Hydrogenbatterier, der fungerer i kulden

Engang betragtet som simple strømkilder, står batterier i dag i hjertet af verdens renenergi-transformation som en af de hurtigst voksende teknologier, der former vores fremtid.

Blandt batterityper er lithium‑ion‑batterier det foretrukne valg til at drive alt fra mobiltelefoner til elektriske køretøjer (EV’er).

Li‑ion‑batterier dukkede først op kommercielt i begyndelsen af 1990’erne, men efterspørgslen på dem voksede eksponentielt i det sidste årti, fra kun 0,5 gigawatt‑timer (GWh) i 2010 til omkring 526 GWh et årti senere.

Et næsten 90 % fald i lithium‑ion‑batteripriser, fra cirka $1.400 per kWh i 2010 til $140 per kWh i 2023, kombineret med fremskridt inden for energitæthed og cyklusstabilitet, har styrket deres dominans i elektriske køretøjer og energilagringsapplikationer.

Et stort problem med genopladelige batterier som lithium‑ion‑celler er dog, at de ikke bryder sig om kulde.

Hvorfor batterier fejler i kulden (og hvordan ingeniører løser det)

Batterier præsterer dårligt i kolde forhold. Dette skyldes deres interne elektrokemiske reaktioner, som sænker hastigheden ved under nul grader.

De fleste batterier har tre hoveddele:

• Elektroder
• Elektrolyt
• Separator

Der er to elektroder i et batteri, og begge er lavet af ledende materialer. Den ene elektrode, kendt som katoden, er forbundet til batteriets positive ende, og det er her den elektriske strøm forlader batteriet under afladning. Den anden elektrode, kendt som anoden, er forbundet til batteriets negative ende, og det er her den elektriske strøm træder ind i batteriet under afladning. 

De to holdes adskilt ved hjælp af separatoren for at forhindre en kortslutning. Mellem disse elektroder er der en flydende elektrolyt, som indeholder elektrisk ladede partikler, eller ioner. Ved at kombinere med materialerne i elektroderne frembringer elektrolytten kemiske reaktioner, der gør det muligt for et batteri at generere en elektrisk strøm.

I tilfældet med Li‑ion‑batterier er elektrolytten typisk et lithium‑salt i opløsning, som overfører ladningsbærende partikler (ioner) mellem batteriets elektroder. Men når det er koldt, sænker ionerne farten og kan ikke arbejde korrekt med elektroderne, hvilket påvirker batteriets evne til at generere så meget strøm, før det løber tør. 

Desuden kan for meget lithium, der aflejres på en elektrode, føre til en kortslutning og forårsage brand.

Så påvirker koldt vejr batteriets levetid kraftigt. Både effektiviteten og den brugbare kapacitet i et batteri reduceres betydeligt. En AAA‑undersøgelse fra sidste år viste, at rækkeviddefaldet om vinteren og bekymringer om langsommere opladning har bidraget til en afmatning af EV‑momentum.

For at overvinde dette problem har virksomheder over hele verden arbejdet på nye og bedre batterikemi.

For eksempel annoncerede den kinesiske batterigigant CATL den anden generation af deres natrium‑ion‑batteri, som kan aflade ved temperaturer så lave som minus 40 grader Celsius og har forbedrede sikkerhedsforanstaltninger, med målet at overgå 200 watt‑timer per kilogram i energitæthed.

Selvom natrium‑ion‑batterier siges at være sikrere og mere modstandsdygtige over for kulde end Li‑ion‑batterier, har de en lavere energitæthed og højere produktionsomkostninger.

I mellemtiden har ingeniører fra University of Michigan udviklet en modificeret fremstillingsproces for EV‑batterier for at muliggøre lange rækkevidder og hurtig opladning i koldt vejr.

Teamet skabte kanaler på 50 mikrometer i anoden og påførte en 20 nm tyk belægning af et glasagtigt materiale lavet af lithium‑borat‑karbonat for at forhindre dannelse af lithium‑aflejring på batteriets elektroder. Li‑ion‑EV‑batterier fremstillet med disse modificeringer kan oplade 500 % hurtigere ved 14 °F (-10 °C) og beholder 97 % af deres kapacitet selv efter 100 hurtig‑opladninger ved så kolde temperaturer.

“For første gang har vi vist en vej til samtidig at opnå ekstrem hurtig opladning ved lave temperaturer uden at gå på kompromis med energitætheden i lithium‑ion‑batteriet.”

