Litiumjonbatterier har drivit våra enheter och elfordon i åratal, men fastfasbatterier hyllas nu som nästa stora genombrott. Men hur välgrundat är det påståendet?
Trots allt tal om genombrott går det inte att köpa en bil med fastfasbatteri idag. Även om de visar stor potential återstår fortfarande en del arbete innan fastfasbatterier blir kommersiellt gångbara för elbilar. Men stora investeringar i forskning och utveckling syftar till att ändra på det under de kommande åren.
I den här artikeln undersöker vi varför fastfasbatterier kan bli ett bättre alternativ än litiumjonbatterier i framtiden, men först…
Innehållsförteckning
Låt oss bryta ner strukturen hos både litiumjon- och fastfasbatterier och sedan visa de viktigaste skillnaderna.
Litiumjonbatterier består av följande huvudkomponenter:
Under laddning och urladdning rör sig litiumjoner mellan anoden och katoden genom den flytande elektrolyten. Även om de är effektiva finns det säkerhetsrisker med litiumjonbatterier på grund av den brandfarliga flytande elektrolyten.
Fastfasbatterier har en liknande struktur men med en avgörande skillnad:
Denna fasta elektrolyt är nyckeln till många av de fördelar som fastfasbatterier erbjuder, bland annat förbättrad säkerhet och stabilitet.
Även om det fortfarande finns farhågor om litiumbrist, är litiumjonbatterier idag allmänt tillgängliga med en etablerad tillverkningsinfrastruktur. Trots att det är en mogen teknik fortsätter pågående forskning och utveckling att förbättra litiumjonbatteriernas prestanda, livslängd och säkerhet.
Fastfasbatterier är fortfarande främst begränsade till laboratorier och småskaliga prototyper. Och det finns fortfarande några betydande utmaningar som måste övervinnas innan de blir mer mainstream.
Materialen som används i fastfasbatterier, särskilt den fasta elektrolyten, är för närvarande dyrare än de i litiumjonbatterier. Tillverkningsprocessen i sig är mer komplex och kräver specialutrustning.
Befintlig produktionsutrustning är utformad för batterier med flytande elektrolyt och lämpar sig inte för fastfasproduktion. Ny, specialiserad utrustning måste utvecklas och produceras i stor skala, vilket kräver betydande investeringar.
Det finns också flera tekniska utmaningar som tillverkarna arbetar hårt för att lösa:
Trots dessa utmaningar görs betydande investeringar av stora bil- och teknikföretag för att övervinna dessa hinder. Många experter bedömer att fastfasbatterier kan bli kommersiellt gångbara inom 5–10 år, vilket skulle revolutionera energilagringen för elfordon och andra tillämpningar.
| Egenskap | Litiumjonbatterier | Fastfasbatterier |
|---|---|---|
| Energitäthet | 160–250 Wh/kg | 250–800 Wh/kg |
| Säkerhet | Risk för överhettning och brandfara på grund av flytande elektrolyt | Avsevärt minskad brandrisk, icke-brandfarlig fast elektrolyt |
| Livslängd | Försämras med tiden på grund av kemiska reaktioner från hög temperatur, djupa urladdningscykler, hög laddningshastighet etc. | Potential för längre livslängd, men står för närvarande inför utmaningar med sprickbildning |
| Laddningshastighet | Måttlig till snabb, känslig för temperatur | Potential för ultrasnabb laddning |
| Nuvarande tillgänglighet | Bredt tillgänglig, etablerad tillverkningsinfrastruktur | Främst i laboratorier samt småskalig produktion och prototyper |
| Produktionsstatus | Mogen teknik med pågående förbättringar | Höga produktionskostnader, sprickbildning vid laddning/urladdning. Måste lösas innan storskalig produktion kan påbörjas |
| Kommersialisering | Används för närvarande i elbilar och andra tillämpningar | Förväntas omkring 2026–2027 för elbilar |
| Viktiga fördelar | Etablerad teknik, för närvarande mer robust och tillgänglig | Högre energitäthet, förbättrad säkerhet, potential för snabbare laddning |
| Huvudsakliga utmaningar | Säkerhetsfrågor, begränsad energitäthet | Höga produktionskostnader, tekniska problem vid uppskalning |
Litiumjonbatterier som används i elbilar har vanligtvis energitätheter som sträcker sig från 160 Wh/kg (LFP-kemi) till 250 Wh/kg (NMC-kemi). Forskning pågår för att förbättra dessa siffror. Vid Yokohama National University undersöker man till exempel mangan i anoden för att förbättra energitätheten hos LFP-batteriet.
