Utmaningar med solid state-batterier: Varför elbilen med 1000 km räckvidd inte finns ännu

Det här är en berättelse om blind tilltro. På 1980-talet experimenterade fysikern John B. Goodenough och hans team med material som alla trodde inte kunde producera högspänningsbatterier. Och de gjorde ett genombrott. Medan vanliga litiumjonbatterier som används i elbilar har en nominell spänning på omkring 1,5 volt, ledde Goodenoughs experiment till solid state-batterier som kunde nå 4 till 5 volt.

”Vi visste inte att man egentligen inte skulle kunna få ut så hög spänning ur det”, mindes han. ”Men eftersom jag inte visste det, gick vi vidare och gjorde det ändå. Och det var stabilt.”

Men om dessa batterier är så lovande, varför finns de då inte i varje bil redan? Och när kommer de att göra det (om de ens gör det)? Läs vidare för att ta reda på det.

Ett solid state-batteri är en avancerad batteriteknik där den flytande elektrolyten som används i konventionella litium-jon-celler ersätts med ett fast material. Denna skillnad i design gör batteriet säkrare, gör att det kan lagra mer energi och möjliggör snabbare laddning. Det är ännu inte i massproduktion.

Ett solid state-batteri använder två laddade delar (anod och katod) och en fast elektrolyt. Den fasta elektrolyten skapar en miljö där joner (laddade atomer) kan röra sig för att batteriet ska fungera. Dessutom förhindrar den fysiskt att elektroderna rör vid varandra, vilket på så sätt förhindrar en kortslutning.

• Anoden är där batteriet lagrar energi i ett laddat tillstånd. Och det är det som gör solid state-batteriet så vackert annorlunda jämfört med litium-jon-batterierna. Fast elektrolyt möjliggör användning av mycket mer effektivt litiummetall, till skillnad från konventionella batterier, som måste använda grafit.

• Katoden är där energin tar vägen när batteriet används. Vanligtvis är den gjord av en blandning av litium, nickel, mangan och kobolt. I solid state-batterier är katoden densamma som i de traditionella.

• Den fasta elektrolyten är mellanlagret. Den låter joner röra sig mellan anoden och katoden. Den gör hela saken mycket säkrare, eftersom den är icke-brandfarlig jämfört med när en flytande elektrolyt används för samma syfte.

Solid state-batterier använder joner för att flytta laddning mellan elektroderna, precis som litiumjon-batterier. De ersätter dock vätskan med en fast elektrolyt. Denna förändring gör det möjligt att använda en ren litiummetall-anod istället för grafit. Många av förbättringarna som nämnts tidigare blir möjliga tack vare litiummetall.

Grafit, som används i litiumjon-batterier, begränsar hur mycket energi batteriet kan lagra. Som ett resultat behöver batterier vara större för att rymma mer kraft. En litiummetallanod gör det möjligt att lagra nästan dubbelt så mycket energi, så batterierna blir lättare och räckvidden ökar (hittills, i teorin). För några månader sedan demonstrerade Mercedes-Benz potentialen i solid state-batteriteknik genom att köra ett modifierat EQS-testfordon 1 205 km från Stuttgart till Malmö på en enda laddning.

*Trots att flytande elektrolyter är brandfarliga är brandrisken i elbilar cirka 60 gånger lägre än i bilar med förbränningsmotorer.

I teorin kan solid state-batterier överträffa litiumjonbatterier. De är dock ännu inte fullt utvecklade för massproduktion. I framtiden kan solid state-batterier erbjuda längre räckvidd och livslängd, snabbare laddning och bättre motståndskraft mot extrema temperaturer jämfört med litiumjonbatterier.

• Litiumjon: Vanligtvis 300–600 km per full laddning i moderna elbilar, med maximal räckviddspotential på 1000+ km.

• Solid state: Potentiellt 20–50 % högre energitäthet, vilket kan innebära en avsevärt längre räckvidd på 1000+ km utan att öka batteriets storlek eller vikt.

• Litiumjon: Vanligtvis 500–2 000 cykler.

• Solid state: Potentiellt 5,000+ cykler.

• Litiumjon: Låga temperaturer (t.ex. –20 °C) kan orsaka en kraftig prestandaförsämring, medan höga temperaturer (t.ex. +60 °C) kan skada batteriet.

• Solid state: Förväntas hantera extrema temperaturer betydligt bättre, men tidiga prototyper har fortfarande vissa begränsningar.