– Medforfatter Neil Dasgupta, U‑M associate professor i maskinteknik og materialvidenskab og -ingeniør

Andre optimerer elektrolytformuleringer og modificerer anodematerialer, udvikler specialiseret batteriteknologi, indarbejder tykkere isolering med indbyggede varmere, foreslår temperaturstyret smart‑opladning og præsenterer en forudsigende kontrolalgoritme til at justere batteritemperaturen, blandt andre løsninger.

Midt i disse igangværende fremskridt inden for materialer, elektrolytter og andre teknologier for at tackle de udfordringer, batterier står over for i koldt vejr, undersøger videnskabsfolk også alternative energilagringssystemer såsom hydrogenbaserede batterier.

Hydrogenbatterier: Sådan fungerer de, og hvorfor de er vigtige

Hydrogen er en ren energikilde, som, når den forbruges i en brændselscelle, kun producerer vand. Det er en energibærer, der kan lagre og levere energi genereret fra andre kilder.

Den mest udbredte kemiske grundstof i universet, hydrogen, kan produceres fra naturgas, biomasse og atomkraft samt fra vedvarende kilder som vind og sol.

Denne farveløse, lugtfri og meget brandfarlige gas er også en nøglekomponent i vand og alle organiske forbindelser.
Swipe to scroll →

Hydrogen er faktisk en nøglekomponent i Solen. Det omdannes til energi gennem processen med kernesfusion i dens kerne. Under enormt tryk og varme smelter hydrogenatomer sammen og danner helium, hvilket frigiver enorme mængder energi. Denne energi bevæger sig derefter ud gennem Solens lag og stråler ud i rummet som lys og varme. 

På Jorden er hydrogen en attraktiv brændstofmulighed og giver længere batterilevetid sammenlignet med lithium‑ion‑batterier. 

For at vurdere de tekniske og økonomiske præstationer af et hydrogen‑batterilagringssystem og et lithium‑ion‑batteri, vurderede forskere fra University of New South Wales (UNSW) to kommercielt tilgængelige systemer, LAVO og Tesla (TSLA ) Powerwall 2. De fandt, at førstnævnte har flere energitab. 

Dog blev hydrogenbatterier fundet at have mindre kapacitetsnedbrydning og højere energitæthed end lithium‑ion‑batterier, hvilket gør dem i stand til at lagre mere energi i længere tid. Deres evne til at udholde 18 % flere opladnings‑/afladningscyklusser end Li‑ion‑batteriet gør dem “egnet til fjernapplikationer, der kræver forlænget energilagringsvarighed”.

En separat undersøgelse fra University of Science and Technology of China (USTC) udviklede et nyt kemisk batterisystem for en sikrere, mere bæredygtig fremtid for batteridrevne systemer.

Mens nuværende hydrogenbaserede batterier bruger H₂ som katode, hvilket begrænser deres spændingsområde og energilagringskapacitet, foreslog USTC‑forskningsholdet at anvende den som anode. Holdet udviklede en prototype med en lithium‑anode, en fast elektrolyt og et platinbelagt gasdiffusionslag, der fungerer som hydrogen‑katode.

Holdet rapporterer en teoretisk specifik energi på op til 2.825 Wh/kg, en ~3 V afladning og 99,7 % rundturseffektivitet i deres Li‑H‑konfiguration — hvilket indikerer stort potentiale, selvom tallet 2.825 Wh/kg ikke er en realiseret pakke‑niveau måling.

For at forbedre omkostningseffektiviteten byggede holdet et Li‑H‑batteri uden anode. Her blev lithiumaflejring hentet fra lithium‑salte under opladning. Den forbedrede version muliggør effektiv lithiumplatering og -afstripning og fungerer stabilt selv ved lave hydrogenkoncentrationer, hvilket reducerer afhængigheden af højtryks‑hydrogenlagring.

Sammenlignet med almindelige nikkel‑hydrogen‑batterier tilbyder Li‑H‑systemet forbedret energitæthed og effektivitet, hvilket åbner for fremtidige udforskninger af Li‑H‑batteriteknologiens anvendelser.

På trods af de mange fordele ved hydrogen til ren energilagring er lagring ikke let. Faktisk er lagring en stor udfordring ved brug af hydrogen.

