Accelerering af solid-state batterigennembrud med AI

Den hastigt voksende verden inden for batteriteknologi forventes at være værd over $100 milliarder i de kommende år, takket være den stigende adoption af elbiler (EV), installationen af forskellige batterier og strømforsyningen af datacentre.

Blandt forskellige batterityper er lithium‑ion den mest populære, og udgør en massiv markedsandel på 44 %. Li‑ion‑batterier er genopladelige batterier, der oftest anvendes i dagens verden og driver vores mobiltelefoner, bærbare computere og anden forbrugerelektronik samt elbiler og energilagringssystemer.

Selvom lithium‑ion‑batterier tilbyder mange fordele med hensyn til letvægt, høj ledningsevne og høj energitæthed, har de problemer med levetid. Sikkerhed er en anden stor udfordring, da de indeholder en flygtig, flydende elektrolyt, som kan antænde, hvis den beskadiges eller overophedes.

Som følge heraf er solid‑state‑batterier (SSB) opstået som et alternativ til flydende batterier (LSB), som benytter faste elektrolytter for at undgå lækage eller gasudslip.

Udover større sikkerhed giver sådanne batterier også fordele som miniaturisering, letvægt, hurtigere opladning, fremragende pakkingsudnyttelse, drift over et bredt temperaturinterval og lang holdbarhed.

Solid‑state‑batterier er dog ikke en ny opdagelse. De blev først introduceret i det 19. århundrede, men på trods af deres lange eksistens har de ikke opnået udbredt anvendelse. Det ændrer sig nu med den voksende elektrificeringstrend og behovet for bedre og sikrere alternativer til de udbredte Li‑ion‑batterier.

Midt i den fornyede interesse for teknologien optimerer forskere solid‑state‑batterier gennem en flerfacetteret tilgang, der fokuserer på materialer, struktur og grænsefladedesign samt udnyttelse af datadrevne AI‑teknikker. 

Løbende arbejde med at forbedre SSB’er

Forskere over hele verden arbejder hårdt på at forstå og forbedre solid‑state‑batterier for at drive fremtiden. Nogle nylige, fremtrædende studier udført inden for dette område er som følger:

Dekodning af SSB’er

Forskere fra University of Missouri foretog en dybdegående undersøgelse af problemer med solid‑state‑batterier og måder at overvinde dem på for at hjælpe SSB’er med at blive en realitet.

De brugte 4D scanning transmission electron microscopy (STEM) til at analysere batteriets atomstruktur uden at demontere det og fandt, at interfaselagret var årsagen til problemet.

I SSB’er fører en fast elektrolyt, der berører katoden, til en reaktion, der danner et 100 nm tykt interfaselag. Selvom dette lag er 1.000 gange tyndere end et enkelt hår, blokerer det den problemfri overførsel af lithiumioner og elektroner, hvilket øger modstanden og forringer batteriydelsen.

Efter at have gjort denne opdagelse planlægger assisterende professor Matthias Young nu at teste, om hans labs specialisering, tynde film fremstillet ved en proces kaldet oxidativ molekylær lagdeponering (oMLD), kan danne beskyttende belægninger og hjælpe med at forhindre, at den faste elektrolyt og katodematerialerne reagerer med hinanden.

“Belægningerne skal være tynde nok til at forhindre reaktioner, men ikke så tykke, at de blokerer lithiumionstrømmen,” sagde han. “Vi sigter mod at bevare de højtydende egenskaber ved den faste elektrolyt og katodematerialerne. Vores mål er at bruge disse materialer sammen uden at gå på kompromis med deres ydeevne for kompatibilitetens skyld.”

Udforskning af LLZO’s potentiale som fast elektrolyt i SSLMB

Et nyligt studie af forskere ved Tohoku University evaluerede garnet‑type faste elektrolytter til solid‑state lithiummetalbatterier (SSLMB), som betragtes som en lovende teknologi på grund af deres potentiale for forbedret energiydelse og sikkerhed.

Det fandt, at de forventede energitæthedsfordele ved disse batterier muligvis er overvurderede.

