Fastfasbatterier – hur nära verkligenheten?

Av Daniel Brandell

Fastfasbatterierna, eller solid-state-batterierna på svengelska, har länge framstått som batterivärldens hägring: en fantastisk teknik, men inte riktigt här än, utan bakom nästa krön. Dessa batterier utlovar funktionalitet med Li-metall, vilket höjer energitätheten avsevärt (teoretiskt uppemot det dubbla jämfört med Li-jon), och så är de i total avsaknad av de flyktiga och brandfarliga lösningsmedel man hittar i Li-jonbatterier. Med sådana förutsättningar är det lätt att skapa ryktesspridning. Härom veckan har det till exempel skrivits mycket om det finska företaget Donut Lab, som utlovar ett fastfasbatteri som har hög energitäthet, snabbladdning, lågtemperatursfunktionalitet, uppemot hundra tusen cykler, god säkerhet, gjort av lättillgängliga material och dessutom billigt [1]. Sådana batterier skulle täcka in det mesta på önskelistan. Företrädare från den världsledande batteritillverkaren CATL gick dock ut i sociala medier och påstod att det hela var uppenbart fejk. Som det skrivits om tidigare [2] är det inte svårt att vara manipulativ när det gäller data om batterier, så en skeptisk hållning är förståelig.

Ska man förstå fastfasbatterier måste man inse att tekniken utgör en mycket bred flora av olika material och batterikemier – faktiskt mer omfattande än Li-jonbatteritekniken, vilket i sig är en familj av olika sorts batterier. I olika typer av Li-jonbatterier varierar man främst anoder och katoder (till exempel LFP kontra NMC på katodsidan, eller grafit kontra kisel på anodsidan), men den komponent som fyller hela batteriet – den flytande elektrolyten – är i stora drag oftast densamma i Li-jonbatterier: ett litiumsalt (litiumhexafluorofosfat, LiPF6) löst i en blandning av flytande organiska lösningsmedel. I fastfasbatterier kan man på samma sätt fortsatt variera både anod och katod, men ovanpå detta kan dessutom elektrolyten utgöras av olika sorts fasta material med fundamentalt olika egenskaper, både kemiska och mekaniska. De möjliga kombinationerna blir då många fler än för Li-jon. Fastfasbatterier är alltså långt ifrån ett enda sorts batteri, och olika fastfasbatterier skiljer sig mycket i både mognadsgrad och prestanda.

Generellt för fastfaselektrolyter gäller att den konventionella flytande elektrolyten – den enda flytande komponenten i de flesta batterier – ersätts med ett jonledande material i fast fas. Detta ställer en rad krav på batteriets design och tillverkning [3], eftersom man inte längre kan låta vätskan enkelt fylla alla utrymmen i de porösa elektroderna. Olika typer av fasta material är då olika lätta att jobba med, samtidigt som de också har olika stabilitet och olika förmåga att leda joner. Den huvudsakliga uppdelningen av fastfasbatterier brukar göras utifrån vilken sorts elektrolyt som används. Medan akademisk forskning sysselsätter sig med utveckling av uppemot tiotalet olika huvudsakliga kategorier – vilka alla i sig är lika spretiga som Li-jonbatterier – så är det huvudsakligen tre kandidater som utkristalliserat sig som extra löftesvärda och tagit sikte på kommersiella tillämpningar: sulfider, oxider och polymerer [4]. Både Uppsala Universitet och Chalmers har haft flera forskningsprojekt på dessa typer av elektrolyter och tillhörande batterier.

Sulfider är lite av fastfaselektrolyternas crème de la crème. Här finns material med extremt hög jonledningsförmåga. Den japanska upptäckten av LGPS (Li10GeP2S12) för ca 15 år sedan [5] kan sägas ha revitaliserat hela fältet kring solid-state. Här fanns ett material som kunde uppvisa högre jonledningsförmåga än konventionella vätskor, och dessutom över ett brett temperaturintervall. Inte minst Toyota har satsat stort under lång tid. Sulfidmaterialen är också någorlunda mjuka, vilket gör att de anpassar sig efter volymförändringar i elektroderna under cykling. Dock är sulfiderna kemiskt mycket reaktiva, och bildar lätt toxiska biprodukter. De har begränsad kemisk stabilitet också inne i batteriet och är känsliga för strukturomvandlingar, vilket påverkar deras åldring negativt. Sulfiderna har visat sig svåra att hantera, både vid tillverkning, vid batteriproduktion och när de implementerats i fordon. Vi är helt enkelt inte riktigt där än.

