Hvad er Solid-State-batterier?

Okay, så klokken er 23.47 på en tirsdag, og jeg har lige fået et opkald med en leverandør i Shenzhen, som forsøger at sælge mig "revolutionære solid-state-batterier", der absolut, 100 % IKKE er solid-state-batterier. Det er tredje gang i denne måned. Jeg er træt. Men også? Dette bliver ved med at ske, fordi ingen faktisk forklarer, hvad disse ting er.

Så her går vi. Snup kaffe. Eller øl. Jeg dømmer ikke.

Hurtigt inden vi starter- min baggrund, siden folk altid spørger: Jeg har rodet rundt med batteriteknologi siden 2016, arbejdet for to virksomheder, der gik konkurs (sjove tider), konsulteret for tre, der stadig er i live (knap), og i øjeblikket laver F&U for... ja, det skulle jeg nok ikke sige, men du har hørt om dem. Jeg har brændt mig selv med lithium ild to gange. Anbefal det ikke. 0/10-oplevelse.

Lige så. Dit telefonbatteri? Laptop? Elbil? Alle fik væske indeni. Ikke som vand-væske, mere som... tyk kemisk væske. Organisk elektrolyt. Det lyder fancy, men i bund og grund er det brandfarligt smut, der lader lithiumioner svømme frem og tilbage mellem de positive og negative sider.

Virker fint! Indtil det ikke gør det. Så går der i brand.

Jeg har stadig en Samsung Galaxy Note 7 i min skrivebordsskuffe, som jeg gemmer som en påmindelse lmao. Har aldrig tændt det igen efter tilbagekaldelsen. Det er ligesom en lille brandfarlig papirvægt.

Fast-batteri=erstatter den væske med et fast stof.

Det er det. Det er det hele.

Den faste del kan være:

Keramiske ting (som fancy glas, men sværere at lave)

Polymerkæder (tænk virkelig tæt plast, men ikke rigtig plastik)

Sulfidforbindelser (disse lugter i øvrigt FORFÆRDELIG, som rådne æg gange tusind)

Åh og sjovt faktum, jeg lærte på den hårde måde - nogle af disse materialer reagerer med fugt i luften. Gerne voldsomt. Vi havde en kandidatstuderende i 2019, som efterlod en sulfidelektrolytprøve på bænken natten over. Kom ind næste morgen, det hele var stort set korroderet. Lugtede som død. Vi kunne ikke bruge det laboratorium i en uge.

solid-state batteries

Dude, jeg har hørt om solid-state-batterier siden... 2015? 2014? Et eller andet sted der omkring. Hvert eneste år: "Bare 3 år mere!"

Det er blevet et meme i batterisamfundet. Som fusionskraft. Altid 10 år væk.

Men okay, der ER faktiske grunde til at bekymre sig:

1. De vil (sandsynligvis) ikke eksplodere i dit ansigt

Ingen væske=ingen kogende væske=ingen trykopbygning=ingen bom.

Jeg mener, de KAN stadig fejle. Jeg har set det ske. Men i stedet for en ildkugle bliver du mere som... den holder op med at virke og bliver varm. Meget bedre! Jeg var vidne til, at en solid-prototype fejlede under testen sidste år, og den svulmede bare lidt op og døde. Med flydende lithium-ion skal vi teste bag eksplosionsskjolde. Anderledes stemning.

2. Mere energi i samme rum (angiveligt)

Er påstandene vilde. 50% flere? 100% mere? Hvem ved. På papiret virker matematikken. I virkeligheden? Vi får se.

Toyota bliver ved med at sige, at de vil have 900-mile-batterier i 2027 eller 2028 eller noget. Jeg vil tro det, når jeg bogstaveligt talt kører bilen. Indtil da er det vaporware.

3. Oplader hurtigere (måske)

Nogle af de keramiske elektrolytter kan angiveligt klare meget mere strøm uden at nedbrydes. Så gerne 10 minutters fulde opladninger.

Har jeg set dette arbejde i et laboratorium? Ja, en gang på et møntcellebatteri på størrelse med mit miniaturebillede.

Har jeg set det fungere på et batteri i bil-størrelse? Nej. Ingen har. Det er alle simuleringsdata og små-tests.