Ba–Ca–Na‑hydrid‑elektrolytten, der låser lav‑temperatur hydrogenlagring op

Lagring af hydrogen kræver enten ekstremt lave temperaturer (−252,8 °C) eller højt tryk (350 til 700 bar), eller begge dele. At lagre det i fast form undgår sikkerhedsrisiciene ved højtryks‑gastanke, men det møder materialebegrænsninger ved lave temperaturer.

For at løse dette udforskede forskere fra Institute of Science Tokyo (Science Tokyo) hydrid‑ion‑medieret elektrokemisk hydrogenlagring, hvilket førte dem til at opdage en lovende hydrid‑ion‑ledende fast elektrolyt fra et barium‑, calcium‑ og natrium‑hydrid‑system.

Kombination af ioner af forskellige størrelser er blevet rapporteret at have superionisk ledningsevne, og i jagten på dette kombinerede forskerne deres ioner: BaH₂‑CaH₂‑NaH.

Den resulterende faste elektrolyt, anti‑α‑AgI‑type Ba0.5Ca0.35Na0.15H1.85, har fremragende elektrokemisk stabilitet og hydrid‑ion (H–) ledningsevne.

Det er bemærkelsesværdigt, at elektrokemisk stabilitet faktisk tillader fleksibel kobling med mange metal‑hydrid‑elektroder. Så fungerer elektrolytten godt med flere metal‑hydrogen‑elektroder, såsom titanhydrid og magnesiumhydrid (MgH₂), hvilket muliggør højkapacitets‑omvendelig hydrogenlagring ved lave temperaturer.

I de første eksperimenter testede forskerne deres elektrolyt i et system, hvor den blev placeret mellem TiH₂ (titaniumdihydrid er en forbindelse af titanium og hydrogen) og titaniummåle‑elektroder, samt acetylsort og molybdæn‑strømsindsamlere.

Dette gjorde det muligt for forskerne at finde den faste elektrolyts stabile potentiale‑vindue, som er det bedste nogensinde rapporterede.

En høj H–‑ledningsevne blev også rapporteret af forskerne, hvilket skyldtes elektrolyttens body‑centred cubic (bcc) struktur. Denne struktur har en lavere pakkedensitet, som giver “en åben vej for iontransport.” Højt polariserbare katjoner i strukturen var også ansvarlige for den høje ionledningsevne.

Derefter, for at teste deres elektrolyters hydrogenlagringsevne, fremstillede forskerne en celle ved brug af MgH₂.

MgH₂ er en kemisk forbindelse, der studeres til hydrogenlagring på grund af dens høje kapacitet og lave omkostninger. Dette materiale kan integreres i et batteri‑lignende system, hvor hydrogen lagres og frigives under opladning og afladning. Dog har dets anvendelse været begrænset af uønskede side‑reaktioner, dårlig hydrogenoptagelse og -desorptions‑omvendelse, samt behovet for temperaturer så høje som 300 °C og derover.

Men forskerne formåede at få Mg‑H₂‑celler til at fungere som hydrogenlagringsenheder, hvilket demonstrerede en kapacitet på 2.030 mAh/g ved 90 °C.

Fra 300–400 °C til ~90 °C: Et praktisk lav‑temperatur hydrogenbatteri

Det nye hydrogenbatteri fra forskerne ved Science Tokyo har overvundet de lav‑kapacitets‑ og høj‑temperatur‑grænser, som tidligere metoder havde. I stedet for at operere ved 300‑400 °C (572‑752 °F) temperaturer, som kræves for nuværende fast‑tilstand hydrogenlagringsmetoder, opererer dette batteri ved 90 °C (194 °F).

Batteriet fungerer ved at migrere hydrid‑ioner gennem en fast elektrolyt, hvilket tillader magnesiumhydrid (MgH₂) at lagre og frigive hydrogen gentagne gange ved fuld kapacitet.

Med denne udvikling tilbyder forskerne en praktisk måde at lagre brintbrændstof på, hvilket baner vejen for brint‑drevne køretøjer og rene energisystemer.

“Vi demonstrerede driften af et Mg‑H₂‑batteri som en sikker og effektiv hydrogen‑energilagringsenhed, der opnår høj kapacitet, lav temperatur og omvendelig absorption og frigivelse af brintgas.”

