Wat is een solid-state batterij en lossen ze onze batterijproblemen op?

Mobiele technologie neemt exponentieel toe in kracht, maar de batterijtechnologie houdt het niet bij. We bereiken de fysieke grenzen van wat conventionele lithium-ion- en lithium-polymeerontwerpen kunnen doen. De oplossing kan iets zijn dat een solid-state batterij wordt genoemd.

Wat is een Solid State-batterij??

Bij een gebruikelijk batterijontwerp - meestal lithium-ion-twee metalen elektroden worden gebruikt met een vloeibaar lithiumzout dat werkt als een elektrolyt. Ionische deeltjes verplaatsen zich van de ene elektrode (de kathode) naar de andere (de anode) wanneer de batterij wordt opgeladen en in omgekeerde richting wanneer deze wordt ontladen. De vloeibare lithiumzoutelektrolyt is het medium dat die beweging mogelijk maakt. Als je ooit een accu hebt zien corroderen of een lekke band hebt gekregen, is het "accuzuur" dat uittreedt (of soms explodeert) het vloeibare elektrolyt.

In een solid-state batterij zijn zowel de positieve als negatieve elektroden en de elektrolyt ertussen vaste stukken metaal, legering of een ander synthetisch materiaal. De term "solid-state" herinnert u mogelijk aan SSD-gegevensstations en dat is geen toeval. Solid-state storage drives gebruiken flash-geheugen, dat niet beweegt, in tegenstelling tot een standaard harde schijf, die gegevens opslaat op een draaiende magnetische schijf aangedreven door een kleine motor.

Hoewel het idee van solid-state batterijen al tientallen jaren bestaat, zijn de ontwikkelingen in hun ontwikkeling nog maar net begonnen, momenteel gestimuleerd door investeringen van elektronicabedrijven, autofabrikanten en algemene industriële providers.

Wat is er beter over Solid State-batterijen?

Solid-state batterijen beloven een paar duidelijke voordelen ten opzichte van hun met vloeistof gevulde neven: een betere levensduur van de batterij, snellere oplaadtijden en een veiligere ervaring.

Solid-state batterijen comprimeren de anode, kathode en elektrolyt in drie platte lagen in plaats van de elektroden op te hangen in een vloeibaar elektrolyt. Dat betekent dat u ze kleiner kunt maken - of op zijn minst platter - terwijl u evenveel energie vasthoudt als een grotere op vloeistof gebaseerde batterij. Dus als u de lithium-ion- of lithium-polymeerbatterij in uw telefoon of laptop hebt vervangen door een solid-state batterij van hetzelfde formaat, zou deze een veel langere oplaadtijd krijgen. Als alternatief kunt u een apparaat maken dat dezelfde lading veel kleiner of dunner houdt.

Solid-state batterijen zijn ook veiliger, omdat er geen giftige, brandbare vloeistof is om te morsen en ze niet zoveel warmte produceren als conventionele oplaadbare batterijen. Wanneer ze worden toegepast op batterijen die stroomelektronica of zelfs elektrische auto's voeden, kunnen ze veel sneller opladen, ook ionen kunnen veel sneller van de kathode naar de anode bewegen.

Volgens het laatste onderzoek zou een solid-state batterij de conventionele oplaadbare batterijen met 500% of meer kunnen overtreffen qua capaciteit en in de tiende van de keer opladen.

Wat zijn de nadelen?

Omdat solid-state batterijen een opkomende technologie zijn, zijn ze ongelooflijk duur om te produceren. Zo duur zelfs, dat ze op het moment van schrijven niet in een belangrijke elektronica van consumentenklasse zijn geïnstalleerd. In 2012 schatten analisten die schrijven voor de Software Analysis and Advanced Materials Processing-afdeling van de Universiteit van Florida dat een typische mobiele batterij in vaste toestand ongeveer $ 15.000 kost om te produceren. Eén groot genoeg om een ​​elektrische auto van stroom te voorzien zou $ 100.000 kosten.

Een solid-state batterij maken die groot genoeg is om uw telefoon van stroom te voorzien kost vandaag duizenden dollars.

Dit komt deels omdat de schaalvoordelen niet aanwezig zijn - honderden miljoenen oplaadbare batterijen worden nu elk jaar gemaakt, dus de productiekosten van de materialen en apparatuur zijn verdeeld over enorme toevoerlijnen. Er zijn maar een paar bedrijven en universiteiten die onderzoek doen naar solid-state batterijen, dus de kosten om ze te produceren zijn astronomisch.

Een ander probleem is het materiaal. Hoewel de eigenschappen van verschillende metalen, legeringen en metaalzouten die worden gebruikt voor conventionele oplaadbare batterijen algemeen bekend zijn, weten we op dit moment niet de beste chemische en atomaire samenstelling voor een vaste elektrolyt tussen metalen anodes en kathoden. Het huidige onderzoek verengt dit, maar we moeten betrouwbaardere gegevens verzamelen voordat we de materialen kunnen verzamelen of synthetiseren en kunnen investeren in productieprocessen..

Wanneer krijg ik een solid-state batterij te gebruiken?

Zoals met alle opkomende technologie, is het raadselachtig om te proberen uit te vinden wanneer je het in de hand hebt.

Het is bemoedigend dat veel enorme bedrijven investeren in het onderzoek dat nodig is om solid-state batterijen in de consumentenmarkt te brengen, maar schuw voor een grote doorbraak in de nabije toekomst, is het moeilijk te zeggen of er een grote sprong voorwaarts zal zijn. Ten minste één autobedrijf zegt dat het klaar zal zijn om er in 2023 een in een voertuig te stoppen, maar raadt niet hoeveel deze auto kan kosten. Vijf jaar lijkt overdreven optimistisch; tien jaar lijkt meer waarschijnlijk. Het kan twintig jaar of langer duren voordat de materialen zijn opgelost en de productieprocessen zijn ontwikkeld.

Maar zoals we aan het begin van het artikel al zeiden, begint conventionele batterijtechnologie een muur te raken. En er is niets boven potentiële verkoop die aanspoort tot onderzoek en ontwikkeling. Het is op zijn minst enigszins (heel, heel licht) mogelijk dat je binnenkort een gadget kunt gebruiken of een auto kunt besturen die wordt aangedreven door een solid-state batterij.

Afbeelding tegoed: Sucharas Wongpeth / Shutterstock, Daniel Krason / Shutterstock