Glöm solid-state-batterier – forskare har gjort ett litiumjon-genombrott som kan öka räckvidden och drastiskt sänka kostnaderna

• Forskare har gjort ett genombrott med anodfria litiumjonbatterier
• En ny gelelektrolyt kan lösa ett av teknikens största problem
• Det kan ge längre livslängd och bättre säkerhet för elbilsbatterier

Forskare vid Columbia University School of Engineering and Applied Science säger sig ha utvecklat en ny gelelektrolyt som ska hjälpa till att stabilisera anodfria litiumjonbatterier. Det bör förbättra säkerheten och livslängden för den här framväxande batteritekniken, samtidigt som det kan innebära kostnadsbesparingar för tillverkare.

Anodfria litiumjonbatterier har utforskats i flera år, och ett sydkoreanskt forskarlag använde förra året en anodfri litium-metall-arkitektur för att fördubbla batteriets volymetriska densitet utan att öka storleken.

Att ta bort anoden frigör mer utrymme inuti batteriet, vilket gör att mer aktivt material kan packas i samma volym. Det kan jämföras med att få in mer bränsle i en tank av samma storlek, enligt Interesting Engineering.

De stora problemen har varit säkerhet och livslängd, eftersom anodfria litium-metall-batterier drabbats av ojämn litiumdeposition under laddning.

Det innebär att litium kan bilda vassa, nålliknande strukturer (så kallade dendriter), som kan punktera interna komponenter och orsaka farliga kortslutningar och termisk rusning.

Men enligt Interesting Engineering, som hänvisar till forskningsresultat publicerade i tidskriften Joule, hittade forskarna vid Columbia University School of Engineering and Applied Science en lösning i form av en gelelektrolyt.

Lite mer tekniskt använde teamet ett “parasitiskt saltfobiskt polymernätverk i elektrolytdesignen” som “selektivt stöter bort litiumjoner samtidigt som det attraherar lösningsmedelsmolekyler”.

Mer begripligt betyder det att gelelektrolyten delas upp på nanonivå i olika sammansättningar. Det möjliggör bildandet av ett skyddande lager på litiumytan som förhindrar att skadliga dendriter uppstår.

Under laboratorietester behöll elektrolyten över 80 % av sin kapacitet under nästan verkliga förhållanden, samtidigt som batteriets termiska stabilitet förbättrades, vilket skulle innebära att en elbil använder mindre energi för att värma eller kyla batteripaketet till optimal arbetstemperatur.

Gelelektrolyten klarade dessutom omfattande borrtester utan termisk rusning. Batterier med konventionella flytande elektrolyter började däremot brinna eller explodera under testerna.

I verklig användning tror forskarna att en gelelektrolyt i ett anodfritt litiumjonbatteri kan leda till batteripaket med högre energidensitet, längre livslängd och säkrare drift – utan kostnaderna som krävs för att utveckla helt nya elektrolytformuleringar.

Analys: det finns liv kvar i litium

Mycket av snacket kring elbilarnas framtid handlar om solid-state-batterier, som ofta beskrivs som den “heliga graalen” för att lösa många av elbilarnas problem, såsom långsam laddning, kort räckvidd, tunga batteripaket och kvarvarande säkerhetsproblem.

Tekniken är dock fortfarande i ett mycket tidigt skede och, trots att vissa kinesiska företag säger sig vara nära produktion, är den betydligt dyrare än dagens litiumjonlösningar.

“Det finns fortfarande mycket kvar att hämta i litiumjontekniken”, säger Akhil Krishnan, VP Product Line för Volvo EX60. “Jag ser fram emot solid-state-framtiden, men vi har redan gjort stora framsteg med litiumjon”, tillägger han.

Tillsammans med Breathe, ett batterimjukvaruföretag som använder simuleringar och modeller för att få ut maximalt av elbilsbatterier, menar Volvo att litiumjontekniken levererar. Den kommande Volvo EX60 uppges få en WLTP-räckvidd på över 80 mil samt konsekvent snabbladdning i alla förhållanden.

Yan Zhao, medgrundare på Breathe Battery Technologies, säger att det blir en av de svåraste utmaningarna hittills att övertyga nästa 25 % av bilköparna att gå över till el. “Deras köpbeslut kommer vara mycket priskänsliga”, säger han.

Här kan förbättringar i litiumjonbatterier hjälpa till, eftersom de kan ge längre räckvidd och snabbare laddning utan att kostnaderna för ny batteriteknik förs över på kunderna.

Precis som förbränningsmotorn, som även efter mer än ett sekel fortsätter förbättras i prestanda och effektivitet, kommer litiumjontekniken enligt experter bara bli bättre under de kommande tre till fem åren.