Bæredygtighed

Hvordan Princetons faststofbatteriteknologi kan transformere energilagring

mm
Udgivet den
Opdateret den
Securities.io maintains rigorous editorial standards and may receive compensation from reviewed links. We are not a registered investment adviser and this is not investment advice. Please view our affiliate disclosure.

Det ultimative batteri

Efterhånden som batterier er blevet grundlaget for elbilers drivlinjer, er deres ydeevne og sikkerhedsprofil blevet forbedret. Hidtil er dette opnået med varianter af lithiumbatterier, enten lithium‑ion (lithium‑nickel‑manganese NMC & lithium‑nickel‑cobalt‑aluminium NCA) eller lithium‑jern‑fosfat (LFP) batterier. Det var en transformerende teknologi, der med rette fik sine opfindere Nobelprisen i kemi i 2019 (følg linket for historien om lithium‑ion‑opfindelsen).

Indtil nu blev disse batterier forventet at fortsætte med at dominere batterimarkedet takket være deres ekstremt høje energitæthed.

Kilde: S&P Global

Der er dog en grænse for, hvor meget energi klassiske lithium‑ion‑batterier kan indeholde. Derfor ser forskere på andre muligheder, hvoraf en af de mest lovende er faststofbatterier.

Faststofbatterier forventes at være sikrere, mere energitætte og mere holdbare end traditionelle lithium‑ion‑batterier. De er dog meget svære at fremstille pålideligt i stor skala på en omkostningseffektiv måde, hvilket har bremset deres udbredelse.

Dette kan ændre sig, og nye indsigter i, hvad der får faststofbatterier til at fejle, kommer fra forskere ved Princeton University, Purdue University, University of Michigan og Brookhaven National Laboratory.

De offentliggjorde deres seneste opdagelser i to videnskabelige artikler i Advanced Energy Materials1 og ACS Energy Letters2, henholdsvis, under titlerne “Lithiumkinetik i Ag–C Porøs Interlag i Reservoir‑fri Faststofbatterier” & “Filamentinduceret svigt i lithium‑reservoir‑fri Faststofbatterier”.

De analyserede også den aktuelle state‑of‑the‑art inden for batteri‑videnskab vedrørende anodefri batterier og offentliggjorde den i Nature Materials3 under titlen “Elektro‑kemo‑mekanik af anodefri faststofbatterier”.

Anodefri faststofbatteri

Ideen med faststofbatterier er at erstatte den flydende elektrolyt i lithium‑ion med et lag af fast metal. Dette er den primære kilde til effektivitet, da elektrolytter er tunge og voluminøse.

Dette forbedrer også sikkerhedsprofilen, da elektrolytløsningsmidler normalt er brandfarlige, hvilket skaber sjældne men spektakulære batteribrande, der har givet tidlige elbiler et dårligt ry.

Et andet skridt er for nylig blevet udforsket af forskere, hvor halvdelen af batteriet fjernes helt. Batterier består af en katode og en anode, hver med en forskellig elektrisk ladning.

Anodefri batterier undlader fuldstændigt behovet for en anode,

“I stedet strømmer ionerne fra den positive katode direkte til strømindsamleren i den modsatte ende af batteriet. Ionerne belægger derefter strømindsamleren selv og danner et tyndt metal lag, når batteriet oplades.”

I deres analyse af anodefri teknologi i dag argumenterer Princeton-forskerne for, at det primære problem for at videreudvikle teknologien er en dårlig forståelse af den mekaniske effekt af opladnings‑/afladningscyklussen, mere end kemiske reaktioner.

Mekanismerne, der styrer opladnings‑/afladningscyklussen i anodefri batterier, kontrolleres i høj grad af elektro‑kemo‑mekaniske fænomener ved solid‑solid‑grænseflader, og der er vigtige mekanistiske forskelle sammenlignet med konventionelle lithium‑overskuds‑batterier.

Udfordringer ved faststofbatterier

I et klassisk batteri er forbindelsen til elektroderne (anode & katode) relativt nem, da elektrolytten er i flydende form. I et faststofbatteri skal det faste metal forblive i perfekt kontakt med strømindsamleren.

Hvis dette ikke er helt jævnt, bliver områder med god kontakt til hotspots, mens områder med dårlig kontakt danner hulrum.

