden.
I lithium-ion batterier interagerer elektroderne typisk gennem flydende eller gel-elektrolytter. Faststofbatterier benytter derimod faste elektrolytter lavet af materialer som keramik.
Faststofelektrolytter er mere kompakte end flydende eller gel-elektrolytter. Dette betyder, at faststofbatterier kan producere mere energi end konventionelle batterier med den samme vægt eller plads. Derudover er faststofbatterier meget sikrere end deres konventionelle modstykker, der bruger organiske flydende elektrolytter, der typisk er brandfarlige.
“Du fjerner i virkeligheden halvdelen af batteriets interne materiale,” siger studiets hovedforfatter David Mitlin, en materialeforsker fra University of Texas i Austin.
Udfordringer for Faststofbatterier
Der er dog stadig mange udfordringer forbundet med udviklingen af stabile og brugbare faststofbatterier. Tidligere forskning har vist, at sulfidbaserede faststofelektrolytter kan hjælpe med at skabe batterier, der kan lagre meget energi. Men sulfiderne i disse elektrolytter kan reagere med begge elektroder, hvilket genererer forbindelser, der hæmmer strømmen af elektricitet inden i batterierne.
En måde, hvorpå forskere har forsøgt at forbedre faststofbatterier på, er ved at erstatte de konventionelle grafittanoder udelukkende med en kobberfolie-strømopsamler. Denne strategi kunne markant øge, hvor meget energi disse batterier kan holde. “Du eliminerer faktisk halvdelen af batteriets interne materiale,” siger studiets seniorforfatter David Mitlin, en materialeforsker ved University of Texas i Austin. Brugen af mindre materiale reducerer også omkostningerne, tilføjer han.
Den Nyeste Forskning i Faststofbatterier
En af de udfordringer, som forskning på anode-fri faststofbatterier har stået over for, er problemet med at gennemgå cyklusser af afladning og opladning på en stabil måde. I en ny undersøgelse har forskere imidlertid vist, at en ny belægning kan overvinde dette problem.
Forskerne eksperimenterede med et anode-fri faststofbatteri med en sulfidbaseret faststofelektrolyt. De undersøgte belægning af dets kobber-strømopsamler med ultratyndt lithium-aktiveret tellurium. Målet var at kontrollere, hvordan lithiummetallet spredte sig over eller “befugtede” kobberet. De fandt, at denne nye belægning hjalp lithiummetallet med at afsætte sig og opløses fra kobber-strømopsamleren i et tyndt ensartet lag.
Uden denne nye belægning fandt forskerne, at kobberfolien blev dækket af uregelmæssige mikroskopiske strukturer under opladning og afladning. Dette inkluderede spidse dendritter, der “kan og vil føre til batterikortslutninger mellem anoden og katoden, hvilket i sin tur kan forårsage batteribrænding,” siger Mitlin. De omfattede også klumper af “død metal” og skorper af honningkage-lignende materiale, der hæmmede batteriets ydeevne. “Det er som at have en motor, der er dækket af et tykt lag rust indeni,” siger han.
Fremtiden for Faststofbatterier
Det nye batteri kan holde 72 procent mere energi efter vægt og 95 procent mere energi efter volumen end kommercielle lithium-ion batterier. Forskerne bemærker, at de kan producere den nye belægning på disse kobber-strømopsamlere ved hjælp af standardfabrikationsteknikker. Dette kan hjælpe med at gøre det nemt at skalere produktionen af disse nye batterier op, tilføjer de.
“Disse resultater kan give de afgørende brikker til bred kommerciel anvendelse af anode-fri og faststofbatterier,” siger Mitlin. Dog påpeger han stadig, at selvom denne forskning kan løse et kritisk problem med anode-fri faststof-lithiumbatterier, kræves der stadig en betydelig udvikling
Toyota’s Planer om Faststofbatterier: Hvornår Kan Vi Forvente Dem?
Toyota, en af de førende bilproducenter i verden, har annonceret planer om at fremstille kommercielle faststofbatterier inden 2027-2028. Denne spændende nyhed kan potentielt revolutionere transportsektoren ved at levere biler med en hidtil uset rækkevidde og lynhurtig opladning.
Rækkevidde og Opladning: Et Gennembrud i Venteværelsen
Hvis Toyota’s mål opnås, forventes almindelige biler udstyret med faststofbatterier at have en utrolig rækkevidde på 1.200 kilometer på en enkelt opladning. Dette vil markere et afgørende gennembrud for elbiler, der ofte er begrænset af deres rækkevidde. Samtidig forventes opladningstiden at blive reduceret til kun 10 minutter, hvilket er en dramatisk forbedring i forhold til de nuværende opladningstider.
