Norge er i en særstilling med tanke på andelen elbiler som selges, i resten av Europa utgjør de knapt ti prosent av det totale salget. Likevel investerer nå store selskaper som Toyota og Volkswagen-gruppen tungt i utviklingen av neste generasjon batterier, kalt «solid-state».
KAN ØKE REKKEVIDDEN: BMW er en av produsentene som anslår at solid-state batterier vil bli tilgjengelig i siste halvdel av 2020-tallet. Teknologien vil kunne øke kapasiteten med opp til 70% sammenlignet med dagens batterier.
Fast fremfor flytende
Navnet referer til en konstruksjon der elektrolytten består av et fast stoff, fremfor et flytende. Dersom du ikke har de gamle pensumbøkene for hånden, kan det kanskje være kjekt med en kort gjennomgang av de to prinsippene.
De elbilene som produseres i dag er utstyrt med battericeller som inneholder en anode i den ene enden, en katode i den andre enden, og en separator i midten som skiller de fra hverandre. Battericellen er fylt med en flytende væske, kalt elektrolytt.
LANGT FREMME: Volkswagen har kommet langt med lanseringen av elektriske modeller. De nevnes også som en av de selskapene som satser tungt på utviklingen av solid-state batterier.
Spretter
Dersom du noen gang har fått i oppgave å sett inn batteriene i en julegave, så er du allerede kjent med prinsippet. Katoden er positiv, og merket med «+», og anoden er negativ, merket med «-». Selv de minste batteriene er ganske tunge i forhold til størrelsen, fordi de er fylt med væskebasert elektrolytt.
For å sjekke om batteriene er nye eller brukt, kan du slippe dem loddrett ned på bordet. Nye batterier ramler overende, mens de brukte spretter opp igjen. Dette er fordi elektrolytt-væsken endrer seg jo mer batteriet brukes, og danner en molekylær struktur som det er sprett i.
BLIR POPULÆR: Det er mange som venter spent på Toyota bZ4X, som nok vil bli populær i det norske markedet.
Overskudd
Når du kjører av gårde i en elbil, flytter en strøm av ioner seg fra Anoden som ofte er laget av grafitt, gjennom separatoren til katoden som stort sett er laget av Lithium, i kombinasjon med kobolt og litt annet.
Derfor kalles det gjerne Lithium-ion batterier. Dette fører til at det bygges opp et overskudd av elektroner på den positive katoden. Siden elektronene ikke kan forflytte seg gjennom elektrolytt-væsken inni batteriet, følger de kabelen som går ut fra batteriet til elmotoren, der de sørger for fremdriften. Når du parkerer og plugger inn kontakten, går strømmen motsatt vei, og batteriet lades opp igjen.
Endrer struktur
FJERNER VÆSKEN: Et solid-state batteri erstatter væsken i elektrolytten med et solid stoff.
Siden det væskefylte batteriet i en moderne elbil er såpass stort, utgjør det en betydelig del av totalvekten til bilen. Akkurat som batteriet i julegaven, endrer væsken også struktur etter en visst antall opp og utladninger. Enkelte typer elektrolytt-væsker har også vist seg å være svært brennbare, noe som har ført til kraftige branner etter kollisjoner. Væskefylte batterier krever avanserte kjøle og varme-systemer, som holder de innenfor arbeidstemporaturen. De blir påvirket av sterk kulde, som for eksempel når det er vinter i Norge, og sterk varme i mer solfylte strøk. Væsken fører også til en del begrensninger når det gjelder opplading, da for høy ladeeffekt kan gi overoppheting.
AVANSERT: Det kreves ny og avansert teknologi for å kunne produsere solid-state batterier i stor skala. Bildet er fra Volkswagens produksjonslinje av lithium-ion batterier.
70% økning
Derfor satses det nå milliarder på å konstruere battericeller uten væske, der separatoren i stedet fyller hele batteriet, og konstrueres av et fast – eller «solid» – stoff som lar ionene strømme frem og tilbake med lav motstand. BloombergNEF slår fast i en nylig publisert rapport at solid-state batterier vil kunne produseres til 40% av kostnaden sammenlignet med dagens lithium-ion utgaver.
Forskningsinstituttet The Faraday Institution i Storbritannia anslår at solid-state batterier vil kunne lagre opp til 70% mer energi enn dagens. Systemene for regulering av batteriets temperatur kan også gjøres mye enklere, og til en lavere kostnad, siden solid-state batterier i liten grad påvirkes av ytre temperatursvingninger. Og siden ionene beveger seg mye lettere gjennom en elektrolytt laget av et fast stoff, vil tiden det tar å lade opp fra 10% til 80% kapasitet kunne reduseres med opp til to tredjedeler.
NORGE I SÆRSTILLING: Norge er i en særstilling når det gjelder salget av elbiler. I resten av Europa utgjør de knapt ti prosent av det totale salget.
Giftig
Daimler har allerede noen busser gående med solid-state batterier som en del av utprøvingen. Ulempen er at de må for-varmes, og teknologien passer foreløpig ikke inn i en personbil. Siden ingen har fasiten, forskes det på en rekke forskjellige alternativer.
Keramiske elektrolytter har mange gode egenskaper, men kan få sprekkdannelser etter en stund. Toyota og Samsung jobber med Sulfitt, men produksjonen må foregå i vakuum siden prosessen kan avgi giftige gasser. Urenheter i materialene kan også danne små krystaller som skader elektrolytten og katoden.
NIO mest aggressiv
Det er forventet at solid-state batterier først bli tilgjengelig på de dyreste modellene, og muligens i plugg-inn-hybrider i første omgang. Uansett hvem som blir først, vil det kunne medføre betydeligere lavere kostnader i produksjon, lengre rekkevidde og hurtigere ladetid, så da er de kanskje ikke så rart at det satses tung. Ifølge en oversikt fra Yole Development sikter Volkswagen og Toyota på å kunne tilby kjøretøy med solid-state batterier i en eller annen form innen 2025. Kinesiske NIO er mest aggressive, og mener de vil være klare allerede neste år, mens BMW, Nissan, Hyundai og selskaper som Samsung sikter mot slutten av 2020-årene.