Derfor er solid state-batterier så svære at masseproducere

Der findes næppe nogen batteriteknologi, der er blevet lovet mere af end Solid State-batteriet. Det skal give elbiler længere rækkevidde, lynhurtig opladning og mindre brandrisiko. Kort sagt: Den slags batteri, mange elbilkøbere går og venter på. Men her er den nøgterne virkelighed: Problemet er ikke kun kemien. Problemet er produktionen.

Et almindeligt lithium-ion-batteri bruger en flydende elektrolyt, der kan trænge ind mellem materialerne og skabe kontakt, også hvor overfladerne er ujævne. Det er lidt som vand i en svamp. Væsken finder selv vej. I et Solid State-batteri er elektrolytten fast. Her skal faste materialer presses sammen og stadig have perfekt kontakt. Ingen luftlommer. Ingen sprækker. Ingen døde zoner. Ingen små produktionsfejl, der ødelægger cellen. Det lyder enkelt. Det er det modsatte.

Den faste kontakt er den store fjende

I et almindeligt batteri hjælper væsken lithium-ionerne med at bevæge sig rundt. I et Solid State-batteri skal ionerne bevæge sig gennem faste materialer og over grænserne mellem dem. Det er her, teknologien rammer muren. Elektrode og elektrolyt skal ligge ekstremt tæt op ad hinanden. Hvis kontakten er dårlig, stiger modstanden. Så lader batteriet langsommere, udvikler mere varme og nedbrydes hurtigere.

Det er lidt som at presse to ru badeværelsesfliser mod hinanden og forvente, at hele fladen rører perfekt. I et lille laboratoriebatteri kan man slippe afsted med meget. I en stor bilcelle bliver det straks vanskeligere. Jo større cellen er, desto sværere er det at sikre ensartet kontakt over hele fladen. Og i en elbil er én god celle ikke nok. Der skal tusindvis af dem til.

Batteriet skal holdes under pres

Mange Solid State-celler fungerer bedst, når lagene holdes hårdt sammen. Trykket hjælper med at bevare kontakten mellem de faste materialer og holde modstanden nede. Men prøv at oversætte det til en batteripakke i en bil.

Her skal hundredvis af celler holdes under præcist, jævnt tryk i årevis. De skal klare frost, sommervarme, vibrationer, hurtigladning, hårde accelerationer og almindelig ældning. For lidt tryk kan give dårlig kontakt. For meget tryk kan give revner, deformering og mekanisk stress.

BMW tester allerede Solid Power-celler i en i7, men netop testen afslører, hvor umoden teknologien stadig er. BMW undersøger blandt andet, hvordan cellerne udvider sig, hvordan driftstrykket styres, og hvordan temperaturen skal kontrolleres. Det er ikke detaljer, man bare løser med en softwareopdatering. Det er selve batteriets mekaniske fundament.

Dendritter er stadig et problem

Solid State-batterier bliver ofte solgt som løsningen på lithium-dendritter. Det er små nålelignende aflejringer, der kan vokse gennem batteriet og i værste fald skabe kortslutning. Men de forsvinder ikke automatisk, bare fordi elektrolytten er fast.

Forskning viser, at lithium stadig kan danne filamenter og vokse gennem faste elektrolytter, især hvis der er porer, revner, ujævnheder eller dårlig kontakt i cellen. Problemet bliver ekstra vigtigt, fordi mange Solid State-designs bruger lithium-metal-anoder. De kan give markant højere energitæthed end grafit, men de er også langt vanskeligere at styre under opladning.

Det er her, drømmen om solid state møder den hårde fysik. Jo mere aggressivt man vil presse energitætheden op, desto mere præcist skal alt andet i batteriet styres.

Hvert materiale har sin egen hovedpine

Der findes heller ikke ét magisk Solid State-materiale, der løser alt. Sulfid-elektrolytter kan lede lithium-ioner godt, men de kan være følsomme over for fugt og kræve meget kontrollerede produktionsforhold. Oxid-elektrolytter kan være mere stabile, men de er ofte hårde, sprøde og svære at få god kontakt med. Polymer-elektrolytter er lettere at arbejde med, men kan have problemer med ledningsevne ved almindelige temperaturer.

