Uordnet Rocksalt: Hvordan Håndtering af Oxygenmobilitet Førte til Gennembrud i Batteriteknologi

Efterspørgslen efter batterier vokser verden over, drevet af deres stigende brug i bilindustrien, den stigende popularitet af bærbar forbrugerelektronik og strenge miljøregler. Som resultat har det globale batterimarked blivet anslået at nå $800bln i 2036, op fra omkring $120bln i 2023.

I lyset af denne forventede vækst udvikler forskere løbende nye materialer og kemikalier for at forbedre kritiske dele af batterier, som påvirker egenskaber såsom energiydelse, energilagring, effektkapacitet og cykluskaptitet.

Disse komponenter omfatter en katode (positiv elektrode), en anode (negativ elektrode), en elektrolyt (til iontransport mellem elektroder) og en separator.

De fleste batteridrevne enheder i dag, såsom elbiler, smartphones og energilagringssystemer, er afhængige af lithium‑ion batteriteknologi. Lithium‑ion batterier kan lagre en enorm mængde energi i kompakte størrelser, oplade hurtigt og holde i lang tid.

Men i takt med den stigende efterspørgsel efter batterier med større kapaciteter, forskes der i og udvikles nye teknologier for at forbedre effektiviteten, reducere omkostninger, øge sikkerheden og fremme bæredygtighed.

Gennem årene har kontinuerlig forskning ført til fremskridt, der tilbyder lovende alternativer til lithium‑ion og bly‑syre batterier.

Natrium‑ion batterier tilbyder en mere overkommelig og sikker mulighed, som fungerer bedre ved lavere temperaturer. Disse batterier ligner lithium‑ion batterier, men bruger saltvand som elektrolyt, hvilket gør dem mere velegnede til energilagring, selvom de endnu ikke er optimeret. Forskere bruger endda elektrolytgel til at gøre nanotråde mere robuste og egnet til batteribrug.

Fastsolid-state batterier, på den anden side, bruger en fast elektrolyt såsom glas, keramik eller polymer i stedet for gel eller flydende elektrolyt. Disse batterier er langt mere effektive, vejer mindre, oplader hurtigere, og bruges allerede i smartphones og pacemakere. Toyota og BMW arbejder i øjeblikket på at lancere biler drevet af fastsolid-state batterier, selvom det stadig vil tage et par år.

Nye batteriteknologier omfatter desuden lithium‑svovl batterier, som er omkostningseffektive men har en holdbarhedsbegrænsning, og koboltfri lithium‑ion batterier, som kan hjælpe med at tackle menneskerettighedsproblemer i koboltminedrift. Dog er alternativer som TAQ stadig nye og har brug for mere test.

Zinkbaserede batterier undersøges også, med teknologier som zink‑mangan‑dioxid, zink‑luft, zink‑brom og zink‑ion batterier. De er dog ineffektive, kan undertiden involvere uventede kemiske konversionsreaktioner og er dyre at fremstille, hvilket kræver yderligere forskning.

Efterhånden som verden i stigende grad er afhængig af batterier, er forskere globalt fokuseret på at opnå gennembrud i lagringstid, effektudgang, produktionsomkostninger og øjeblikkelig klarhed.

Seneste Batterigennembrud: Rocksalt‑polyanion Katoder 

Ny forskning har gjort et fremskridt i at øge den praktiske energitæthed af batteriet. Publiceret i Nature Energy sent sidste måned, studiet med titlen “Integrerede rocksalt–polyanion katoder med overskydende lithium og stabiliseret cyklisering,” blev udført af MIT’s afdeling for Nuklear Videnskab og Ingeniørkunst.

Studiet fokuserer på et nyt katodemateriale fundet i uordnet rocksalt, som i over et årti er blevet undersøgt som et avanceret katodemateriale til brug i lithium‑ion batterier.

MIT‑forskere sikrede, at materialet kan skabe højenergi, lavpris lagring til elbiler, mobiltelefoner og vedvarende energilagring.

Ledet af Ju Li, professor i nuklear ingeniørkunst ved Tokyo Electric Power Company, opdagede holdet DRXPS, eller uordnet rocksalt‑polyanionisk spinel, som det nye materiale.

Denne nye kategori af delvist uordnet rocksalt katode, integreret med polyanioner, viser sig at levere høj energitæthed ved høje spændinger med forbedret cyklusstabilitet. Dette er en stor præstation, da der typisk er et kompromis mellem energitæthed og cyklusstabilitet i katodematerialer.

“Med dette arbejde sigter vi mod at skubbe grænserne ved at designe nye katodkemier.”

– Yimeng Huang, papirens første forfatter, postdoc ved NSE

Hvordan kan den nye materialefamilie opnå både høj energitæthed og god cyklusstabilitet? Svaret ligger i integrationen af to nøglekatodematerialer — rocksalt og polyanionisk olivin. Ved at kombinere dem kunne man opnå begge deres fordele.

