Batterigennembrud bringer solid-state-varianter et skridt tættere på virkeligheden

Solid-State Batterier for at opnå EV-dominans

Mens lithium-ion-batterier er blevet den dominerende løsning til EV-batterisystemer, lider de af nogle begrænsninger.

En af dem er stadig ikke så god energitæthed, og en anden er et sikkerhedsproblem relateret til væksten af dendritter, der gennemborer batteriet, og elektrolytten kan nogle gange antænde.

Kilde: Nobel Prize

Begge problemer forventes at blive afhjulpet med solid-state-batterier, som fjerner behovet for elektrolytter og risikoen for dendritter.

Toyota forudser brugen af disse solid-state-batterier inden 2027, og overordnet ser det ud til at være en solid kandidat til fremtiden for mobilitet.

Alligevel vedvarer et problem, især med den garnet-type solid elektrolyt, også kendt som Li7La3Zr2O12 eller LLZO (se nedenfor).

Det er derfor gode nyheder, at fire forskere ved McGill University i Canada annoncerede, at de har skabt et nyt LLZO-design, der kan levere en øget mængde energi. De offentliggjorde deres resultater i Cell Reports Physical Science i en artikel med titlen “4,8-V all-solid-state garnet-baserede lithium-metal batterier med stabil grænseflade”.

Solid-state-elektrolyt

LLZO

Det siges ofte, at solid-state-batterier ikke har brug for elektrolytter. Dette er teknisk korrekt, når man refererer til den flydende elektrolyt, der almindeligt anvendes i lithium-ion-batterier.

Men naturligvis har enhver batteri stadig brug for en form for bro mellem anoden og katoden for at fungere. Der findes tre typer af solid-state-elektrolytter (SE’er): keramiske, polymer- og sammensatte SE’er (CSE’er).

De sammensatte solid-state-elektrolytter (CSE’er) blander polymer-SE med ionisk ledende uorganiske fyldstoffer som Li7La3Zr2O12 (LLZO) for at lette lithium-ion-transport.

Selvom denne metode er ideel til højspændingsdrift i kompakte batterier, lider den af dårlig kontakt med elektroden, hvilket reducerer den samlede effektivitet.

Porøs LLZO

Det, forskerne opdagede, er at LLZO kan laves som en porøs keramisk membran i stedet for den sædvanlige tætte plade. På mere teknisk sprog:

Her designer vi en højt ledende og grænseflade-venlig garnet-baseret sammensat solid elektrolyt (CSE), der består af en kubisk Li6.1Al0.3La3Zr2O12 porøs ramme og polyvinyliden difluorid (PVDF) med en tredimensionel kontinuerlig struktur.

Visuelt omsættes det til en meget kompleks 3D-struktur fyldt med små huller på mikroskopisk skala:

Kilde: Cell

Dette skaber meget overfladekontakt for lithium-ion, samtidig med at det giver en stærk vedhæftning til elektroden.

Kilde: Cell

Mere stabile & holdbare batterier

Solid-state-batterier er generelt meget kraftigere og har højere energitæthed end lithium-ion-batterier. Men de har været vanskelige at producere i stor skala, så de kan holde mange opladnings‑afladningscyklusser uden at miste kapacitet.

Derfor gik forskerne videre med at teste batterierne for at se, om den elektrodemellemelle de havde skabt var så robust, som de forventede.

Efter 200 cyklusser undersøgte de det under et mikroskop og fandt ingen tegn på nedbrydning, såsom revner, delaminering osv.

Kilde: Cell

Samlet set demonstrerer batteriprotoypen fremragende modstand, især mod dannelse af dendritter.

Li-Li symmetriske celler baseret på den keramiske CSE kan cykle stabilt i 1.000 timer ved 0,1 og 0,5 mA cm−2, hvilket indikerer fremragende elektrokemisk stabilitet mod Li-metal og endda Li+-aflejring (dendritundertrykkelse).

Bedre sikkerhedsprofil

Den drastisk reducerede dannelse af dendritter samt fraværet af brandfarlige elektrolytter bør hjælpe med at øge sikkerheden for lithiumbatterier betydeligt.

Da tykkelsen af den keramiske CSE kun er 125 μm, gør dette også teknologien meget konkurrencedygtig til at skabe meget energitætte solid-state-batterier.

Det bør også bemærkes, at selvom det ikke er enkelt, kræver teknikken til at skabe den forbedrede LLZO ikke sjældne metaller, sjældent maskineri eller komplekse trin, der er uden for det sædvanlige i batteriproduktion.

Kilde: Cell

Så samlet set bør dette være et vigtigt skridt i yderligere at forbedre egenskaberne ved solid-state-batterier på alle vigtige områder: stabilitet, sikkerhed, energitæthed og produktionslethed.

Vinder solid-state-batterier?

Det betyder ikke, at solid-state-batterier med sikkerhed vil blive den nye standard for EV-batterier i de kommende år.

