バッテリー(Battery)技術は何年にもわたって長い道のりを歩んできました。ドローン(drones)やスマートフォンのようなガジェットは、高度な最新のバッテリー技術がなければ実用的ではありません。
ただし、バッテリーの方が常に優れている可能性があります。
固体電池は次の大きな進歩のようであり、それらを使用する製品はもうすぐです。これは、今がそれらが何であるか、そしてなぜそれらが重要であるかを理解する絶好の機会であることを意味します。
「ソリッドステート」とはどういう意味ですか？
それが鉛蓄電池、アルカリ使い捨て電池、または電話のリチウムポリマー電池(lithium polymer batteries)であるかどうかにかかわらず、それらはすべて液体電解質を使用します。電解液は、バッテリーの2つの内部端子を接続する導電性物質です。電子は電解液を通って流れ、バッテリーが電荷を蓄積するか、放電することを可能にします。
全固体電池は、従来の液体電解質の代わりに固体電解質を使用します。これが、2つのバッテリー技術の唯一の根本的な違いです。簡単そうに聞こえますが、エンジニアや科学者は、電解質として機能する固体材料を考え出すのに何十年も苦労してきました。
全固体(Solid State)電池の何が難しい(Hard)のですか？
セラミックやリチウム金属などのさまざまな材料は、固体電解質としての可能性を提供します。問題は、セラミックのアプローチがバッテリーの性能を低下させていることです。リチウム金属は有望ですが、致命的な欠陥があります。バッテリーが充電および放電されると、金属の「デンドライト」が電解液を介して成長します。バッテリーが短絡して危険につながる可能性があります。
これらの問題に対する実用的で経済的に実行可能な解決策を見つけることは、過去数年にわたっていくつかの企業と研究チームの使命でした。今、その仕事は報われようとしています。
なぜこのすべてのトラブルを経験するのですか？全固体電池が従来の電池に比べて約束する利点を見てみましょう。
安全性
バッテリーは大量のエネルギーを蓄え、このエネルギーが制御できない方法で放出される危険性が常にあります。それが起こったとき、それは火事、爆発および他の望ましくない結果を意味する可能性があります。樹状突起の問題が解決されたと仮定すると、全固体電池はより安全でより安定することを約束します。一つには、それらは可燃性ではないので、バッテリーの火災は過去のものでなければなりません。
これは、自動車やドローンなどの電気自動車だけでなく、スマートフォンやラップトップなどの個人用電子機器にとっても重要です。毎年、多くの人が電子機器のバッテリー火災で負傷しています。その結果、家全体が焼け落ちました！
充電速度
最新のリチウム電池は、驚くべき速度で(charge at impressive speeds)充電できますが、それでも充電には長い時間がかかります。すべてが横向きになる前に、従来のリチウムイオン電池に注ぐことができるエネルギー量には制限があります。全固体電池は、現在使用している電池の6倍の速さで充電できると約束しています。つまり、5分で携帯電話を空から満充電までcharging an electric car to 80% in 15充電します。
エネルギー容量とサイズ
リチウム(Lithium)イオン電池は、現在、一般に販売されている電池の中で最も高いエネルギー密度を持っています。それでも、ガソリンよりも何倍も密度が低くなっています。全固体電池は、電池をガスと同等にすることはできませんが、体積あたりのエネルギー密度を2倍以上にすることを約束します。
つまり、ソリッドステートモデルを使用して携帯電話のバッテリーを交換した場合、サイズを大きくすることなく、理論的には2倍の長さで動作する可能性があります。これは、電気自動車のもう1つの大きなセールスポイントです。電気自動車は、距離の不安のおかげで、それほど人気がありません。
寿命と耐久性
現在のほとんどのリチウムイオン電池は、約500回の完全充放電サイクル後に劣化し始めます。その後、バッテリーはほとんど充電できないまで容量を失い始めます。(battery begins to lose its capacity)バッテリーが密閉される傾向にあるスマートフォンでは、これによりデバイスの寿命が大幅に制限されます。全固体電池は、その制限を大幅に増やすことを約束します。5回も。
したがって、一般的な日常使用の電話のバッテリーが2〜3年後に劣化し始める可能性がある場合、全固体電池は最大15年間(fifteen years)定格容量のままになります。バッテリーの交換に非常に費用がかかる電気自動車では、このクラスの自動車の所有コストに劇的な影響を与える可能性があります。
全固体電池の弱点
これがすべて真実であるには良すぎるように聞こえる場合、テクノロジーにはいくつかの注意点があります。これらのいくつかは、全固体電池技術の普及を達成する前に解決する必要があります。
- コスト(Cost )はおそらく最大の敵です。研究(Research)チームと新興企業は、これらのバッテリーの製造プロセスをより安価でスケーラブルにするために懸命に取り組んでいます。一部の企業は近いと主張していますが、これらのバッテリーを搭載した製品の実際の価格を確認するまで、どれほど成功したかはわかりません。
- これらのバッテリーは低温でも苦労し(struggle at low temperatures)ます。したがって、それらを絶縁するか、またはそれらを良好な動作温度に保つことを含むソリューションは、課題の一部です。
全固体(Solid State)電池はいつ購入できますか？
Solid PowerやQuantumScapeのようないくつかの会社があり、これらは商用の全固体電池アプリケーションの頂点にあると主張しています。
トヨタは早くも(Toyota)2021年(2021)に全固体電池電気自動車を販売する予定です。Solid PowerとQuantumScapeはどちらも、それぞれ2022年と2024年に車両用のバッテリーの展開を目指しています。これは、次の2、3年で、バッテリー革命の始まりになる可能性があることを意味します。
それは、グラフェンを使用することから生じる可能性にさえ入る前です。この不思議な素材は、液体または固体の電解質が含まれているかどうかにかかわらず、さらに優れたバッテリーを約束します。グラフェンをボールに乗せることは、科学者やエンジニアを予想以上に長い間避けてきましたが、今すぐハイブリッドグラフェンパワーバンク(hybrid graphene powerbank)を購入することができます。本当に(Truly)、未来はここにあります。
What Are Solid State Batteries and Why Are They Important?