For at forstå, hvorfor dette sker, skal forskerne have en fuldstændig forståelse af den komplekse proces, der foregår under batteriets opladning og afladning. Dette er ikke kun et kemisk fænomen, men også et mekanisk, hvor materialet ændrer form let over tid.

I den første artikel, de opdagede, at tryk kan spille en vigtig rolle i hvordan det faste metal reagerer.

Problemer ved lavt tryk

Scanningelektronmikroskopi afslører, hvordan lithium får øget overfladekontakt, når trykket stiger. Det betyder, at for lavt tryk ikke er tilstrækkeligt til at forbedre den ujævne kontakt forårsaget af overfladeirregulariteter.

I sidste ende førte den ujævne belægning til dannelse af skarpe metal filamenter, som, ligesom små nåle, kunne gennembore den faste elektrolyt og forårsage kortslutning i batteriet.

Problemer ved højt tryk

Selvom højt tryk kan skabe ensartet belægning og afstripning, er det ingen magisk løsning.

Forskerne fandt, at det pressede elektrolytten og strømindsamleren så intenst sammen, at enhver ufuldkommenhed på begge blev forstørret, indtil den mekaniske belastning forårsagede revner.

Ved hjælp af røntgentomografi lykkedes det forskerne at kortlægge disse revner, der dannes under højt tryk.

Når staktrykket øges fra 2 til 10 MPa, vokser hele revnevolumenet. Mange revner strækker sig til modelektrodesiden (Figur 3b–e og S10), og en enkelt lithiumdendrit, der når modelektroden, kan forårsage kortslutning.

Samlet set vil det overordnede mål for batteriindustrien være at finde den optimale balance mellem tilstrækkeligt lavt tryk og effektiv kontakt.

“Den hellige gral i dette område vil være at finde ud af, hvordan man opretholder solid kontakt ved lavt tryk, da fremstilling af en fejl‑fri elektrolyt i praksis er umulig. Hvis vi vil realisere potentialet i disse batterier, skal vi løse kontaktproblemet.”
Pr. Kelsey Hatzell – Lektor i mekanisk og rumfartsingeniør

Bedre belægning

At opnå mere ensartet belægning er emnet for den anden artikel, som Pr. Hatzell’s team og deres samarbejdspartnere på andre universiteter og laboratorier har offentliggjort.

De fandt, at et tyndt lag af belægning mellem strømindsamleren og elektrolytten fremmer bedre ionetransport. De testede flere design for denne belægning.

I sidste ende fandt de, at den bedste mulighed var mellemlag lavet af kulstof- og sølvnanopartikler. Sølvet i disse mellemlag dannede legeringer med ioner under batteriets opladning og afladning, hvilket muliggør ensartet belægning og afstripning fra strømindsamleren.

Dog spiller detaljerne i, hvordan sølvepartiklerne fremstilles, en stor rolle. Når der anvendes større nanopartikler på 200 nm, dannede de spindelformede, ujævne metalstrukturer på strømindsamleren. Dette reducerer kapaciteten og fører til batterisvigt efter flere opladningscyklusser.

“Kun få grupper har undersøgt de faktiske processer, der forekommer i disse mellemlag. Blandt andre fund demonstrerede vi, at stabiliteten af disse systemer er forbundet med metallens morfologi, når den belægges og afstripes fra strømindsamleren.”
Se Hwan Park – Postdoktoral forsker på Princeton University

50 nm sølvepartikler præsterede langt bedre, skabte tættere og mere ensartede strukturer, hvilket førte til batterier med større stabilitet og højere effektoutput.

“Disse fund kan informere strategien for fremstilling af disse mellemlag.

Ved at reducere størrelsen på sølvepartiklerne kan vi sikre, at vi kun får fordelene ved sølvet i mellemlaget, hvilket igen kan gøre det muligt at opnå god kontakt og ensartet belægning selv ved lavt tryk.

”
Se Hwan Park – Postdoktoral forsker på Princeton University

Byg bedre faststofbatterier

I lang tid har konceptet med faststofbatterier haft svært ved at forlade laboratoriet og nå frem til fabriksgulvet med produktion i stor skala.

Dette er nu ved at ændre sig, da lande som Kina, Japan og Sydkorea har kortsigtede planer om at bringe faststofbatterier på markedet.