Lithium-ion-batterier kan også være i stand til at konkurrere. Dette skyldes hovedsageligt forbedringer i designet, hvor lignende nanoporer hjælper med at reducere dannelsen af dendritter.

Mest bemærkelsesværdigt, honningkagebatterier udviklet af den globale batteriproduktionsleder CATL kan nå en sikkerhedsprofil og energitæthed, der ligner nogle solid-state-batterier.

Samlet set ser det ud til, at en dybere forståelse af batterimateriale, især på mikro- og nanoskalering, samt brugen af nanoporer vil være vejen frem for fortsat at forbedre batteriydeevne og fjerne risikoen for dendritdannelse for altid.

Investering i batteriteknologi

Lithium-batterier har allerede ændret verden flere gange, fra at gøre det muligt for folk at bære avanceret elektronik overalt til at drive biler udelukkende med elektricitet.

De kan stadig gøre det igen, eller andre batterityper, ved at muliggøre et 100 % vedvarende elnet eller ved at elektrificere fly, når de når en tilstrækkelig høj energitæthed.

Du kan investere i batterirelaterede virksomheder gennem mange mæglere, og du kan her på securities.io finde vores anbefalinger til de bedste mæglere i USA, Canada, Australien, UK, såvel som mange andre lande.

Hvis du ikke er interesseret i at vælge specifikke batterivirksomheder, kan du også kigge på biotek-ETF’er som Amplify Lithium & Battery Technology ETF (BATT), Global X’s Lithium & Battery Tech ETF (LIT), eller WisdomTree Battery Solutions UCITS ETF, som vil give en mere diversificeret eksponering til at udnytte den voksende batteriindustri.

Solid-state-virksomheder

Længe forventet at være en af de første virksomheder til at bringe solid-state-batterier på markedet, har QuantumScape været i frontlinjen af udviklingen af denne teknologi.

QuantumScape-batterier bruger lithiummetal, anode-frie batterier.

Anode-frie batterier gemmer i stedet ionerne i et elektrokemisk aflejring af alkalimetal direkte på strømindsamleren. Dette muliggør højere celle-spænding, lavere celleomkostninger og øget energitæthed.

Kilde: QuantumScape

(vi diskuterede også konceptet med anode-frie batterier i forbindelse med natriumbatterier i “Anode-frie natrium solid-state-batterier kan reducere afhængigheden af ‘Lithium‑trianglen’”).

QuantumScape har dog regelmæssigt udskudt den forventede dato for masseproduktion af sine batterier, hvilket har dæmpet den oprindelige entusiasme blandt investorer i virksomheden.

Dette kan være ved at ændre sig med nogle nøgleudviklinger i 2023 & 2024:

• Forbedring af konsistens og kvalitet i produktionen.
• Forbedring af emballagedesign, herunder strammere interne marginer, tyndere strømindsamlere og en slankere ramme.
• Sendte enheder med høj katodebelastning til bilproducenters (OEM) partnere.
• Annoncerede lanceringen af QSE-5, virksomhedens første kommercielle produkt, med en potentiel lanceringskunde i bilsektoren.

Samlet set ser QuantumScape ud til at være den solid-state-virksomhed med den mest modne teknologi, især når det gælder batteriets holdbarhed.

Kilde: QuantumScape

Aftale med Volkswagen

Mere vigtigt viser virksomheden reel fremgang i at etablere et partnerskab med Volkswagen, verdens 2^nd største bilproducent i verden.

I juli 2024, QuantumScape indgik med Volkswagen en aftale om at samarbejde om fremstilling af battericeller baseret på QSE-5-design.

Licensen vil give PowerCo mulighed for at producere og sælge bilbatterier på op til 40 GWh årligt, udvideligt med yderligere 40 GWh.

Dette er en ikke-eksklusiv, royalty-bærende IP-licens, som giver QuantumScape mulighed for fortsat at sælge til andre potentielle kunder.

Måske vigtigere for at lindre investorernes bekymringer om virksomheden, vil den også give et indledende royaltygebyr på $130 millioner, krediteret mod fremtidige royalties, betalt af PowerCo, Volkswagens batterisubsidiær.

Dette giver virksomheden yderligere 18 måneders likviditet sammenlignet med tidligere vejledning, og strækker sig nu langt ind i 2028.

Det burde være mere end tilstrækkelig tid til at skalere produktionen op og begynde at registrere solide indtægter.

Så længe QuantumScape-batterierne præsterer tilstrækkeligt, bør de kunne finde deres niche på markedet ved siden af batterier fremstillet af større virksomheder som CATL, BYD og Panasonic.

I betragtning af at Volkswagen sandsynligvis har testet deres egne QuantumScape-prototyper grundigt og studeret produktionsopsalget, synes den seneste aftale at være en solid anerkendelse af virksomhedens teknologi.

Kilde: QuantumScape

Derudover ser den parallelle 2027-deadline fra Toyota for kommercialisering af solid-state-batterier ud til at indikere, at efter mange falske starter er teknologien nu nået et punkt, hvor den er tilstrækkeligt moden.