Ny batteriteknologi kan lösa det största problemet för elbilar

Vi hör ofta talas om nya batteriteknologier som lovar guld och gröna skogar. Men få av dem blir verkliga produkter. Den senaste verkar dock lovande. Resultaten kommer från ett japanskt forskarteam vid det välrenommerade MIT-universitetet i Massachusetts, USA, och har publicerats i den vetenskapliga tidskriften Nature.

Upptäckten gäller ett material med en nästan motsägelsefull egenskap: det leder joner som en vätska men är lika robust som ett fast material. Och det har en avgörande extra fördel: det kan lösas upp och formas lika lätt som en bit vingummi. Detta kan visa sig vara den saknade pusselbiten i det komplexa pusslet som är framtidens batteri.

Snabba men farliga flytande batterier

De flesta elbilar idag drivs av litiumjonbatterier, som innehåller en flytande elektrolyt för att transportera joner mellan den positiva och negativa polern. Denna vätska är energieffektiv, men också brandfarlig, och det är den främsta anledningen till att batterier kan bli instabila och, i värsta fall, fatta eld.

Den heliga graal som alla letar efter är ett solid state-batteri. Här ersätts den flytande elektrolyten med ett fast material. Detta eliminerar brandrisken, ökar energitätheten (läs: längre räckvidd) och möjliggör i teorin mycket snabbare laddning.

Problemet är att det har varit oerhört svårt att uppnå i praktiken. Fasta elektrolyter har antingen varit för dåliga på att leda joner eller för hårda och spröda, som keramik, vilket gör dem dyra och svåra att producera i stor skala. Ännu värre är de ökända dendriterna – mikroskopiska, nålliknande utväxter av litiummetall som kan växa genom den fasta elektrolyten och orsaka en katastrofal kortslutning.

Tillverkas som godis

Det är här det nya materialet kommer in i bilden. Forskarna har utvecklat en ny typ av fast elektrolyt, som de kallar en amorf enkeljonledare (LiSICON). Bakom det catchiga namnet döljer sig ett material som kombinerar det bästa av två världar.

För det första har det en jonledningsförmåga som är i nivå med de bästa flytande elektrolyterna. Det innebär att litiumjonerna kan röra sig obehindrat fram och tillbaka, vilket är avgörande för snabb laddning och hög prestanda. För det andra är materialet, trots sin glasliknande (amorfa) struktur, mekaniskt tillräckligt robust för att motstå bildandet av de fruktade dendriterna.

Men det verkliga genidraget ligger i tillverkningsprocessen. Till skillnad från keramiska solid-state-elektrolyter, som måste bakas vid extremt höga temperaturer och ofta involverar giftiga kemikalier, kan detta nya material helt enkelt lösas upp i ett vanligt, ofarligt lösningsmedel. Precis som socker i vatten. Vätskan kan sedan hällas ut och formas, varefter lösningsmedlet avdunstar vid rumstemperatur. Kvar blir ett tunt, fast skikt av elektrolyt.

Denna ”godismetod” gör det potentiellt mycket billigare och mer miljövänligt att massproducera solid-state-batterier, eftersom befintliga produktionsmetoder kan användas och de hårdaste kemikalierna undvikas. Och när batteriets livslängd är slut blir de lösliga batterierna lättare att återvinna.

Vad betyder detta för dig och din nästa bil?

På papperet är fördelarna uppenbara:

• Säkerhet: Utan brandfarliga vätskor är risken för batteribränder praktiskt taget eliminerad.
• Snabbare laddning: Den höga jonledningsförmågan öppnar upp möjligheten att ”tanka” batteriet på några minuter istället för timmar.
• Längre räckvidd: Högre energitäthet innebär antingen längre räckvidd eller ett mindre och lättare batteripaket.
• Miljövänlighet: Genom att använda giftfria material och en enklare tillverkningsprocess tar tekniken ett viktigt steg bort från de miljöproblem som plågar dagens batteriproduktion och återvinning.

Förväntningarna är höga, men vägen från en petriskål i Tokyo till ett batteripaket i en elbil är notoriskt lång och kantad av kostsamma misslyckanden och tekniska återvändsgränder.

Forskarna har levererat beviset: Konceptet håller. Nu överlämnas stafettpinnen till ingenjörerna. Materialet måste bevisa sin hållbarhet över tusentals laddningar, och produktionspriset måste sänkas till en nivå som inte utlöser panikattacker bland biltillverkarnas ekonomichefer.

Det är dock svårt att förbli pessimistisk. Genom att angripa problemet från en ny vinkel, där hanterbarhet och giftfrihet är lika viktiga som teknisk prestanda, erbjuder LiSICON-tekniken möjligheten att undanröja ett av de mest envisa hindren för solid state-tekniken.

Källor: Nature, MIT News