4. Holder længere (tror vi)

Uden at væske nedbrydes bør du få flere opladningscyklusser. Almindelig lithium-ion er god til omkring 500-1000 cyklusser, afhængigt af hvordan du behandler det. Solid-state burde gøre det bedre.

Men her er den ting -, som vi faktisk ikke ved endnu, fordi ingen har brugt dem i 10 år. Kan ikke teste langsigtet-pålidelighed i et laboratorium. Du skal bare vente og se.

Oh crap yeah, jeg burde nok forklare, hvad der er derude nu. Min dårlige.

Almindelig lithium-ion (hvad er i alt)

Din telefon, bærbare computer, sandsynligvis din bil, hvis den er elektrisk

Energi: ~250-300 Wh/kg (det er watt-timer pr. kilogram, nørdeenheder)

Billig at lave nu, for vi har gjort det for evigt

Vil absolut gå i brand, hvis du punkterer den eller overlader den

Jeg holder en spand sand i mit laboratorium for en sikkerheds skyld

LFP-batterier (lithium-jernfosfat)

Mere sikker, vil ikke rigtig brænde, selvom du prøver

Mindre energitæthed dog - omkring 160-180 Wh/kg

Holder for evigt ligesom 3000+ afgifter

Billigere end andre lithiumtyper

Det er hvad der er i basismodellen Teslas nu tror jeg? Citer mig ikke om det

NMC/NCA (De dyre)

Nikkel Mangan Cobalt eller Nikkel Cobalt Aluminium

Høj ydeevne, 250-280 Wh/kg

Bruger kobolt som... ja, der er problemer med børnearbejde i Congo, helt andet rod

dyrere

Bedre ydeevne, men vil ikke lyve

Fast-tilstand (det mytiske væsen)

KRAV 400-500 Wh/kg

Langt dyrere lige nu

Fremstilling er dybest set sort magi på dette tidspunkt

Angiveligt sikrere, men vi har også ikke nok data

Se, jeg er skeptisk over for det meste, men solid-stat har virkelige fordele. Vil ikke lade som om andet.

Sikkerheden er legit bedre.

Jeg har personligt testet begge typer. Med almindelig lithium-ion bærer vi ansigtsskærme og har ildslukkere overalt. Med solid-prototyper? Stadig forsigtig, men mindre "dette kan eksplodere" energi.

Sidste måned havde vi en testcelle kortslutning. Solid-en er lige blevet varm og holdt op med at virke. Hvis det havde været almindelig lithium-ion, havde vi helt sikkert haft en brand.

Størrelse/vægt ting er ægte HVIS de leverer.

400 Wh/kg i produktion ville være virkelig revolutionerende. Dit EV-batteri kan veje halvt så meget for samme rækkevidde. ELLER samme vægt, dobbelt rækkevidde.

Men det er et stort HVIS. Laboratorieresultater oversættes ikke altid til produktion. For helvede, de oversætter normalt ikke.

Temperaturydelsen skal være bedre.

Faste elektrolytter arbejder ved bredere temperaturområder end flydende. Dit bilbatteri i Chicago vinter ved -20 grader F? Burde fungere bedre. Arizona sommer ved 120 grader F? Også bedre.

Selvom sjov historie - skal nogle keramiske elektrolytter faktisk holdes VARME for at fungere godt. Så du skal bruge en varmelegeme til dit batteri. Som bruger strøm. Slags besejrer formålet lol.

Ingen dendritter.

Dette er inde i baseball, men uanset hvad. Når du oplader lithiumbatterier, kan små metalspidser kaldet dendritter vokse fra den ene elektrode mod den anden. Til sidst trænger de gennem separatoren og kortslutter batteriet. Det er sådan, de fleste lithium-ion-batterier dør.

Faste elektrolytter formodes at blokere dendritter. Hårde materialer, kan ikke trænge igennem. I teorien.

I praksis? Øh. Vi har set dendritter vokse gennem nogle faste elektrolytter. Materialevidenskab er svært.

solid-state batteries

Okay, spænd op, for det er her, jeg vil pisse nogle mennesker af.

De virker næsten ikke lige nu.

Undskyld! Det er sandt! De fleste af de "banebrydende" solid state-batterier-, du læste om i pressemeddelelser? De virker i 10 cyklusser. Måske 50, hvis du er heldig. Under perfekte laboratorieforhold. Ved præcis 25 grader. Med en let brise fra nordøst.