Ifølge dette studie giver en fuldstændig solid‑state lithiummetalbatteri (ASSLMB) med den førende faste elektrolyt LLZO (lithium lanthanum zirconiumoxid) kun en marginal stigning i energitæthed sammenlignet med nuværende Li‑ion‑batterier, samtidig med at den medfører høje produktionsomkostninger og produktionsudfordringer.

Ifølge studiet ville ASSLMB opnå en gravimetrisk energitæthed på 272 Wh/kg sammenlignet med Li‑ions 250‑270 Wh/kg, hvilket gør quasi‑fast‑state elektrolytter til mere levedygtige alternativer.

“Alle solid‑state lithiummetalbatterier er blevet betragtet som fremtiden for energilagring, men vores studie viser, at LLZO‑baserede designs måske ikke leverer det forventede spring i energitæthed. Selv under ideelle forhold er gevinsterne begrænsede, og omkostningerne og produktionsudfordringerne er betydelige.”

– Hovedforfatter af studiet Eric Jianfeng Cheng fra WPI‑AIMR, Tohoku University

Selvom den er værdsat for sin ionledningskapacitet og stabilitet, stiller en omfattende modellering af et praktisk LLZO‑baseret batteri spørgsmålet om, at den væsentligt forbedrer energitæthed. Selv med en ultratynd LLZO‑keramisk separator og en højkapacitetskathode viser studiet, at batteriets ydeevne kun er lidt bedre end de bedste konventionelle lithium‑ion‑celler.

LLZO’s densitet er det centrale problem her, da den øger cellemassen og reducerer de forventede energifordele. Derudover er materialet skrøbeligt, der er problemer med lithiumdendritter, udfordringer med at fremstille fejlfrie tynde plader og hulrum ved grænsefladen, som alle komplicerer storskalimplementering. Ifølge Cheng:

“LLZO er et fremragende materiale ud fra et stabilitetsperspektiv, men dets mekaniske begrænsninger og vægtpenalty udgør alvorlige barrierer for kommercialisering.”

Her viste kombinationen af materialet med gel‑ eller polymerbaserede elektrolytter bedre langtidsholdbarhed.

Opdagelse af lovende faste elektrolytter

Forskere fra Tokyo University of Science opdagede også nye materialer til sikre, højtydende SSLIB’er.

“At fremstille fuldstændige solid‑state lithium‑ion sekundære batterier har længe været en drøm for mange batteriforskere,” sagde professor Kenjiro Fujimoto, som bemærkede, at de har opdaget en oxidisk fast elektrolyt, som er en nøglekomponent i ASSLIB’er.

Materialet (Li1.25La0.58Nb2O6F) er meget stabilt og viser en samlet ionledningskapacitet på 3,9 mS cm⁻¹ ved stuetemperatur, hvilket er højere end tidligere rapporterede oxidiske faste elektrolytter, samtidig med at det har ekstremt lav aktiveringsenergi.

Desuden vil det ikke antænde, hvis det beskadiges, hvilket gør det nye materiale egnet til anvendelser, hvor sikkerhed er kritisk. Det kan anvendes ved høje temperaturer og understøtter hurtig genopladning, hvilket også gør det passende til højkapacitetsapplikationer som elbiler.

“Anvendelsen af dette materiale er lovende for udviklingen af revolutionerende batterier, der kan fungere i et bredt temperaturinterval, fra lavt til højt.”

– Prof. Fujimoto

I mellemtiden udviklede forskere fra Osaka Metropolitan University i slutningen af sidste år Na2.25TaCl4.75O1.25 som en ny fast elektrolyt.

Forskerne havde tidligere udviklet den faste elektrolyt NaTaCl6, som er en kombination af natriumchlorid og tantalumchlorid. Denne gang tilføjede holdet tantalumpentoxid (Ta2O5), hvilket hjalp dem med at opnå høj ledningsevne ved stuetemperatur.

Den udviser også høj formbarhed samt højere elektrokemisk stabilitet end konventionelle chlorider.

“Resultaterne af denne forskning forventes at yde et betydeligt bidrag til udviklingen af sammensatte faste elektrolytter, ud over de glas‑ og krystalbaserede faste elektrolytter, der er udviklet indtil nu.”