I jämförelse är då jonledande oxider som LLZO (Li7La3Zr2O12) mycket mer kemiskt stabila och kan uppvisa fortsatt god jonledningsförmåga också vid lägre temperatur. Ett stort problem med dessa material är dock att de är spröda, och inte alls mekaniskt följsamma, vilket leder till att de får dålig kontakt med elektroderna i batteriet. Resultatet blir ofta mycket höga inre resistanser och därmed dålig prestanda, inte minst över tid. Här finns olika försök till lösningar med att tillsätta en viss mängd vätska (oftast ca. 10%) för att underlätta för litiumjonerna att ta sig mellan elektrod och elektrolyt. Detta utgör så kallade semi-solid-state-batterier, och kan ses om en löftesrik föregångare till true-solid-state. Många som siktat på fastfasbatterier, till exempel det av VW stöttade bolaget QuantumScape, har retirerat en aning och utvecklar idag snarare lösningar som är semi-solida. Det finns dock en rad frågetecken kring dessa sorts batterier, inte minst avseende åldringen.   

De jonledande polymermaterialen utgör generellt den andra extremen till oxiderna: dessa kan vara mycket mjuka och följsamma material. Det finns bra processteknik tillgänglig för polymerer, det finns oändliga designalternativ för materialen, och de åldras inte problematiskt. Tyvärr är jonledningsförmågan dålig – på gränsen till usel – i alla fall vid rumstemperatur. Dock kan sådana batterier faktiskt fungera någorlunda bra vid 70-80 °C, vilket är realistiskt för vissa typer av vägfordon [6]. Blue Solution i Frankrike har under mer än 10 års tid tillverkat sådana batterier för bussar och bilar för car-sharing, så tekniken är beprövad. Därmed kan man på frågan om ”när fastfastbatterier kommer” med fog svara att fastfasbatterier redan finns och har funnit ett bra tag. Dock: inte med några fantastiska egenskaper, och inte anpassade för konventionella personbilar, och förmodligen främst för nisch-tillämpningar. Intressant är också att svensk forskning på fastfasbatterier kanske är som starkast avseende just denna teknologi – vilket då inte är huvudfåran internationellt.

Det återstår också andra vitala problem att lösa för fastfasbatterier, och som gör att de kommer få svårt att konkurrera med Li-jon eller Na-jon. Inte minst innehåller de ofta rätt exotiska element (som synes ovan: germanium, zirkon, lantan…), samtidigt som de är mycket svåra att återvinna. De har de också exceptionellt höga koncentrationer av litium (30-40 mol/liter i jämförelse med 1 mol/L i Li-jonbatterier), med undantaget för de polymerbaserade alternativen. Som bl a celltillverkaren Panasonic har pekat ut [7] är det därmed svårt att tänka sig att detta är batterier som kommer att bli särskilt billiga, utan kanske snarast är för tillämpningar där pris inte är det mest viktiga: lyxigare fordon, militära tillämpningar, flygfarkoster, etc.

Så vad ska man tro om utvecklingen? Prognoserna för solid-state har ofta varit optimistiska. Fastfasbatteriena ansågs av EU-kommissionen vara ”Generation 4” av moderna batterier, medan Na-jonbatterier plockades in i ”Generation 5” (Li-jonbatterier har genomgått Generation 1 till 3). Fältets ledande expert, professor Jürgen Janek i Giessen i Tyskland, brukar underhålla med att visa pressreleaser från stora biltillverkare som utropar att solid-state skall finnas i deras fordon om två år – bara det att press-releaserna sträcker sig mer än tio år tillbaka i tiden… Med tanke på att tusentals ingenjörer i Japan, Sydkorea, Kina – samt otaliga forskare också i USA och Europa – slipat på dessa tekniker i tiotals år är det svårt att tänka sig att någon småskalig aktör skall ha hittat en genväg som levererar allt man vill ha, dessutom till en låg kostnad, och utanför batteriutvecklingens kärnländer.

Referenser

[1] www.donutlab.com

[2] P. Johansson et al., ”Ten Ways to Fool the Masses When Presenting Battery Research”, Batteries & Supercaps, 2021. https://doi.org/10.1002/batt.202100154

[3] J. Janek & W.G. Zeier, ” Challenges in speeding up solid-state battery development”, Nature Energy, 2023. https://doi.org/10.1038/s41560-023-01208-9

[4] T. Schmalz et al., “A roadmap for solid-state batteries”, Advanced Energy Materials, 2023. DOI: https://doi.org/10.1002/aenm.202301886

[5] N. Kamaya et al., ”A lithium superionic conductor”, Nature Materials 2011. DOI: https://doi.org/10.1038/NMAT3066

[6] D. Brandell, J. Mindemark, G. Hernández, ”Polymer-Based Solid State Batteries”, De Gruyter, 2021.

[7] Tesla supplier Panasonic spurns solid-state batteries as ‘niche https://www.ft.com/content/6ea8708c-ad6f-4aad-a7f9-9baa3d5f7051