Dit bilbatteri skal fungere i 1000+ cyklusser i Minnesota vinter og Texas sommer og alle steder imellem. Vi er ikke engang tæt på endnu.

Jeg var til en konference sidste år (Battery Symposium i Orlando, marts 2024) og så en præsentation fra en startup, der hævdede 500 cyklusser. Gik til deres stand bagefter. Bedt om detaljer. De blev virkelig stille og hurtigt. Det viste sig, at de 500 cyklusser var på 0,1 C ladehastighed med 4 timer mellem opladningerne. Fuldstændig ubrugelig til rigtige applikationer.

Fremstilling er et absolut mareridt.

Vi har brugt 30+ år på at finde ud af, hvordan vi gør lithium-ion-batterier billige og pålidelige. Fabrikkerne, udstyret, kvalitetskontrollen - det hele er ringet ind.

Solid-tilstand? Starter fra bunden.

Forskelligt udstyr. Forskellige processer. Forskellige fejltilstande. Alt er sværere.

Jeg talte med en fyr fra QuantumScape i sidste måned (vi var begge i en lufthavnsbar, han havde fået 3 øl, blev snakket), og han sagde, at deres største problem ikke engang er teknologien længere. Det er ved at finde ud af, hvordan man laver 10.000 batterier, der alle er identiske. Konsistens i skala er SÅ HÅRDT.

Grænsefladeproblemet dræber alle.

Dette er teknisk, men vigtigt: hvor den faste elektrolyt rører den faste elektrode, får du modstand. Det er som at prøve at føre elektricitet gennem to ru overflader presset sammen. Ikke god kontakt.

Med flydende elektrolyt udfylder væsken alle de mikroskopiske huller. Perfekt kontakt overalt. Med fast-på-solid? Ikke så meget.

Folk prøver alt: specielle belægninger, påføring af tryk, opvarmning af det, nye materialer, offerlag, bufferzoner. Intet fungerer perfekt endnu. Hver løsning skaber nye problemer.

De knækker, og det er virkelig slemt.

Keramiske faste elektrolytter er skøre. Når batterier oplades, svulmer de lidt. Udledning, de skrumper. Gør dette 1000 gange, og din keramik kan revne.

En lille knæk=dødt batteri. Der trænger fugt ind, ydeevnen falder, spillet er slut.

Jeg har set smukke faststofceller-, der fungerede perfekt i 50 cyklusser, hvorefter de knækker og holder op med at virke. Hjerteskærende. Og dyrt.

Polymerelektrolytter knækker ikke så let, men de har langt lavere ionisk ledningsevne. Altid bytte-af.

Prisen får mig til at græde.

Aktuelle estimater anslår, at-solid state-batterier er 10-20 gange så meget som almindelige lithium-ion. pr. kWh.

Ja omkostninger vil falde med skalaen. Det gør de altid. Men vi taler om ÅRS udvikling og MILLIARDER i kapitalinvesteringer, før vi når omkostningsparitet.

Teslas 4680-celler koster som $100/kWh. Solid-tilstand kan være $1000/kWh lige nu. Måske mere. Ingen offentliggør rigtige tal, fordi de er pinlige.

Åh okay, det bliver rodet, for der er ligesom 50+ virksomheder, der hævder, at de er "ved at revolutionere batterier", men lad mig fokusere på, hvem der rent faktisk laver ting:

QuantumScape- Sandsynligvis den længst fremmede for bilapplikationer. Brug af keramisk separator. Støttet af VW og Bill Gates. Deres aktie gik fra $130 til $10. Øv. Men de arbejder stadig og har vist nogle anstændige testresultater. Tidslinjen bliver ved med at glide, hvilket er ... bekymrende, men også realistisk? Jeg ved ikke, hvordan jeg skal have det med dem helt ærligt.

Solid Power- BMW og Ford bakkede op. Sulfid elektrolyt. Sidst jeg hørte, at de stadig havde produktionsproblemer. Deres tidslinje er også skredet. Alles tidslinjer skrider. Det er batteriindustriens foretrukne tidsfordriv.

Samsung SDI- De HAR faktisk-solid-state batterier i produktion! Men de små. Til wearables. Medicinsk udstyr. Hearables (ja det er nu åbenbart et ord). Bilens -størrelse? Stadig i udvikling. De siger 2027. Jeg siger 2029-2030 realistisk.