– Assisterende professor Kota Motohashi fra Graduate School of Engineering

De fokuserer nu på at illustrere den ioniske ledningsmekanisme for sammensatte faste elektrolytter samt på at udvikle flere materialer.

Ændring af strukturen, fjernelse af komponenterne

Forskere fra University of Illinois Urbana‑Champaign fandt imidlertid, at en helikal struktur signifikant øgede ledningsevnen af solid‑state peptidpolymer elektrolytter sammenlignet med “random coil”-modparter, hvor længere helixer førte til højere ledningsevne. Derudover øger helixstrukturen materialets samlede stabilitet over for spænding og temperatur.

“Vi introducerede konceptet med at bruge sekundær struktur – helixen – til at designe og forbedre den grundlæggende materialegenskab, ionledningsevne, i faste materialer.”

– Studieleder professor Chris Evans

Dette er den samme helix, der findes i peptider i biologien. Da den er lavet af peptider, betyder det, at når batteriet når slutningen af sin brugbare levetid, kan materialet nedbrydes tilbage til individuelle monomerenheder ved brug af syre eller enzymer, og udgangsmaterialerne kan derefter genvindes og genbruges, hvilket gør det miljøvenligt.

I endnu et interessant studie skabte forskere det første anodefri natrium solid‑state batteri med stabil cyklisk drift i flere hundrede cyklusser. Det billige, højkapacitets‑ og hurtigopladningsbatteri kan hjælpe med at dekarbonisere økonomien.

Fjernelse af anoden krævede en innovativ arkitektur, så holdet skabte en strømcollector ved hjælp af aluminiumspulver, som, selvom den er fast, kan flyde som en væske, og som omgav elektrolytten.

“Sodium solid‑state batterier betragtes normalt som en fjernfremtidsteknologi, men vi håber, at dette papir kan give mere drivkraft til natriumområdet ved at demonstrere, at det faktisk kan fungere godt, endda bedre end lithium‑versionen i visse tilfælde.”

– Første forfatter Grayson Deysher, en PhD‑kandidat ved UC San Diego

Tid til at bruge AI til hurtigt at finde de bedste faste elektrolyt‑kandidater

Midt i denne omfattende igangværende forskning i forskellige aspekter af solid‑state batterier, især elektrolytter, for at gøre dem bedre og fremme deres udbredelse, bruger forskere nu kunstig intelligens.

Elektrolyt er en af de mest afgørende batterikomponenter. Den overfører ladningsbærende partikler kaldet ioner frem og tilbage mellem batteriets to elektroder, hvilket får batteriet til at lade og aflade.

Derfor er fokus på at forbedre solid‑state elektrolyttens (SSE) ydeevne, hvilket indebærer at øge ionledningskapaciteten, stabiliteten og cykluslevetiden. Begrænsninger i de nuværende materialer har dog gjort det svært at opnå disse forbedringer.

At overvinde disse udfordringer kræver udvikling af højtydende SSE‑materialer, som vil låse det fulde potentiale af solid‑state batterier op.

Metaloxider og sulfider er nogle af de mest undersøgte materialer som lovende SSE’er. Her er det særligt gavnligt at undersøge hydrider som SSE’er, der viser høj redox‑ og mekanisk stabilitet samt gennemsnitlig divalent ionledningskapacitet ved stuetemperatur.

Med deres høje ionledningskapacitet og lave aktiveringsenergi har hydrider vist stort potentiale i SSE‑udvikling. Metalhydrider tilbyder derimod særskilte fordele på grund af hydrogenatomernes lave masse.

Dog udgør den lette vægt af hydrogen og den komplekse opførsel af divalent hydride udfordringer i syntese og strukturelle karakterisering, hvilket fremhæver begrænsningerne i nuværende eksperimentelle teknikker.

Udfordringen her er, at eksperimentel SSE‑opdagelse afhænger af ineffektive, tidskrævende prøve‑og‑fejl‑metoder. For at løse dette har vi brug for computerassisteret forskning for at forstå ionmigrationsmekanismer og opdage nye solid‑state elektrolytter.