Fastfasbatterier erbjuder en mycket högre potential för energitäthet. Tunnfilmsbatterier kan nå 300–800 Wh/kg, medan bulkbatterier ligger på omkring 250–500 Wh/kg. Ny forskning från Mercedes och Factorial hävdar att man har uppnått 450 Wh/kg i en ny typ av fastfasbatteri, som är 33 % mindre och 40 % lättare än jämförbara litiumjonbatterier.
Den flytande elektrolyten i litiumjonbatterier medför en risk för överhettning och brandfarlighet, även om de faktiska riskerna ofta överdrivs.
””För varje studie blir vi allt mer övertygade om att vi kan lösa säkerhets- och räckviddsproblemen i elfordon,” sade Chunsheng Wang, professor i kemisk och biomolekylär teknik vid University of Maryland, till NBC News.
Fastfasbatterier, med sin icke-brandfarliga fasta elektrolyt, minskar brandrisken avsevärt och eliminerar problem med gasutsläpp. De är också lättare att kontrollera när det gäller temperatur.
Litiumjonbatterier försämras med tiden på grund av kemiska reaktioner, vilket resulterar i en kortare livslängd. Fastfasbatterier har potential för en längre livslängd, men står för närvarande inför utmaningar med sprickbildning i den fasta elektrolyten under laddnings- och urladdningscykler, vilket ökar motståndet.
Litiumjonbatterier erbjuder måttlig till snabb laddning men är känsliga för temperatur.
Solid-state-batterier visar lovande tecken på ultrahurtiga laddningsmöjligheter, där vissa prototyper når 80 % laddning på mindre än 98 minuter. De påverkas också mindre av temperaturvariationer.
Forskningsinstitutioner och företag gör framsteg inom både litiumjon- och solid-state-batteriteknik:
Fortsatt forskning och utveckling syftar till att förbättra båda batterityperna. Solid-state-batterier förväntas kommersialiseras omkring 2026–2027 med betydande genombrott som lovar snabbladdningslösningar med hög energitäthet för elbilar. Världens största biltillverkare, Toyota, har sagt att man planerar massproduktion 2027–2028 med en batteriladdningstid på 10 minuter och en räckvidd på mer än 620 mil.
Svaret på denna fråga beror på om du utvärderar batterier utifrån nuvarande behov eller framtida potential.
Litiumjonbatterier är mer robusta och finns tillgängliga redan nu, men det finns vissa farhågor kring säkerhet och livslängd. Solid-state-batterier är överlägsna när det gäller energitäthet, säkerhet och laddningshastighet, men befinner sig fortfarande i ett tidigt utvecklingsskede och är dyra att tillverka.
I takt med att forskningen fortsätter och tillverkningsprocesserna förbättras verkar solid-state-batterier vara på väg att bli det föredragna valet för elbilar om de återstående utmaningarna kan lösas. För närvarande är dock litiumjonbatterier fortfarande det praktiska valet för de flesta tillämpningar.
Lasrar används allt oftare för att svetsa, rengöra och märka batterier. Kontakta oss för att få veta hur lasrar kan hjälpa dig att tillverka batterier mer effektivt.
Teknisk expert och konsult inom batterier och elektriska framdrivningssystem, Stéphane har en examen i fysik med inriktning mot fotonik, optik, elektronik, robotik och akustik. Engagerad i omställningen till elfordon har han utvecklat industriella batteripaket för elcyklar. På fritiden driver han en YouTube-kanal om allt som rör el.
Även om litiumjonbatterier dominerar marknaden för elfordon finns det fortsatt oro över brist på råvaror, kostnader samt utvinnings- och gruvdrift. Litiumproduktion är dyr och inte särskilt miljövänlig.
Pouch-celler introducerades 1995 och har alltid haft en unik design, där batteriet är inneslutet i en mjuk plastfilm istället för ett styvt hölje som hos cylindriska och prismatiska celler.
I den här artikeln diskuterar vi hur de har utvecklats genom åren och vart de är på väg.
Över hela världen använder biltillverkare och OEM-tillverkare strukturella lim för att tillverka nästa generations bilar. För den som är ny på området kan strukturella lim verka komplexa att använda