– Assistentprofessor Naoki Matsui

Selvom hydrogenbatterier med fast‑tilstand komponenter allerede eksisterer, kræver de høje driftstemperaturer. Det nye hydrogenbatteri kan dog opnå den fulde teoretiske lagringskapacitet af MgH₂‑anoden og høj ionisk ledningsevne ved stuetemperatur. Det skyldes den faste elektrolyt, Ba0.5Ca0.35Na0.15H1.85.

Fremstillet af barium (Ba), calcium (Ca) og natriumhydrid (NaH) kan elektrolytten effektivt flytte hydrid‑ioner (H–).

Den har en krystalstruktur (anti‑α‑AgI‑type), kendt for sin superioniske ledningsevne. I denne struktur optager Ba, Ca og Na body‑centred positioner, mens hydrid‑ioner bevæger sig gennem ansigts‑delende oktaedriske og tetraedriske steder, hvilket muliggør fri migration.

Dette nye batteri fungerer som et Li‑Ion‑batteri, men i stedet for at flytte positivt ladede ioner gennem elektrolytten, bruger det hydrid‑ioner, som bærer en negativ ladning og kan passere gennem dets krystalstruktur.

Batteriet bruger magnesiumhydrid (MgH₂) som anode og brintgas (H₂) som katode.

Under opladning frigiver MgH₂‑anoden hydrid‑ioner, som migrerer gennem den nye elektrolyt til katoden, hvor de oxideres for at frigive brintgas.

Processen vender om under afladning, hvor brintgassen ved katoden reduceres til hydrid‑ioner gennem en kemisk reaktion, som bevæger sig gennem elektrolytten til anoden, hvor den reagerer med Mg for at danne MgH₂. Oxidations‑reduktions‑reaktionen (redox) får den negativt ladede anode til at miste elektroner, som flyder gennem en ekstern kredsløb til katoden med en netto positiv ladning, og leverer dermed strøm til tilsluttede systemer.

Dette gør det muligt for den faste celle at lagre såvel som frigive H₂, når det er nødvendigt ved temperaturer lige under vandets kogepunkt.

Ved brug af denne celle nåede forskerne den fulde teoretiske lagringskapacitet af MgH₂ over gentagne cyklusser. Kapaciteten på 2.030 mAh per gram er meget højere end lithium‑ion‑batterier, som ligger mellem 154 og 203 mAh per gram.

“Disse egenskaber ved vores hydrogenlagringsbatteri var tidligere uopnåelige gennem konventionelle termiske metoder eller flydende elektrolytter, og giver et grundlag for effektive hydrogenlagringssystemer, der er egnet til brug som energibærere.”

– Takashi Hirose, studiets hovedforfatter og lektor ved Kyoto Universitys Institute of Chemical Research (ICR)

Selvom batteriet ikke er klar til brug i vores daglige genstande, er dette et gennembrud i hydrogenenergilagring ved meget lavere temperaturer end tidligere muligt, hvilket baner vejen for mere effektiv og lettere hydrogenlagring.

Dette kan føre til, at hydrogenbatterier erstatter de tunge lithium‑ion‑batterier, som nedbrydes og oplever reduceret effektivitet over tid, i elbiler.

Desuden, ved at muliggøre hydrogenlagring uden behov for højtryks‑systemer, ekstrem køling eller høje driftstemperaturer, kan dette nye batteridesign understøtte hydrogen som en grøn energikilde og fremskynde den igangværende overgang mod grøn energi.

Forskerne planlægger nu at udvikle faste elektrolytter og elektrodmaterialer med højere ionisk ledningsevne. De vil også arbejde på enhedsdesign med lavere driftstemperaturer og forbedret energieffektivitet.

Investering i hydrogenbatteriteknologi

Bloom Energy Corporation (BE ) er involveret i design og fremstilling af solid-oxid brændselsceller (SOFC’er). Dens brændselscellet system leverer onsite elproduktion til fremstilling af halvledere, datacentre, store forsyningsselskaber og andre sektorer. Den har installeret i alt 1,5 GW kraft på mere end 1.200 installationer globalt. 

Virksomheden har to produkter: Bloom Electrolyzer til produktion af hydrogen og Bloom Energy Server til generering af elektricitet.

Når det gælder Blooms markedspræstation, har den haft en enorm rally i år. Op 391 % YTD, BE‑aktier nåede et rekordhøjt (ATH) niveau på $125,75 kun denne måned. Med dette har den en EPS (TTM) på 0,11 og en P/E (TTM) på 1.013,28.

