Solid-state-batterier bliver ofte fremhævet som den næste store revolution i elbiler. Teknologien lover længere rækkevidde, hurtigere opladning og højere sikkerhed end de lithium-ion-batterier, der i dag driver næsten alle elbiler.
Men selv om forskningen har gjort store fremskridt de seneste år, er der stadig en række grundlæggende udfordringer, der gør teknologien svær at bringe i masseproduktion. Samtidig udvikler eksisterende batterityper sig så hurtigt, at nogle forskere og industrifolk mener, at solid-state-batterier måske aldrig når at få en dominerende rolle.
En teknologi med enorme løfter
Den centrale forskel mellem solid-state-batterier og traditionelle lithium-ion-batterier er elektrolytten. I et almindeligt batteri er elektrolytten en væske, der transporterer lithium-ioner mellem anoden og katoden. I solid-state-batterier er elektrolytten derimod et fast materiale – typisk keramik, sulfider eller polymerer.
Det åbner for brugen af en lithium-metal-anode, som i teorien kan øge energitætheden markant. Derfor bliver teknologien ofte omtalt som et afgørende gennembrud i batteriforskning. Xin Li, professor i materialevidenskab ved Harvard University, beskriver potentialet sådan:
– Et lithium-metal-batteri betragtes som den hellige gral inden for batterikemi på grund af dets høje kapacitet og energitæthed.
Netop derfor investerer en lang række bilproducenter og batteriselskaber milliarder i forskning i teknologien.
Grænsefladerne mellem materialer er et stort problem
En af de største tekniske udfordringer ved solid-state-batterier er grænsefladen mellem elektroderne og den faste elektrolyt. I lithium-ion-batterier kan den flydende elektrolyt fylde alle små hulrum mellem materialerne. I et solid-state-batteri er både elektrolyt og elektroder faste, og selv mikroskopiske ujævnheder kan skabe dårlig kontakt.
Ifølge batteriforskeren Shirley Meng fra University of Chicago er netop disse grænseflader en af teknologiens største udfordringer.
– Grænsefladerne mellem elektroder og faste elektrolytter er et af de mest kritiske problemer for solid-state-batterier, siger Shirley Meng.
Hvis kontakten mellem materialerne ikke er perfekt, stiger modstanden i batteriet, og effektiviteten falder.
Risikoen for dendritter
Et andet velkendt problem er dannelsen af såkaldte dendritter – små nåleformede strukturer af lithium, der kan vokse gennem batteriet under opladning. Hvis dendritterne gennembryder elektrolytten, kan batteriet kortslutte. Selv om faste elektrolytter kan reducere risikoen, har forskere vist, at dendritter stadig kan dannes under visse forhold.
Selv hvis de tekniske problemer løses, er der stadig spørgsmålet om produktion. Den globale batteriindustri er i dag bygget op omkring lithium-ion-teknologi. Fabrikker, maskiner og leverandørkæder er optimeret til at producere batterier med flydende elektrolyt. Solid-state-batterier kræver derimod ofte helt nye materialer og produktionsprocesser.
Tatsuo Ogawa, teknologichef hos Panasonic, har tidligere peget på, at netop skalerbarheden kan blive en afgørende udfordring:
– Jeg tror, det bliver svært for solid-state-batterier at få et stort nok potentiale til at erstatte lithium-ion-batterier, siger Tatsuo Ogawa.
Ifølge ham kan teknologien derfor ende med primært at blive brugt i mere specialiserede anvendelser.
Lithium-ion bliver hele tiden bedre
Samtidig sker der hurtige fremskridt inden for eksisterende batteriteknologier. Især lithium-jern-fosfat-batterier (LFP) har de senere år fået stor udbredelse i elbiler. De er billigere, mere stabile og har længere levetid end mange tidligere lithium-ion-kemier.
Hvis energitæthed, levetid og opladning fortsætter med at forbedres, kan forskellen til solid-state-batterier blive mindre end forventet. Et godt eksempel er det nye Blade Battery 2.0 – et batteri, der ifølge BYD kan levere mere end 1.000 kilometers rækkevidde på én opladning. BYD oplyser, at det nye batteri kan oplades fra 10 til 70 procent på omkring fem minutter.
Solid-state-batterier repræsenterer stadig et af de mest spændende forskningsområder i batteriverdenen. Men teknologien står over for både materialemæssige, tekniske og industrielle udfordringer.
Samtidig forbedres eksisterende batterityper hurtigt, og nye kemier som natrium-ion-batterier begynder også at dukke op.
Derfor handler fremtiden for solid-state-batterier ikke kun om, hvorvidt teknologien virker – men også om, hvorvidt den når at blive klar, før andre løsninger gør dens fordele mindre afgørende.