En anden faktor her er mangan (Mn), et hårdt, sølvfarvet metal, der findes i overflod på Jorden og er meget billigere end andre elementer, der i dag anvendes i katoder.

For eksempel er mangan omkring tredive gange billigere end kobolt (Co) og fem gange billigere end nikkel (Ni), som begge ofte anvendes i batterier. Derudover spiller mangan en afgørende rolle i at opnå højere energitæthed.

“(At have et sådant) materiale, der er meget mere jordrig, er en enorm fordel.”

– Li, professor i materialvidenskab og ingeniørkunst

Denne fordel, ifølge forskerne, er af stor værdi for en nul‑kulstof fremtid, som kræver infrastruktur for vedvarende energi.

Batterier kan spille en vigtig rolle i denne overgang, med potentialet til at dekarbonisere transport gennem elbiler og håndtere intermitterende sol‑ og vindkraft. Da disse vedvarende energikilder ikke er tilgængelige 24/7, er energilagring afgørende for at levere strøm i perioder, hvor kilderne ikke er tilgængelige, såsom om natten eller på overskyede og stille dage.

Forskerne påpeger også, at materialer som kobolt og nikkel er relativt sjældne og dyre. At bruge dem til hurtigt at skalere elektrisk lagringskapacitet kan føre til store prisstigninger og potentielt betydelige materialemangel. Ifølge Li:

“Hvis vi ønsker en ægte elektrificering af energiproduktion, transport og mere, har vi brug for jordrige batterier til at lagre intermitterende fotovoltaisk og vindenergi. Jeg tror, dette er et af skridtene mod den drøm.”

Overvindelse af Hindringen med Oxygenmobilitet i Nuværende Materialer

Finansieret af Honda Research Institute USA Inc. og Molecular Foundry ved Lawrence Berkeley National Laboratory, adressere studiet en af de største udfordringer, som uordnede rocksalt katoder står over for.

Som nævnt tidligere er materialet blevet undersøgt for sin ekstremt høje kapacitet. Sammenlignet med traditionelle katodematerialer, som har en kapacitet mellem 190 og 200 milliampere‑timer per gram, har dette materiale op til 350 milliampere‑timer per gram.

Dog, på trods af at tilbyde meget høj kapacitet, er materialet ikke særlig stabilt. Dette skyldes delvist oxygen‑redox, en proces hvor man udnytter elektron tæthed nær oxygenatomer i katodematerialer.

Oxygen‑redox aktiveres, når katoden oplades til høje spændinger, hvilket gør oxygenet mobil, hvilket derefter fører til reaktioner med elektrolytten og materialnedbrydning. Dette gør materialet ubrugeligt efter langvarig cyklisering.

For at overvinde disse udfordringer introducerede forskerne et andet element i materialet: fosfor (P), et blødt, voksagtigt fast stof, der fungerer som lim, holder oxygenet på plads og reducerer materialnedbrydning.

Men blot at tilsætte fosfor er i sig selv ikke nok. Det rette antal fosfor er den vigtigste innovation her. Tilføjelse af den passende mængde P “dannede såkaldte polyanioner med de tilstødende oxygenatomer i en kation‑deficient rocksalt struktur, der kan fastholde dem,” udtalte Li.

Den stærke kovalente binding mellem oxygen og fosfor gør det muligt for forskerne at stoppe transporten af oxygen. På denne måde har de kunnet udnytte den kapacitet, som oxygen bidrager med, og samtidig opnå god stabilitet.

At have denne evne til at oplade batterier til højere spændinger er vigtigt, da det muliggør enklere systemer til at håndtere deres lagrede energi.

“Man kan sige, at energikvaliteten er højere. Jo højere spændingen per celle, desto mindre behøver du at forbinde dem i serie i batteripakken, og jo enklere bliver batteristyringssystemet.”

– Li

Dette studie er kun begyndelsen, da holdet nu vil udforske forskellige forhold af mangan, lithium, oxygen og fosfor, samt forskellige kombinationer af andre polyanion‑dannende elementer som silicium, svovl og bor.

Fremadrettet vil forskerne også undersøge nye metoder til at fremstille materialet, med særlig fokus på skalerbarhed og morfologi. Det nuværende studie anvender højenergi kuglemalning til mekanokemisk syntese, hvilket giver ikke‑ensartet morfologi og partikler på omkring 150 nanometer, en lille gennemsnitlig størrelse. Deres nuværende metode er desuden ikke rigtig skalerbar.

Så forskerne prøver nu alternative syntesemetoder for at opnå en mere ensartet morfologi og større partikler. Dette ville hjælpe med at øge materialets volumetriske energitæthed og kan endda gøre det muligt at afprøve nogle belægningsmetoder, der kunne forbedre batteriets ydeevne. Fremtidige metoder skal også være industrielt skalerbare.

