Säkrare batterier som håller längre

Medan de senaste massiva återkallelserna har belyst säkerhetsproblemen för litiumjonbatterier, har dagens batteriteknik faktiskt ett antal svagheter. Om batterier är skadade, överladdade eller överhettade kan de explodera (se Säkrare litiumjonbatterier). Men de läcker också energi och förlorar kraft och livslängd om de används i extrema temperaturer, till exempel en vinterdag i Iowa eller en värmebölja i Arizona.

Långvariga tunnfilmsbatterier kan driva medicinska implantat och fjärrsensorer i årtionden och så småningom användas i elfordon.

En ny typ av uppladdningsbart batteri kommer snart att finnas tillgänglig kommersiellt som övervinner dessa problem. Men till en kostnad.

Dessa nya batterier ersätter vätske- eller gelelektrolyten med tunna lager av fasta glasliknande eller polymera material, som är mer stabila. Ingenting kan läcka, ingenting kan frysa, ingenting kan koka, spricka eller explodera, säger Tim Bradow, vice vd för affärsutveckling på Infinite Power Solutions i Golden, CO, en ledande utvecklare av tunnfilmsbatterier.

I ett batteri tillåter elektrolyten positiva joner att flytta från en elektrod till den andra, samtidigt som den tvingar elektroner att resa genom en extern krets, vilket ger ström. Bradows företag och en handfull andra använder en solid glasartad elektrolyt, som de deponerar som ett av en serie platta lager som utgör batteriet.

Förutom att vara säkrare tillåter detta solida material utvecklare att använda elektroder av ren litiummetall, som har potential att avsevärt öka lagringskapaciteten. Batterierna kan överleva extrem kyla och värme, vilket innebär att de till exempel kan byggas in i gummidäck för att driva lufttryckssensorer, säger John Bates, teknisk chef på Oak Ridge Micro-Energy i Tennessee.

Tunnfilmsceller kan också lagras i decennier och behåller nästan all sin laddning, säger utvecklarna – och levererar en kraftfull ström av energi när det äntligen behövs. Och i många applikationer kan de användas aktivt i årtionden, eftersom de kan laddas och laddas ur tiotusentals gånger.

Dessa egenskaper gör tunnfilmsbatterier idealiska för vissa nya teknologier. Fjärrsensorer som tar bort små mängder energi från vibrationer, radiosändningar eller ljus kräver batterier som kan lagra denna mikrotillförsel av energi utan att läcka bort den över tiden. Och fjärrsensorer behöver de högeffektskurar som många av dessa celler kan leverera för att skicka data via radiosignaler till en centralstation.

Förmågan att driva radioöverföring är också viktig för framtida medicinska implantat som kommer att leverera läkemedel eller mäta glukosnivåer. Och dessa applikationer kommer också att dra nytta av batteriernas långa livslängd; de kan laddas och laddas ur under många år, vilket eliminerar behovet av operation för att ersätta dem. Det är den perfekta typen av batteri för att driva vilken RF-enhet som helst, eftersom den är pulserande direkt-på och sedan går den i viloläge, säger Bradow. Det är vad vårt batteri älskar och andra batterier hatar. Hans företag planerar att börja masstillverka sina batterier nästa år.

Ändå kanske tunnfilmsbatterier inte är nästa generations val för de flesta bärbara datorer. Det beror på att de processer som används för att göra dem, såsom fysisk ångavsättning, fortfarande är för dyra för att producera stora batterier. Dessutom rymmer dessa batterier, som bara kan vara en tiondels millimeter tjocka, var och en endast mikromängder energi - så lite som en tusendel av mängden i dagens batterier för bärbara datorer. Även om de kunde staplas för att ge tillräcklig lagringskapacitet, skulle de förpackningsskikt som separerar de aktiva materialen i varje batteri upphäva deras kapacitetsfördelar. Det vill säga, de skulle förmodligen kosta mer, men inte nödvändigtvis vara mindre.

De första applikationerna, som i industriella sensorpaket i högtemperaturutrustning eller oljekällor, kommer att vara sådana där köpare är villiga att betala $100 styck för batterier som uppfyller deras behov. Bradow säger att deras batterier skulle kunna tillverkas för mycket mindre i höga volymer, vilket gör dem så småningom praktiska för distribuerade sensornätverk.

Trots de nuvarande nackdelarna med tunnfilmsbatterier säger Donald Sadoway, professor i materialkemi vid MIT, att vissa versioner av dem kommer att driva bärbara datorer – och elfordon – i framtiden. Enligt hans uppfattning är deras viktigaste fördel, förutom säkerheten, att de tillåter användning av rent litium i en av elektroderna, vilket inte är möjligt med flytande elektrolyter: Om du kan byta till litium har du uppnått det ultimata i anodkapacitet, säger han.

I motsats till den glasliknande elektrolyten som används av Infinite Power Solutions och andra, har Sadoway utvecklat en fast polymerelektrolyt (dagens litiumjonpolymerbatterier använder en gel) för användning i tunnfilmsbatterier. Denna elektrolyt, säger han, skulle kunna bearbetas i rullar som tidningspapper eller någon annan process med hög genomströmning. En sådan process för tunnfilmsbatterier, även om den inte nu utvecklas av industrin, kan sänka kostnaderna, säger han, medan innovativa sätt att förpacka elektroder kan minska storleken. Vi har tillverkat batterier i laboratoriet som är 300 wattimmar per kilo, säger han. Det är två gånger det bästa litiumjonbatteriet på marknaden idag.

Dölj