Batterier er rygraden i det moderne liv. De driver vores smartphones, laptops, wearables og elbiler, men teknologien har længe haft indbyggede svagheder. Ydeevnen falder i kulde, stabiliteten kan svigte, og i sjældne, men alvorlige tilfælde kan batterier bryde i brand. Nu peger et nyt videnskabeligt gennembrud på en løsning, der kan ændre de grundlæggende spilleregler.
Forskere fra University of Oxford og deres samarbejdspartnere har udviklet et helt nyt batterimateriale, som opfører sig på en måde, man hidtil har ment var umulig. Materialet er fast, men leder ioner – de små ladede partikler, der transporterer strøm i et batteri – lige så effektivt som en væske. Det udfordrer en af de mest grundlæggende antagelser i batteriforskning.
I et almindeligt batteri bevæger ionerne sig gennem en flydende elektrolyt. Det er effektivt, men også forbundet med ulemper som lækager og øget brandrisiko. Når forskere har forsøgt at erstatte væsken med faste materialer, er de stødt på et velkendt problem: Når materialet bliver fast, bremses ionerne markant. Effekten kaldes ofte “freeze-out”, fordi ionerne nærmest fryser fast i strukturen. Resultatet er dårligere ydeevne, langsommere opladning og problemer ved lave temperaturer.
Det er netop denne barriere, Oxford-holdet nu har brudt. De har udviklet såkaldte state-independent electrolytes – organiske materialer, hvor ionernes bevægelse er den samme, uanset om materialet er flydende eller fast. Med andre ord flyder strømmen lige så let i et solidt materiale, som den gør i en væske.
Sådan kan strøm bevæge sig frit i et fast materiale
Forklaringen ligger i materialets opbygning. Forskerne har designet skiveformede molekyler med lange, fleksible sidekæder. Når materialet størkner, samler molekylerne sig i stabile, søjlelignende strukturer. Samtidig skaber de bløde sidekæder et gennemtrængeligt indre, hvor ionerne fortsat kan bevæge sig frit. Man kan forestille sig en fast ramme med indre zoner, der forbliver “bløde” for strømmen, selv når materialet som helhed er stift.
– Vi har vist, at organiske materialer kan konstrueres, så ionernes bevægelse ikke ‘fryser fast’, når materialet størkner. Det åbner for lettere og mere sikre solid-state-enheder, der fungerer effektivt over et bredt temperaturområde, siger ph.d.-studerende Juliet Barclay, der er førsteforfatter på studiet.
For almindelige forbrugere kan konsekvenserne blive markante. I produktionen kan elektrolytten opvarmes og hældes ind i batteriet som en væske, så den fylder alle kroge. Når materialet køler af, bliver det fast og stabilt. Det reducerer risikoen for lækager og brand, uden at gå på kompromis med ydeevne eller opladningshastighed.
Samtidig kan batterierne fungere mere stabilt i både varme og kulde. Det er især interessant for elbiler, der i dag mister rækkevidde om vinteren, og for mobiltelefoner, som aflader hurtigere i frostvejr. Et fast materiale, der stadig leder strøm effektivt, kan gøre batterier langt mindre følsomme over for temperaturudsving.
Et skridt nærmere solid-state-batterier, der faktisk virker
Ifølge professor Paul McGonigal, der har ledet forskningen, var resultaterne overraskende selv for forskerholdet. Da materialerne blev testet, viste de samme elektriske egenskaber i flydende, halvfast og fuldt fast tilstand. Endnu mere lovende er det, at princippet virker med flere forskellige typer ioner, hvilket gør teknologien fleksibel og anvendelig i mange sammenhænge.
Ud over batterier peger forskerne på, at materialet også kan bruges i fremtidens elektronik som bærbare sensorer, fleksible skærme og smart-glas. Da der er tale om organiske materialer, kan de potentielt fremstilles lettere og med lavere miljøbelastning end mange af de uorganiske alternativer, der bruges i dag.
Resultaterne er offentliggjort i det videnskabelige tidsskrift Science, og næste skridt er at forbedre materialets ledningsevne yderligere og teste det i rigtige komponenter. Der kan stadig gå år, før teknologien finder vej til produkter på butikshylderne, men opdagelsen markerer et afgørende skridt.
Hvis forskningen holder i praksis, kan den bane vejen for batterier, der ganske enkelt er mere stabile, mere sikre og mere pålidelige i hverdagen – uden at forbrugerne behøver at tænke over, hvad der foregår inde i dem.