Toyota- Åh dreng. Toyota har lovet solid-batterigennembrud siden før jeg begyndte at arbejde på dette felt. De indgiver flere patenter end nogen anden. De laver store meddelelser hvert år. Og alligevel... ingen produkter.

Jeg VIL tro på dem. De er Toyota. De kender til fremstilling. Men narre mig en gang, skam dig. Narre mig 47 gange...

De sagde 2025, så 2027, nu er det 2027-2028. Jeg sætter penge på minimum 2030.

Nissan- At være mere stille omkring det, hvilket jeg faktisk respekterer. Lad os sige, at de vil have pilotproduktion i 2024-2025. Mere realistisk tidslinje end nogle andre. Arbejder jeg med NASA om nogle ting, tror jeg? Citer mig ikke.

CATL- Kinesisk virksomhed, verdens største batteriproducent. Når de flytter, lægger alle mærke til det. De arbejder på solid-tilstand, men er MEGET konservative med forudsigelser. Hvilket faktisk får mig til at stole mere på dem. De kender produktionsskalaen. De ved, hvad der er svært.

StoreDot- Israelsk opstart, ekstremt fokus på hurtig opladning. Fede demoer. Skalering er spørgsmålet. Altid spørgsmålet.

Der er også Facttorial Energy, ProLogium, Ionic Materials, Sakuu, Blue Current, Ilika... bogstaveligt talt dusinvis flere. De fleste vil fejle. Sådan fungerer det bare. Batteristarter har en succesrate på 5 %.

Kort svar:Ingen.

Længere svar:Stadig nej, medmindre du køber en prototype EV for $500k+ eller et lille specialbatteri til medicinsk udstyr.

Endnu længere svar:Samsung har nogle solide-batterier tilgængelige, men de er dyre og små. Vi taler som møntcellestørrelse. Ikke nyttig til de fleste applikationer.

De første rigtige forbrugerprodukter med solid-tilstand vil sandsynligvis være:

Premium smartphones- Samsung eller Apple vil gerne have pralerettigheder. "Første solid-batteritelefon!" Fantastisk markedsføring. Sandsynligvis 2026-2027.

Elbiler i begrænset produktion- Nogle luksusmærker vil lave 500 enheder med solid-state-batterier. Kostede $200.000. Bevis, at teknologien virker. 2027-2028.

Avancerede-e-cykler/scootere- Mindre batteri gør det mere økonomisk muligt. 2026?

Massemarked? Mand jeg kender ikke. 2030 tidligst. Måske 2032-2035 for en sikkerheds skyld. Og selv da kan "massemarked" betyde "valgfri opgradering for $10k."

Jeg er nok pessimistisk. Men jeg er blevet skuffet for mange gange.

Lige nu? For det meste PowerPoint-præsentationer.

Men seriøst:

El-biler- Dette er, hvad alle interesserer sig for. 500+ milerækkevidde, 10 minutters opladning, lettere, sikrere. Ville virkelig ændre el-markedet. HVIS det sker.

Telefoner og bærbare computere- Forestil dig, at din telefon holder 2 hele dage med hård brug. Eller være halvdelen af tykkelsen. Eller aldrig have Samsung Note 7-situationer igen. Det er drømmen.

Medicinske implantater- Det er her, nogle solid-batterier ALLEREDE bliver brugt! Pacemakere har brug for batterier, der 100 % ikke vil svigte eller lække inde i din krop. Solid-tilstand er perfekt til dette. Lille batteri, behøver ikke at være billigt, sikkerhed er alt.

Droner/Luftfart- Elektriske fly har brug for den højest mulige energitæthed. Hvert gram betyder noget. Fast-tilstand kunne gøre elektrisk flyvning rent faktisk levedygtig ud over små droner.

Netopbevaring- Måske? Men ærligt talt for stationær opbevaring er vægten ligegyldig. LFP er allerede billig og sikker nok. Svært at slå på omkostningerne. Solid-stat skal være RIGTIG billig for at konkurrere her.

Det bliver jeg konstant spurgt om. Ved fester (batteriingeniører går til fester okay), til konferencer, tilfældige pårørende på Facebook.

Svar: Nej. Vent ikke.