Problemet er, at teoretiske tilgange ofte tilbyder mere systematiske og hurtigere måder at udforske materialegenskaber på. Derudover er der fremskridt inden for store sprogmodeller (LLM’er), som yderligere forbedrer datadrevne metoder og forbedrer teoretiske forudsigelser.

Alligevel er det udfordrende at opnå høj nøjagtighed i teoretiske metoder på grund af kompleksiteten i SSE‑materialerne. Fokus på et enkelt materiale eller metode i den nuværende forskning begrænser også den omfattende forståelse af SSE’er.

Så hvordan kan vi bedre udnytte teoretisk indsigt til at designe mere effektive eksperimenter? Hvilken optimal arbejdsproces kan også sømløst kombinere teoretisk modellering med eksperimentel validering? Svaret ligger i at kombinere beregningsmæssig og eksperimentel information.

For at komme forbi hindringerne med divalent SSE’er, som viser betydeligt potentiale for højtydende All‑Solid‑State‑Batterier (ASSB’er), udviklede forskere i en ny undersøgelse en integreret arbejdsproces, der kombinerer data mining, AI‑drevet analyse, maskinlæringsregression, global struktur‑søgning, ab initio metadynamik (MetaD) simulationer og teori‑eksperiment benchmark.

Denne forskning har til formål at forbedre vores forståelse af divalent SSE’er og levere en robust ramme til at forudsige og designe nye SSE‑kandidater. I forlængelse heraf vil den fremskynde opdagelsen af optimerede SSE‑muligheder for at fremme levedygtige energilagringsteknologier.

Klik her for at lære om Princetons banebrydende solid‑state batteriteknologi.

Mod næste generations SSB’er for bæredygtige energiløsninger

For at bygge mere kraftfulde og bæredygtige solid‑state batterier med succes, har forskerne ved Tohoku University opbygget en datadrevet AI‑ramme¹. 

I modsætning til den traditionelle tilgang, som indebærer at teste hvert materiale og derefter fastlægge veje én efter én, identificerer denne ramme potentielle solid‑state elektrolyt (SSE) kandidater, der kunne være “den ene” til at skabe den ideelle bæredygtige energiløsning.

Den udviklede model udvælger ikke kun optimale kandidater, men kan også forudsige, hvordan reaktionen vil foregå. Desuden forklarer den, hvorfor en bestemt kandidat er et godt valg ved at give indsigt i potentielle mekanismer, hvilket hjælper forskere med at komme i gang, selv før de træder ind i laboratoriet.

“Modellen udfører i bund og grund al prøve‑og‑fejl‑arbejde for os. Den trækker på en stor database fra tidligere studier for at søge gennem alle potentielle muligheder og finde den bedste SSE‑kandidat.”

Den avancerede AI‑ramme fra holdet integrerer med den store sprogmodel (LLM), en type maskinlæringsmodel, der er fortrænet på enorme datamængder. LLM’er er kendt for deres fremragende evne til at behandle, forstå og generere menneskeligt sprog.

Ved at inkorporere andre datadrevne teknikker trækker den forudsigende model på både beregningsmæssige og eksperimentelle data. På denne måde giver studiet forskerne en solid mulighed med det mest succesfulde resultat.

Ud over at hjælpe med at fremskynde udviklingen af højtydende, bæredygtige solid‑state batterier, har studiet også til formål at forstå de komplekse struktur‑ydeevne‑relationer for SSE’er. Denne relation dækker faktorer som ionledningskapacitet, stabilitet og kompatibilitet med elektroder og undersøges ofte gennem beregningsmodellering, eksperimentel analyse og datadrevne tilgange.

Modellen bygget af holdet forudsiger desuden aktiveringsenergier, fastlægger stabil krystallstruktur og forbedrer forskernes samlede arbejdsproces. Studiets resultater viser, at MetaD er en fremragende beregningsmetode, der demonstrerer betydelig overensstemmelse med eksperimentelle data for komplekse hydride SSE’er.

Forskere har også identificeret et nyt ionoverførselsystem. “To‑trins” mekanismen er opdaget i både SSE’er, der opstår fra integrationen af neutrale molekyler.

