Faststoffbatterier: Lovende fordeler – betydelige utfordringer

Hvordan virker faststoffbatterier, og hva skiller dem fra fra tradisjonelle litium-ionbatterier? Vi spør professor Daniel Rettenwander ved Institutt for materialteknologi ved NTNU.

1. Hva består faststoffbatterier av?

– Faststoffbatterier bruker faste elektrolytter, for eksempel keramiske, til forskjell fra tradisjonelle litium-ionbatterier (Li-ion), som bruker flytende elektrolytter. En fast elektrolytt er en Li-ionleder som i et batteri fungerer som en separator, mens Li-ioner ledes mellom katode og anode under opplading og utlading, sier Rettenwander.

– Dagens faste elektrolytter nærmer seg ledeevnen som væsker har – >10 mS/cm, men med fordelen av å være ikke-brennbar. Dessuten kan den høyere termodynamiske stabiliteten hos faste elektrolytter muliggjøre litiummetall, som er regnet som hellig gral siden professor Stanley Whittingham oppfant Li-ionbatteriet.

– Men potensialet for å bruke rene silisiumanoder får også stor oppmerksomhet. Faststoffbatterier kan nå energitetthet på 1000+ watttimer pr. liter, som betyr en betydelig økning sammenliknet med dagens beste Li-ionbatterier på rundt 700 wattimer pr. liter.

2. Hvordan fungerer de?

– Faststoffbatterier har det samme arbeidsprinsippet som gjelder for konvensjonelle Li-ionbatterier. Under utlading skjer det reduksjon ved katoden og oksidasjon ved anoden. Samtidig beveger Li-ioner seg fra anoden til katoden gjennom den faste elektrolytten. Det samme skjer vice versa under opplading.

3. Hvilke fordeler har faststoffbatterier?

– I tillegg til at faststoffbatterier har høyere energitetthet, har de også naturlig høyere stabilitet om man sammenlikner med konvensjonelle Li-ionbatterier. Noe som skyldes at faste elektrolytter ikke er brannfarlige. Hurtiglading er også mulig med faststoffbatterier. Det gjør dem attraktive for elbilapper, forklarer han.

– I motsetning til flytende elektrolytter som har geometriske begrensninger for å forhindre lekkasjer, har faststoffbatterier en høy grad av frihet i form og bipolar struktur som tillater ytterligere energigevinst. Den elektrokjemiske nedbrytningen i faststoffbatterier går sakte på grunn av mindre alvorlige sekundære reaksjoner. Batteriets levetid kan bli enda lengre.

4. Hva er de største utfordringene?

– Til tross for disse lovende fordelene, står faststoffbatterier fortsatt overfor betydelige utfordringer. En av de største er høye kostnader. De er hovedsakelig knyttet til det faktum at faststoffbatterier krever mer komplekse produksjonsprosesser og dyrere materialer sammenliknet med veletablerte Li-ionbatteriteknologier.

5. Hva bør forskningen fokusere på framover?

– Å overvinne utfordringen med høye kostnader, slik at faststoffbatterier blir kommersielt levedyktige for de fleste bruksområder, påpeker Rettenwander.

– Det er mange lovende strategier, som anodefri design – der anoden formes under den første ladingen. Da er det altså ikke nødvendig med litiummetall i cellemonteringen. Ellers vil bruk av koboltfrie katodematerialer, som spinellstrukturen LiNi0.5Mn1.5O4 eller konverteringskatoder som svovel, ikke bare gi ytterligere energi, men også gjøre batterier mer bærekraftige.

Artikkelen ble først publisert i TU-magasinet, nr. 6/2023