• Litiumjon:

  AC: cirka 3–12 timmar
  DC: 10–80 % på 20–40 minuter om effektleverans och batteridesign tillåter

• Solid state:

  AC: cirka 3–12 timmar
  DC: 10–80 % på 10–15 minuter om effektleverans och batteridesign tillåter

• Litiumjon: Prisvärda, brett tillgängliga och med en mogen leveranskedja. Fördelar gör dem till standard i dagens elbilar.

• Solid state: Dyra och i dagsläget begränsade till prototyper; massproduktion är fortfarande en utmaning.

Japan är ledande just nu, främst tack vare Toyota, som siktar på att ha nästa generations batterier med en räckvidd på cirka 1 000 km klara 2027–2028. I USA fokuserar ett startupbolag på batteridesign för ultrasnabb laddning och förväntar sig att påbörja massproduktion 2026. Kina skalar nu snabbt upp semi-solid-batterier och siktar på fullskaliga solid state-batterier under perioden 2027–2030.

Toyota utvecklar främst sulfidbaserade solid state-batterier och har redan meddelat genombrott för att förbättra hållbarheten/livslängden. Samtidigt utforskar konkurrenter och forskare även oxider, polymerer och glaskeramer som alternativa fasta elektrolyter. Det japanska företaget samarbetar med kemiföretaget Idemitsu Kosan för att etablera en småskalig produktionslinje för litiumsulfid (ett viktigt elektrolytmaterial).

Toyota siktar på världens första praktiska användning av hel-solida (all-solid-state) batterier i elbilar 2027–2028. De första batterierna förväntas få en imponerande räckvidd på över 1 000 km.

QuantumScape, ett framstående amerikanskt startupbolag med fokus på solid state-litium-metallbatterier, använder en anodlös design och en egenutvecklad fast keramisk separator. Denna konstruktion är avsedd att öka energitätheten och minska laddtiden från 10 till 80 % till under 15 minuter.

Företaget samarbetar med Volkswagens PowerCo och har redan levererat avancerade prototypceller (den B1 ”Cobra”-baserade QSE-5) för tester i motorcyklar och andra fordon. Massproduktion av QSE-5-cellen för kommersiellt bruk förväntas kunna starta så tidigt som 2026.

Som alltid när det gäller e-mobilitet och innovation står Kina inte stilla. Företag som Chery och Sunwoda driver utvecklingen av högenergiprototyper med upp till 600 Wh/kg. De arbetar också med semi-solid state-batterier, som är ett smart mellansteg mot fulla solid state-batterier och enklare att kommersialisera redan nu.

Chery har redan presenterat sitt högdensitetsmodul för helsolida batterier med en mycket imponerande målräckvidd på över 1 300 km. Företaget planerar att påbörja inledande fordonstester 2027. Dessutom siktar CATL och BYD, världens två största batterileverantörer från Kina, på kommersiella lanseringar under perioden 2027–2030.

Solid state-batterier står fortfarande inför flera utmaningar, bland annat bristande kontakt mellan fasta komponenter, höga tillverkningskostnader, svårigheter med uppskalning och frågetecken kring hållbarhet i verklig användning.

Dagens batterier i fordon som VW ID.3 eller Fiat 500e använder en flytande eller gelbaserad elektrolyt. Den flyter lätt runt de fasta komponenterna (katod och anod) och möjliggör transport av litiumjoner fram och tillbaka. Solid state-batterier använder däremot en styv, fast elektrolyt. Utmaningen är att dessa fasta komponenter inte binder till varandra lika perfekt som vätskor, som naturligt fyller ut mellanrum betydligt bättre.

Men detta är bara halva problemet. När du laddar bilen kan mikroskopiska spikar av litiummetall, så kallade dendriter, växa på anoden, något som är helt normalt. Eftersom den fasta elektrolyten är stel blir dessa spikar dock betydligt farligare. De kan tränga rakt igenom elektrolyten och orsaka en kortslutning. Innan detta problem är löst är massproduktion inte möjlig.

Man kan inte bara bygga om en befintlig litiumjonfabrik och säga att den nu producerar solid state-batterier. Företag behöver bygga nya anläggningar och investera i specialiserad utrustning för att hantera och montera de nya, känsliga fasta materialen. Detta är mycket kostsamt, även för stora batteritillverkare, och leder naturligt till höga initiala produktkostnade. Tillverkare försöker lösa detta på olika sätt. Ett exempel är att Volkswagen samarbetar med QuantumScape för att påskynda produktionen av katodmaterial till sina helsolida batterier.