For eksempel:

  • Samsung SDI (006400.KS) har lovet at begynde masseproduktion af faststofbatterier inden 2027
  • Hyundai (HYMTF) ser på masseproduktion inden 2030
  • Toyota (TM ) har et mål om masseproduktion i 2028, hvilket opdaterer det tidligere mål for 2030.

“Udfordringen vil være at gå fra forskning til den virkelige verden på kun få år. Forhåbentlig kan det arbejde, vi udfører nu på MUSIC (Mechano‑Chemical Understanding of Solid Ion Conductors), danne grundlag for udvikling og implementering af disse næste‑generations batterier i en meningsfuld stor skala.”
Pr. Kelsey Hatzell – Lektor i mekanisk og rumfartsingeniør

Investering i avancerede batteriteknologier

Batterier er i centrum af elektrificeringstendenserne, som i sig selv er en enorm milliard‑dollar‑indsats, der søger at fjerne fossile brændstoffer fra vores energikilder.

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, Storbritannien samt mange andre lande.

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

Solid-State Battery Company

QuantumScape

(QS )

Siden grundlæggelsen i 2010 har det californiske Quantum Scape været en fremtrædende startup inden for faststofbatterier, bemærkelsesværdig for sin tidlige indtræden i feltet og sin uafhængighed af større batteriproducenter, der også forfølger faststofteknologi, som CATL (300750.SZ), Samsung eller LG Energy Solution (373220.KS).

En unik egenskab ved QuantumScape-batterier, som på det tidspunkt blev betragtet som revolutionerende, er, at de bruger et anodefrit design. Det muliggør ca. 15‑minutters hurtig opladning (10‑80 % ved 45 °C), og separatoren er ikke‑brandfarlig og ikke‑brændbar.

Denne egenskab placerer også QuantumScape-batterier i en klasse for sig selv med hensyn til energitæthed og opladningshastighed, og de overgår markant ledere som Tesla (både deres eget design og dem lavet af CATL).

Disse bemærkelsesværdige præstationer er dog regelmæssigt blevet hæmmet af vanskeligheder med at skalere produktionen. Det har også tvunget virksomheden til at brænde igennem sin likviditetsreserve, hvilket har ført til udvanding af tidligere investorer og fald i aktiekurserne.

Dette ser ud til at ændre sig, siden aftalen i 2024 med PowerCo, Volkswagen Groups batteridivision, om en licensaftale for design og masseproduktion af QuantumScape-batterier af PowerCo.

Under den ikke‑eksklusive licensaftale kan PowerCo producere op til 40 gigawatt‑timer om året af elbilbatterier, med mulighed for at udvide til 80 GWh om året.

Den pludselige opskalering af QuantumScape-produktionen ser ud til at være forbundet med Cobra, virksomhedens næste‑generations faststofbatteri‑separatorudstyr, et gennembrud inden for keramikproduktion.

Samlet set bør Cobra integreres i produktionen i 2025, og den første færdige elbil, der bruger QuantumScape-batterier, bør produceres i 2026.

Dette kan være et vendepunkt for virksomheden, der 16 år efter grundlæggelsen bevæger sig fra en lovende startup med interessant IP til at generere stigende indtægter fra et partnerskab med en af verdens største bilproducenter.

I mellemtiden bør investorer stadig forvente en vis volatilitet i aktiekursen, men med et lys i enden af produktudviklings‑tunnelen.

Seneste om QuantumScape

Studierreferencer:

1. Se Hwan Park, et al. (2025) Filamentinduceret svigt i lithium‑reservoir‑fri Faststofbatterier. ACS Energy Letters. 22. februar 2025  https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acsenergylett.5c00004 

2. Se Hwan Park, et al. (2024). Lithiumkinetik i Ag–C Porøs Interlag i Reservoir‑fri Faststofbatterier. Advanced Energy Materials. 19. december 2024 https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/aenm.202405129 

3. Stephanie Elizabeth Sandoval, et al. (2025). Elektro‑kemo‑mekanik af anodefri faststofbatterier. Nature Materials. 02. januar 2025 https://www.nature.com/articles/s41563-024-02055-z

mm

Jonathan er en tidligere biokemisk forsker, der har arbejdet med genetisk analyse og kliniske forsøg. Han er nu en aktieanalytiker og finansforfatter med fokus på innovation, markedscykler og geopolitik i sin publikation The Eurasian Century.