Et andet problem er ledningsevnen, som blev forbedret ved at tilsætte en betydelig mængde kul til det uordnede rocksalt materiale. Faktisk udgjorde kul 20 procent af katodepastaens vægt, da materialet i sig selv ikke er en god leder.

Så naturligvis vil forskerne yderligere undersøge at reducere kulindholdet i elektroden. Hvis de kan opnå dette uden at gå på kompromis med batteriets ydeevne, kunne de øge den praktiske energitæthed ved at inkorporere et højere indhold af aktivt materiale i batteriet.

I den forbindelse overvejer de at bruge kulnanorør, som kunne reducere kulindholdet til kun en eller to procent af vægten, hvilket muliggør en betydelig stigning i den aktive katodemateriale. Det nuværende studie brugte dog Super P, en ledende kul bestående af nanokugler, som er mindre effektiv.

En anden forbedring indebærer brug af tykke elektroder, hvilket yderligere ville øge batteriets praktiske energitæthed.

Når holdet har optimeret materialets sammensætning, udviklet tykkere elektroder, opnået bedre morfologi for ensartede belægninger, sænket kulindholdet og vedtaget skalerbare syntesemetoder, ser de DRXPS katodefamilien som meget lovende til anvendelser i elbiler, netlagring og forbrugerelektronik.

Virksomheder, der Fremmer Batterifeltet

Mange virksomheder hjælper med at fremme feltet, og endnu mere vil drage fordel af disse udviklinger.

Umicore (UMICY) er en sådan virksomhed, der er involveret i batterimaterialer, især i katodeteknologier, med fokus på bæredygtige og avancerede materialer. Samtidig er Lithium Americas Corp. (LAC) en lithiumleverandør, og Vale (VALE) er en førende global producent af jern og mangan. Lad os nu se på nogle andre fremtrædende navne:

#1. Albemarle Corporation (ALB)

En stor lithiumproducent, Albemarle, har udviklet batteriteknologier med øget energitæthed for at reducere vægt og forlænge rækkevidde. Det er en af verdens største producenter af lithium til elbilbatterier. Virksomhedens tilbud for at imødekomme efterspørgslen efter ren energi inkluderer katodeløsninger, anodeløsninger, elektrolytløsninger og batterihus.

Med en markedsværdi på $9,84 milliarder handles Albemarles aktie i øjeblikket til $83,66, ned 41,6% år‑til‑dato. Den har en EPS (TTM) på -4,73, en P/E (TTM) på -17,67 og en udbytteafkast på 1,94%. I 2. kvartal 2024 offentliggjorde virksomheden nettosalg på $1,4 mia. og justeret EBITDA på $386 mio. Kontantstrøm fra driften var derimod $363 mio., op fra $289 mio. år‑til‑år. Albemarle leverede også over $150 mio. i produktivitetsfordele.

#2. QuantumScape (QS)

QuantumScape er en udvikler af fastsolid-state lithium‑metal batterier, med mål om at transformere energilagring. Virksomheden har udviklet branchens første anode‑løse celledesign, som sænker materialomkostningerne og leverer høj energitæthed. I år indgik QuantumScape et partnerskab med Volkswagens batteriselskab, PowerCo, som gav dem en licens til masseproduktion af battericeller baseret på QuantumScapes teknologiplatform.

Med en markedsværdi på $2,75 milliarder handles QuantumScapes aktie i øjeblikket til $5,51, ned 19,78% år‑til‑dato. Den har en EPS (TTM) på -0,95 og en P/E (TTM) på -5,78. I 2. kvartal 2024 offentliggjorde virksomheden kapitaludgifter på $18,9 millioner, mens GAAP driftsomkostninger var $134,5 millioner. Likviditeten var $938 millioner ved kvartalets slutning.

Konklusion

Givet den brede anvendelse og markedets størrelse for batterier, forskes der intensivt i nye og avancerede batteriteknologier. Som vi så i den seneste undersøgelse, udviste det nye katodemateriale “høje gravimetriske energitætheder over 1.100 Wh kg⁻¹ og >70 % fastholdelse over 100 cyklusser,” hvilket åbner døren for batterikatoder lavet af jordrige elementer som Mn og Fe.

Da lithium‑ion batterier betragtes som en afgørende del af den grønne energitransition, sikrer studier som dette deres fortsatte vækst og prisreduktion ved at udvikle “billige, højtydende katodematerialer.”

Dette peger på en lovende fremtid for energilagring, med potentialet til at imødekomme stigende globale efterspørgsler, samtidig med at miljøpåvirkningen minimeres.

Klik her for en liste over de ti bedste batteriaktier at investere i.