Hvis du vil have en elbil nu, så køb en elbil nu. De nuværende elbiler er virkelig gode! Model 3, Ioniq 5, F-150 Lightning, alle solide valg. Gennemprøvet teknologi. Kendt pålidelighed.

På det tidspunkt, der findes overkommelige solid{0}state elbiler:

Du har allerede kørt din nuværende elbil i 5+ år

Teknikken vil stadig være første-generation med ukendte problemer

Opladningsinfrastrukturen bliver endnu bedre

Priserne på brugte elbiler er måske gået ned, hvem ved

Hvis du planlægger at købe i slutningen af 2027 eller 2028? SÅ vent måske og se, hvad der rent faktisk bliver udgivet. Men sæt ikke dit liv i bero.

Teknologien bliver altid bedre. Der kommer altid noget bedre "snart". Kan ikke vente for evigt.

Jeg ventede med at købe et 4K-tv indtil 2019. Ved du, hvad der skete? De blev billigere og bedre. Men jeg havde heller ikke et 4K-tv i 6 år. Var det det værd? Helt ærligt... nej. Skulle lige have købt en.

solid-state batteries

Okay ikke løgn. Men vildledende.

Alle kaster omkring energitæthedstal. "400 Wh/kg!" "500 Wh/kg!" "900 Wh/kg!"

Her er, hvad de ikke fortæller dig:

Nuværende lithium-ionCELLER: 250-300 Wh/kg
Nuværende lithium-ion-PAKKER: 150-200 Wh/kg

Kan du se forskellen? Pakken inkluderer kabinet, køling, ledninger, batteristyringssystemer. Ligesom 30-40 % af batteripakkens vægt ikke engang er batteri.

Solid-CELL-krav: 400-500 Wh/kg
Solid-PACK-virkelighed: Hvem ved? 250-350 Wh/kg måske?

Så når Toyota siger "dobbelt energitæthed!" de sammenligner bedste-cellenumre med aktuelle pakkenumre. Ikke æbler til æbler.

Reel forbedring på pakkeniveau vil sandsynligvis være 50-75%. Hvilket stadig er fantastisk! Virkelig fantastisk! Men ikke den revolution, markedsføring indebærer.

Energitæthed er heller ikke alt. Strømtæthed har betydning (hvor hurtigt du aflader). Cykluslivet betyder noget. Temperatur ydeevne. Omkostning pr. kWh betyder mest for masseadoption.

Et batteri, der koster $2000/kWh med 500 Wh/kg, er værre end et batteri, der koster $100/kWh med 250 Wh/kg. I hvert fald til de fleste applikationer.

Hvis du er en almindelig person:Glem nu, at solid-tilstand eksisterer. Køb hvad du har brug for med den nuværende teknologi. Det fungerer fint.

Hvis du køber en elbil i 2025-2026:Køb nu med nuværende lithium-ion. Vent ikke. Den perfekte fremtidige EV kommer ikke snart nok.

Hvis du er investor:Dette er høj risiko, høj belønning. Jeg ville satse på etablerede spillere (Samsung, Toyota, CATL) frem for startups. Men det er bare mig. Jeg er risikovillig-, fordi jeg har set for mange batteristarter gå ned og brænde. Bogstaveligt talt i ét tilfælde.

Hvis du er ingeniør:Kom ind i dette felt! Det er frustrerende som pokker, men virkelig spændende. Bare vær forberedt på langsomme fremskridt og masser af blindgyder.

Hvis du planlægger at købe i 2027-2028:Begynd at være opmærksom på, hvem der rent faktisk leverer i forhold til hvem der bare laver meddelelser. Mine penge er på Samsung og måske Nissan.

Hvad man IKKE skal gøre:Køb ikke "solid-batterier tilgængelige nu!" fra sketchy hjemmesider. De lyver. Hvis det er ægte, vil det være i store nyhedsmedier og fra store producenter.

Åh og en ting mere: Hvis du har brug for batterier NU og vil have noget mellem almindelig lithium-ion og solid{1}state-drømmen? Kig indlithium polymer batterier. De er ikke solid-men meget mere sikre end standard li-ion, lækker ikke, og du kan få dem i dag. Brugt i tonsvis af RC-ting og nogle telefoner. Ikke revolutionerende, men faktisk tilgængelig lol.