Med hensyn til virksomhedens finansielle position rapporterede Bloom en omsætning på $401,2 millioner for Q2 2025, op 19,5 % fra samme kvartal sidste år. Dens bruttoavance var 26,7 % og dens non‑GAAP bruttoavance var 28,2 % mens driftsunderskuddet var $3,5 millioner i denne periode.

“Efterhånden som onsite‑kraft bliver stadig mere indlysende, givet den hurtige AI‑vækst, har der aldrig været et bedre markedspres for Bloom‑produkterne. I modsætning til alternativer er vores produkter specifikt designet til den digitale revolution.”

– Grundlægger og CEO KR Sridhar

Efter at have samarbejdet med Oracle (ORCL ) om at levere onsite‑kraft til deres AI‑datacentre, har Bloom Energy nu indgået partnerskab med Brookfield (NYSE: BAM), som vil investere op til $5 milliarder for at udrulle deres brændselscelleteknologi. Sammen skaber de to “en ny blueprint for at drive AI i stor skala.”

Seneste nyheder og udviklinger om Bloom Energy Corporation (BE) aktien

Konklusion

Med deres høje energieffektivitet, høje energitæthed og lange cyklusstabilitet er lithium‑ion‑batterier blevet et populært valg til elektriske køretøjer såvel som energilagring. Men naturligvis udgør koldt vejr en stor udfordring for disse batterier, hvilket medfører et fald i deres kapacitet og effektivitet. 

Mens videnskabsfolk og virksomheder verden over videreudvikler næste generations batteridesign, har hydrogen vundet frem som energibærer og fremtidens brændstof.

Det nye hydrogenbatteri med en fast elektrolyt markerer en milepæl med sin evne til at lagre og frigive hydrogen ved ekstremt lave temperaturer, fire gange koldere end tidligere modeller. Ved at muliggøre stabil drift og fuld teoretisk kapacitet kan dette gennembrud skabe tættere, længere‑varende batterier til elbiler, hvilket markant forbedrer deres ydeevne i ekstreme klimaer.

Klik her for en liste over de bedste batteriaktier.

Referencer:

1. Cho, T. H., Chen, Y., Liao, D. W., Kazyak, E., Penley, D., Jangid, M. K., & Dasgupta, N. P. (2025). Muliggørelse af 6C hurtig opladning af Li‑ion‑batterier ved under‑nul temperaturer via grænseflade‑engineering og 3D‑arkitekturer. Joule, 9(5), 101881. https://doi.org/10.1016/j.joule.2025.101881
2. Ruan, G., & Dahleh, M. A. (2025). Temperatur‑styret smart‑opladning for elektriske køretøjer i kolde klimaer. arXiv. https://doi.org/10.48550/arXiv.2501.01105
3. Lu, Z., Tu, H., Fang, H., Wang, Y., & Mou, S. (2024). Integreret optimal hurtig opladning og aktiv termisk styring af lithium‑ion‑batterier i ekstreme omgivelsestemperaturer. arXiv. https://doi.org/10.48550/arXiv.2404.04358
4. Hassan, M. U., Bremner, S., Menictas, C., & Kay, M. (2024). Vurdering af hydrogen‑ og lithium‑ion‑batterier i solcelle‑PV‑systemer på tag. Journal of Energy Storage, 86(Part A), 111182. https://doi.org/10.1016/j.est.2024.111182
5. Liu, Z., Ma, Y., Khan, N. A., Jiang, T., Zhu, Z., Li, K., Zhang, K., Liu, S., Xie, Z., Yuan, Y., Wang, M., Zheng, X., Sun, J., Wang, W., Meng, Y., Xu, Y., Chuai, M., Yang, J., & Chen, W. (2025). Genopladelige lithium‑hydrogen‑gasbatterier. Angewandte Chemie International Edition, 64(7), e202419663. https://doi.org/10.1002/anie.202419663
6. Hirose, T., Matsui, N., Itoh, T., Hinuma, Y., Ikeda, K., Gotoh, K., Jiang, G., Suzuki, K., Hirayama, M., & Kanno, R. (2025). Højkapacitets, omvendelig hydrogenlagring ved brug af H⁻‑ledende faste elektrolytter. Science, 389(6766), 1252–1255. https://doi.org/10.1126/science.adw1996