Så ved at kombinere feature‑analyse med multipel lineær regression var holdet i stand til med succes at udvikle præcise forudsigelsesmodeller til hurtig evaluering af hydride SSE‑ydeevne. Endnu vigtigere gør rammen det muligt at forudsige kandidatstrukturer nøjagtigt uden at afhænge af eksperimentelle input.

Samlet set giver studiet store indsigter samt avancerede metoder til effektivt design og optimering af næste generations solid‑state batterier.

Men dette er kun de indledende skridt mod at bygge bæredygtige energiløsninger, hvor holdet planlægger at udvide rammeværkets anvendelse på tværs af forskellige elektrolyt‑familier. Holdet forventer faktisk, at generative AI‑værktøjer vil være nyttige til at undersøge ionmigrationsveje og reaktionsmekanismer, hvilket forbedrer platformens forudsigelseskapacitet.

Investering i markedet for solid-state batterier

Når det gælder en investerbar virksomhed i det fremadskridende marked for solid‑state batterier, er QuantumScape i front som en stor aktør med fokus på lithium‑metal teknologi. Dens proprietære solid‑state keramiske separator er designet til at forbedre energitæthed, opladningshastighed og sikkerhed, samtidig med at den forhindrer kritiske problemer som dendritdannelse, der har begrænset adoptionen af lithium‑metal anoder. 

QuantumScape Corporation (QS )

Ved at udvikle SSB‑teknologi til elbiler og sigte på at blive en original equipment manufacturer (OEM), har QuantumScape Corporation allerede sikret partnerskaber med den store bilproducent Volkswagen Group og dets datterselskab, PowerCo.

Selvom de står over for udfordringer i kommercialisering, forbliver QuantumScape et stort navn inden for området. Sidste år begyndte de at producere prøver af deres forskellige SSB‑produkter og planlægger at producere endnu flere i år.

Med en markedsværdi på 2,2 mia. $ handles QS‑aktier i øjeblikket til $3,90, ned med over 25 % år‑til‑dato. Dens EPS (TTM) er -0,91, og P/E (TTM) er -4,30.

For Q1 2025 rapporterede virksomheden 5,8 mio. $ i kapitaludgifter, GAAP driftsomkostninger på 123,6 mio. $ og et GAAP netto‑tab på 114,4 mio. $. Den afsluttede kvartalet med 860,3 mio. $ i likviditet, og cash runway forventes at vare ind i anden halvdel af 2028.

I år sigter virksomheden mod at bringe Cobra separatorprocessen i baseline‑produktion, forbedre kvaliteten og outputtet af QSE‑5‑prøver og sende QSE‑5‑celler for at demonstrere dens fremragende præstationskapacitet i en real‑world anvendelse.

Seneste om QuantumScape Corporation

Konklusion

Med batterier, der spiller en central rolle i at drive elektronik, elbiler og energisystemer, er der behov for udvikling af næste generations energimaterialer for at skabe en bæredygtig fremtid. Selvom solid‑state batterier tilbyder en lovende løsning, står deres udvikling over for betydelige tekniske udfordringer. Hvad SSB‑udviklingen har brug for, er at forbedre solid‑state elektrolyttens (SSE) ydeevne. 

Derfor er den intensive forskning omkring SSE’er, som er klar til at accelerere i et hurtigere tempo takket være den nye datadrevne AI‑model. Drevet af enorme datasæt og avancerede simuleringsmetoder hjælper rammen forskere med at identificere og optimere SSE’er med hidtil uset hastighed og nøjagtighed. Denne sammensmeltning af materialvidenskab og maskinlæring viser et enormt potentiale i at levere højtydende og bæredygtige solid‑state batteriløsninger til at drive den rene energifremtid.

Klik her for en liste over de bedste solid‑state batteriaktier.

Studier refereret:

1. Wang, Q., Yang, F., Wang, Y., Zhang, D., Sato, R., Zhang, L., Cheng, E. J., Yan, Y., Chen, Y., Kisu, K., Orimo, S., & Li, H. (2025). Opløsning af kompleksiteten i divalent hydride elektrolytter i solid‑state batterier via en datadrevet ramme med stor sprogmodel. Angewandte Chemie International Edition, 64(22), e202506573. https://doi.org/10.1002/anie.202506573