De flesta som kör elbilar oroar sig för några saker: hur långt bilen kan gå på full laddning, hur batteriet fungerar när det blir väldigt kallt ute och hur snabbt det kan laddas. En ny forskningsartikel publicerad i tidskriften Nature den 25 februari visar att vi kan vara nära att lösa två av dessa problem samtidigt.
Forskningen kommer från ett team som leds av professor Zhao Qing och akademiker Chen Jun vid Nankai University, tillsammans med Li Yong från Shanghai Institute of Space Power Sources. De hittade ett sätt att göra litiumbatterier mycket kraftfullare. Specifikt nådde de en energitäthet på 700 Wh/kg. De bästa batterierna som används i bilar idag fyller vanligtvis runt 250 Wh/kg till 255 Wh/kg, och halvledarbatterier lovar runt 500 Wh/kg.
För att förstå varför detta är viktigt, tänk på ett batteri som en bränsletank. Om du har två tankar med samma vikt, men en rymmer tre gånger mer energi, kan din bil köra mycket längre utan att stanna. Den nya tekniken nästan tredubblar energikapaciteten jämfört med nuvarande standarder. Detta innebär att elbilar så småningom kan resa mycket längre sträckor utan att behöva massiva, tunga batteripaket som tynger fordonet.
Hemligheten med detta krafthopp ligger i vätskan inuti batteriet - elektrolyten. Batterier använder en blandning av litiumsalter och karbonatlösningsmedel, som är beroende av syreatomer för att hjälpa litiumet att röra sig. Detta fungerar ganska bra, men det har stora nackdelar. De flytande elektrolyterna är tjocka och sprids inte lätt. De slutar också fungera bra när temperaturen sjunker, vilket är anledningen till att många elbilar tappar räckvidd under vintern.
Det kinesiska laget bestämde sig för att prova något annat. De skapade en ny typ av vätska med hjälp av fluorerade kolvätelösningsmedel. Istället för att använda syre för att flytta litiumet använde de fluor. Denna förändring gör vätskan mycket "blötare", så batteriet behöver mindre av det för att fungera. Eftersom vätskan är tunnare och flyter bättre kan den flytta energi mycket snabbare.
Den nya designen presterar otroligt bra i kylan. Traditionella batterier ger ofta upp när det fryser, men de nya cellerna kan fortfarande fungera vid -50°C. Även vid den extrema temperaturen håller batteriet en energitäthet på nästan 400 Wh/kg. Det är fortfarande högre än vad de flesta avancerade elbilar erbjuder vid rumstemperatur idag.
Teamet förklarade att de måste vara mycket försiktiga med hur de skapade den nya elektrolyten - de var tvungna att balansera "utrymmet" inuti vätskan så att litiumatomerna kunde röra sig fritt. Genom att byta från syre till fluor tog de bort flaskhalsen som höll tillbaka prestandan, vilket gjorde att batteriet blev både lättare och starkare på samma gång.
Många företag tävlar om att bygga solid-state-batterier, som ofta kallas branschens "heliga graal". Men även de batterierna når vanligtvis bara cirka 400 Wh/kg. Den nya upptäckten visar att "flytande" batterier faktiskt kan slå solid-state tech om kemin är rätt. Om detta går från labbet till fabriken kan det förändra hur vi bygger allt från leveransbilar till flygplan.
Dessa batterier kan driva avancerade robotar eller till och med utrustning som används i rymden. För närvarande hänvisar siffran på 700Wh/kg endast till den individuella cellen, men när dessa celler väl är sammansatta i ett komplett batterisystem kommer vinsterna att bli betydande. Denna forskning visar att litiumbatterier fortfarande har outnyttjad potential och utmanar de förväntningar som solid-state-teknologin ställer.