Battery technology has come a long way over the years. Gadgеts like drones and smartphones would be impractical without advanced modern battery technology.
However, batteries could always be better!
Solid state batteries seem to be the next big advancement and products that use them are around the corner. This means now is the perfect time to familiarize yourself with what they are and why they’re important.
What Does “Solid State” Mean?
Whether it’s a lead acid car battery, alkaline disposables, or lithium polymer batteries in a phone, they all use a liquid electrolyte. The electrolyte is a conductive substance that connects the two internal terminals of the battery. Electrons flow through the electrolyte, allowing the battery to either build up an electrical charge or to discharge it.
A solid state battery uses a solid electrolyte, instead of the traditional liquid electrolyte. That’s the only fundamental difference between the two battery technologies. It sounds simple enough, but engineers and scientists have been struggling for decades to come up with a solid material that can act as an electrolyte.
What’s Hard About Solid State Batteries?
Various materials, such as ceramics and lithium metals, offer potential as solid state electrolytes. The problem is that the ceramic approach has resulted in poor battery performance. Lithium metals are promising, but have a fatal flaw. As the battery is charged and discharged, metal “dendrites” grow through the electrolyte. The battery can short-circuit and turn into a hazard.
Finding practical and economically viable solutions to these issues has been the mission of several companies and research teams over the past few years. Now that work is about to pay off.
Why go through all this trouble? Let’s look at the benefits that solid state batteries promise over traditional ones.
Safety
Batteries store large amounts of energy and there’s always a danger that this energy can be released in an uncontrolled way. When that happens, it can mean fire, explosions and other unwanted outcomes. Solid state batteries, assuming the dendrite issue is resolved, promise to be safer and more stable. For one thing, they aren’t flammable, so battery fires should be a thing of the past.
This is not only important for electric vehicles such as cars and drones, but also for personal electronics such as smartphones and laptops. Many people are injured every year by battery fires in their electronic gadgets. Entire houses have been burned to the ground as a result!
Recharge Speed
Modern lithium batteries can charge at impressive speeds, but they still take a long time to fill up. There’s a limit to how much energy you can pour into a traditional lithium ion battery before it all goes sideways. Solid state batteries promise to charge as much as six times faster than the batteries we currently use. That means charging up your phone from empty to full in five minutes or charging an electric car to 80% in 15.
Energy Capacity and Size
Lithium ion batteries currently have the highest energy density of any battery type sold to the public. Yet it’s still many times less dense than gasoline. While solid state batteries don’t bring batteries up to par with gas, it does promise to more than double the energy density per volume.
In other words, if you changed the battery in your phone using a solid state model, it could theoretically run twice as long without increasing in size. This is yet another big selling point for electric vehicles, which aren’t as popular as they could be, thanks to range anxiety.
Lifespan and Durability
Most current lithium ion batteries start to degrade after about 500 full charge-discharge cycles. After that point the battery begins to lose its capacity until it can barely hold a charge at all. In smartphones, which now tend to have sealed batteries, this puts a hard limit on device lifespan. Solid state batteries promise to greatly increase that limit. As much as five times.
So, where a typical daily-use phone battery might start to degrade after two to three years, a solid state battery would remain at its rated capacity for up to fifteen years. In electric cars, where the replacement of batteries is extremely costly, that could have a dramatic effect on the cost of ownership for this class of vehicles.
Solid State Battery Weaknesses
If this all sounds too good to be true, there are a few caveats to the technology. Some of these still need to be solved before widespread adoption of solid state battery technology is achieved.
- Cost is perhaps the greatest foe. Research teams and startup companies are working hard on making the production process for these batteries cheaper and scalable. Some companies claim to be close, but we won’t know how successful they’ve been until we see the actual prices on products with these batteries.
- These batteries also struggle at low temperatures. Therefore, solutions that involve insulating them or keeping them at a good operational temperature are part of the challenge.
When Can You Buy Solid State Batteries?
There are a few companies like Solid Power and QuantumScape, which claim to be at the cusp of commercial solid state battery applications.
Toyota plans to have solid state battery electric vehicles for sale as early as 2021. Both Solid Power and QuantumScape are aiming for a rollout of batteries for vehicles in 2022 and 2024 respectively. This means that in the next couple of years we could be right at the start of a battery revolution.
That’s before we even get into the possibilities that come from using graphene. This wonder material promises even better batteries, whether they have liquid or solid electrolytes in them. Getting graphene to play ball has eluded scientists and engineers for longer than expected, but you can already buy a hybrid graphene powerbank right now. Truly, the future is here.