Derfor ser man hele tiden lovende gennembrud i laboratorierne, uden at de straks bliver til elbiler. Et materiale kan være godt til én ting og elendigt til en anden. Høj energitæthed er ikke nok, hvis cellen revner. Hurtig iontransport er ikke nok, hvis materialet er dyrt eller svært at producere i tynde lag. Stabilitet er ikke nok, hvis batteriet kun fungerer under bestemte tryk- og temperaturforhold. Solid State-batterier kræver, at alt virker på samme tid.

Masseproduktion er den virkelige eksamen

Det sværeste er ikke nødvendigvis at lave en celle, der virker. Det sværeste er at lave millioner af celler, der virker ens. I en bil skal battericeller produceres hurtigt, billigt og med meget lille fejlmargin. Solid State-celler kræver ultratynde, ensartede lag af fast elektrolyt. De må ikke have pinholes, støv, fugt, klumper, revner eller ujævn tykkelse. Det er forskellen på at bage én perfekt soufflé og at bage 100.000 identiske souffléer i timen.

Fraunhofer peger på, at Solid State-produktion kan kræve tørre rum eller inert gas gennem store dele af processen. Det er dyrt. Samtidig kan kassationsraten under industriel opskalering blive høj, og hver defekt celle betyder tabte materialer, tid og penge.

I batteriproduktion er “yield” et nøgleord. Det handler om, hvor stor en del af produktionen der rent faktisk kan sælges. Almindelige lithium-ion-fabrikker er finjusteret gennem årtier. Solid State-produktion er stadig langt mindre moden. Små variationer i overflader, tryk, belægningstykkelse eller partikelpakning kan give celler, der opfører sig forskelligt. Og i en elbil er “næsten ens” ikke godt nok.

Fabrikkerne skal bygges om

En anden misforståelse er, at Solid State-batterier bare kan køres ind på de samme produktionslinjer som nutidens lithium-ion-celler. Så nemt er det ikke.

Der skal bruges nye processer, nye materialeflow, nye kvalitetskontroller og i mange tilfælde nye maskiner. Leverandørkæderne skal også på plads. Toyota og Idemitsu arbejder eksempelvis ikke kun med selve batteriet, men også med masseproduktion af solide elektrolytter og en stabil forsyningskæde.

Toyotas topchef Koji Sato har sagt, at de faste elektrolytter “hold the key” til kommercialiseringen af Solid State-batterier. Han har også peget på holdbarheden som den største udfordring: gentagne opladninger og afladninger kan skabe revner mellem elektroderne og den faste elektrolyt. Det er præcis kernen i problemet. Batteriet skal ikke bare imponere på en graf. Det skal kunne holde til et helt billiv.

Derfor kommer teknologien først i de dyre biler

Solid state-batterier starter næppe i de billige familiebiler. Når teknologien først rammer markedet, vil den sandsynligvis dukke op i dyre modeller, specialbiler eller begrænsede serier. Det giver mening. Her kan producenterne betale for lavere volumen, dyrere materialer og mere kompliceret produktion. Den store gevinst kommer først senere, hvis produktionen bliver stabil nok til høj volumen og lav pris.

CATL, verdens største batteriproducent, har også dæmpet forventningerne. Selskabet arbejder selv med teknologien, men vurderer, at det bliver vanskeligt at få Solid State-batterier ud i millioner af biler før 2030. Det er værd at huske, næste gang en overskrift lover elbiler med 1.000 kilometer rækkevidde og fem minutters opladning lige om hjørnet.

Miraklet er ikke dødt – det er bare svært

Solid State-batterier kan stadig blive et stort spring fremad. De kan give højere energitæthed, bedre sikkerhed og hurtigere opladning. Men de er ikke en simpel erstatning for dagens batterier.

De kræver perfekt kontakt mellem faste materialer. De skal kunne tåle tryk, varme, kulde og bevægelse. De skal undgå dendritter. De skal fremstilles i tynde, fejlfrie lag. De skal holde i tusindvis af opladninger. Og de skal produceres til en pris, der kan konkurrere med batterier, som allerede bygges i enorme mængder.

Det er derfor, Solid State-batterier er så svære at masseproducere.

Ikke fordi ideen er dårlig. Men fordi kemi, mekanik og industri skal lykkes på samme tid. Først dér bliver laboratoriets drømmebatteri til noget, almindelige bilkøbere faktisk kan få glæde af.

Derfor er solid state-batterier så svære at masseproducere