Udfordringen med Produktion: Præcision og Hastighed
Selvom Toyota har sat ambitiøse mål, er der udfordringer forbundet med at fremstille faststofbatterier i stor skala. En af de mest kritiske faser i produktionen er selve samleprocessen for batterierne. Denne proces kræver meget høj præcision og hastighed for at sikre, at batterierne er pålidelige og sikre.
Faststofbatterier adskiller sig fra konventionelle lithium-ion batterier ved at bruge faste elektrolytter i stedet for flydende. Dette gør dem sikrere og mere energitætte, men det stiller også krav til produktionsprocessen. Toyota investerer betydelige ressourcer i at udvikle den nødvendige teknologi og knowhow for at gøre dette muligt.
Konsekvenser for Bilindustrien og Samfundet
Hvis Toyota lykkes med at bringe faststofbatterier på markedet inden for de næste få år, vil det have dybtgående konsekvenser for bilindustrien og samfundet som helhed. Elbiler vil blive mere attraktive med længere rækkevidde og kortere opladningstider, hvilket kan fremskynde overgangen til grønnere transportmuligheder.
Desuden vil de forbedrede batterier ikke kun være gavnlige for personbiler, men også for lastbiler og andre transportmidler, der kræver lang rækkevidde og hurtig opladning. Dette kan potentielt reducere CO2-udledningen og gøre transportsektoren mere bæredygtig.
I sidste ende er Toyotas planer om at introducere faststofbatterier et spændende skridt fremad, der kan ændre måden, vi tænker på energilagring og transport på. Det er et område, der er værd at følge tæt, da det kan forme vores fremtidige mobilitet og miljøansvar.
Fakta om faststofbatterier
Selvom faststofbatterier stadig er i forsknings- og udviklingsfasen, er der allerede en række fakta om dem, både hvad angår nutiden og fremtiden:
Nutidens Fakta om Faststofbatterier:
- Øget Energilagringskapacitet: Nutidens faststofbatterier har vist sig at have en højere energilagringskapacitet sammenlignet med traditionelle lithium-ion batterier. De kan typisk lagre næsten dobbelt så meget energi for den samme mængde vægt eller volumen.
- Forbedret Sikkerhed: En af de mest bemærkelsesværdige fordele ved faststofbatterier er deres øgede sikkerhed. De anvender ikke de brandfarlige organiske elektrolytter, der findes i lithium-ion batterier, hvilket reducerer risikoen for brand og eksplosioner markant.
- Lavere Selvafladning: Faststofbatterier har også vist sig at have en lavere selvafladning, hvilket betyder, at de kan bevare deres opladning i længere tid uden tab af energi. Dette gør dem ideelle til anvendelser, hvor konstant strøm er afgørende.
- Længere Levetid: Faststofbatterier har potentiale til at have en længere levetid end konventionelle batterier. Denne øgede levetid kan reducere behovet for hyppig udskiftning af batterier og dermed reducere affald.
Fremtidens Fakta om Faststofbatterier:
- Kommerciel Skalering: Selvom der er gjort betydelige fremskridt inden for forskningen i faststofbatterier, er de endnu ikke blevet fuldt ud kommercielt udviklet eller udbredt. Fremtidige fakta vil inkludere opskalering af produktionen for at gøre dem mere tilgængelige for forbrugerne.
- Anvendelse i Transportsektoren: En af de mest spændende fremtidige anvendelser af faststofbatterier er i transportsektoren, især i elbiler. De højere energilagringskapaciteter og øgede sikkerhedsegenskaber kan revolutionere elektrisk transport ved at øge rækkevidden og pålideligheden af elbiler.
- Forbedret Opladningstid: Forskere arbejder på at reducere opladningstiden for faststofbatterier, hvilket gør dem mere praktiske for daglig brug. Hurtigere opladning vil øge deres appel og anvendelighed.
- Inddragelse af Grøn Energi: Faststofbatterier har potentiale til at spille en afgørende rolle i integrationen af vedvarende energikilder som sol- og vindenergi. De kan lagre overskydende energi og frigive den, når det er nødvendigt, hvilket hjælper med at stabilisere energiforsyningen.
- Reduktion af Ressourceafhængighed: Fremtidens faststofbatterier vil sandsynligvis også fokusere på at reducere afhængigheden af sjældne og dyre materialer som kobolt, hvilket vil gøre batterierne mere bæredygtige og omkostningseffektive.
Sammenfattende er faststofbatterier en spændende teknologisk udvikling med potentiale til at revolutionere energilagring og transportsektoren. Selvom de stadig har nogle udfordringer at overvinde, kan fremtidens faststofbatterier bidrage til at opfylde vores stigende behov for bæredygtig og pålidelig energi.
Foto af form PxHere
Kilde: spectrum.ieee.org