Det är enkelt att tillverka en perfekt solid state-cell i frimärksstorlek i ett forskningslabb. Det är däremot exponentiellt mycket svårare att på ett tillförlitligt och kostnadseffektivt sätt producera miljontals celler i storleken av en laptop eller större för att driva en elbil. Detta är också anledningen till att nya partnerskap växer fram. Toyota samarbetar med Sumitomo Metal Mining, vilket gör att de kan dela FoU-kostnader, säkra materialförsörjningskedjor och säkerställa att det finns en köpare och verklig användning för batterierna när de är redo.

Ett elbilsbatteri måste tåla mycket under sin livslängd. Även försiktiga förare kan inte undvika gupp, värme eller sträng kyla. Solid state-batterier behöver förbli robusta och fungera tillförlitligt genom allt detta. BMW, Solid Power och Samsung SDI arbetar med frågan och har nyligen bildat ett trepartssamarbete där Solid Power levererar den fasta elektrolyten, Samsung SDI bygger cellerna och BMW ansvarar för modul-/packutveckling och fordonsintegration. Tillsammans kan de säkerställa att hela systemet klarar de påfrestningar som ställs i fordonsmiljö.

Solid-state-batterier förväntas börja dyka upp runt 2027 till 2028. Stora biltillverkare som Toyota och batteritillverkare som Samsung SDI siktar på att påbörja massproduktion och använda dem i några få high-end elbilsmodeller.

Bred användning i de flesta elbilar och andra enheter kommer att ta längre tid. För att det ska hända behöver produktionskostnaderna sjunka, och fabriker måste kunna tillverka dem i stor skala. Vi förväntar oss att se det efter 2030.

Till 2035 prognostiseras solid-state-batterier nå en total kapacitet på 1 200 GWh och ta en betydande del av den globala batterimarknaden. Enligt professor Achim Kampker (PEM), kan försäljningspotentialen nå 550 miljarder euro, vilket gör även en liten andel mycket attraktiv.

Flera batteritekniker, inklusive förbättrade versioner av dagens litiumjonkemi, utvecklas för att öka räckvidden, sänka kostnaderna och göra elbilar mer tillgängliga. Här är en enkel översikt över de mest relevanta alternativen.

Solid state är inte det enda sättet att uppgradera elbilar. Traditionella litiumjonbatterier blir hela tiden bättre. Tillverkare förbättrar dem genom kisel-förstärkta anoder, nickelkemier med högre energitäthet och avancerade LFP-varianter (som LMFP) för att förbättra prestandan samtidigt som batterierna hålls säkra och prisvärda.

Natriumjonbatterier ersätter litium med mer vanligt förekommande och billigare natrium. De har mycket bra prestanda i kyla och kan urladdas helt ner till noll volt utan att ta skada. Ja, de har låg energitäthet, men de är ett robust och lågkostnadsalternativ för energilagring i elnätet och små elbilar för stadskörning.

Dessa nästa generations batterier använder en svavelkatod och en litiummetallanod. De passar bra i tillämpningar där vikten är avgörande, som flyg eller elbilar i premiumsegmentet. Svavel är billigt och finns i stor mängd, så man behöver inte längre oroa sig lika mycket för priserna på kobolt eller nickel. Problemet är att den så kallade ”polysulfid-shuttle-effekten” gör att batteriet tappar kapacitet snabbt. Det begränsar livslängden till cirka 300–500 cykler.

Det är möjligt att solid state-batterier i framtiden kommer att bli det främsta valet för elbilar. De höga kostnaderna gör att de sannolikt debuterar i premiummodeller, ungefär som dagens NCA-litiumjonbatterier som finns i högpresterande elbilar som Tesla Model S och Lucid Air. Ledande biltillverkare, inklusive BMW och Mercedes, planerar att integrera solid state-batterier i sina fordon till 2030.

Under tiden kommer traditionella NMC-batterier (bra räckvidd och prestanda till ett rimligt pris) och LFP-batterier (säkra, hållbara och prisvärda) att fortsätta spela en viktig roll. De har redan en utmärkt kombination av kostnad, räckvidd och tillförlitlighet och förbättras ständigt. För många förare kommer dessa batterier att förbli ett praktiskt och pålitligt val i många år framöver.