Solid-state-batterier innehåller inga flytande delar som kan läcka eller fatta eld. Av denna anledning, de kräver ingen kylning, och anses vara mycket säkrare, mer pålitlig, och håller längre än traditionella litiumjonbatterier. Juelich-forskare har nu introducerat ett nytt koncept som tillåter strömmar upp till 10 gånger större under laddning och urladdning än vad som tidigare beskrivits i litteraturen.

Lågström anses vara ett av de största hindren i utvecklingen av solid state-batterier eftersom batterierna tar relativt lång tid att ladda, vanligtvis cirka 10 till 12 timmar i fallet med ett helt urladdat batteri. Den nya celltypen som Jülich-forskare har designat, dock, tar mindre än en timme att ladda.

"Med de begrepp som hittills beskrivits, endast mycket små laddnings- och urladdningsströmmar var möjliga på grund av problem vid de interna halvledargränssnitten. Det är här vårt koncept baserat på en gynnsam kombination av material kommer in i bilden, och vi har redan patenterat det, " förklarar Dr. Hermann Tempel, gruppledare vid Juelich Institute for Energy and Climate Research (IEK-9).

I konventionella litiumjonbatterier, en flytande elektrolyt används, som vanligtvis kontaktar elektroderna väldigt bra. Med sina strukturerade ytor, elektroderna suger upp vätskan som en svamp, skapa en stor kontaktyta. I princip, två fasta ämnen kan inte förenas sömlöst. Kontaktresistansen mellan elektroderna och elektrolyten är motsvarande hög. "För att tillåta största möjliga strömflöde över skiktgränserna, vi använde mycket liknande material för att tillverka alla komponenter. Anoden, katod, och elektrolyt tillverkades alla av olika fosfatföreningar för att möjliggöra laddningshastigheter högre än 3C (vid en kapacitet på cirka 50 mAh/g). Detta är tio gånger högre än de värden som annars finns i litteraturen, " förklarar Hermann Tempel.

Den fasta elektrolyten fungerar som ett stabilt bärarmaterial på vilket fosfatelektroder appliceras på båda sidor med hjälp av screentryckningsprocessen. Materialen som används är rimligt prissatta och relativt lätta att bearbeta. Till skillnad från konventionella litiumjonbatterier, det nya solid-state-batteriet är också i stort sett fritt från giftiga eller skadliga ämnen.

"I de första testerna, den nya battericellen var mycket stabil över 500 laddnings- och urladdningscykler och behöll över 84 procent av sin ursprungliga kapacitet, " sa Dr Shicheng Yu. "Det finns fortfarande utrymme för förbättringar här. Teoretiskt sett, en kapacitetsförlust på mindre än 1 procent borde till och med vara möjlig, sa Yu, som utvecklade och testade batteriet som en del av ett China Scholarship Council (CSC) finansieringsprogram vid Jülich Institute for Energy and Climate Research (IEK-9).

Institutets direktör Prof. Ruediger-A. Eichel är också övertygad om fördelarna med det nya batterikonceptet. "Energitätheten är redan mycket hög på cirka 120 mAh/g, även om det fortfarande är något under dagens litiumjonbatterier, " säger Eichel. Förutom utvecklingen för elektromobilitet, talesmannen för ämnet "batterilagring" i Helmholtzföreningen tror att solid-state-batterier kommer att användas även på andra områden i framtiden:"Solid-state-batterier utvecklas för närvarande med prioritet som energilagring för nästa generations elfordon. Men vi tror också att solid state-batterier kommer att råda inom andra användningsområden som kräver lång livslängd och säker drift, såsom medicinsk teknik eller integrerade komponenter i det smarta hemområdet, säger Eichel.