Mizzous 4D STEM-gennembrud: Forbedring af faststofbatteriers effektivitet

Faststofbatterier er i fokus i disse dage. De vinder støt frem inden for forbrugerelektronik og elbiler og udgør den største andel af det globale marked for faststofbatterier i 2022.

Forskere anslår, at anvendelsen af faststofbatterier i EV-sektoren vil vokse eksponentielt i det næste årti og nå en markedsstørrelse på US$4.3 billioner inden 2032. Der er grunde til, at faststofbatterier er på vej til eksponentiel vækst. Grundlæggende refererer de til en batteriteknologi, der bruger en fast elektrolyt i stedet for flydende elektrolytter, som i lithium-ion-teknologi. US$4.3 billion by 2032

Faststofceller består af en katode, en separator og en anode. Katoden kan laves med de samme forbindelser som i et lithium-ion-batteri. I modsætning hertil er separatoren typisk fremstillet af keramik eller fast polymer, som også fungerer som elektrolyt. Anoden er lavet af lithiummetal. 

Når de er opladet, bevæger lithiumpartiklerne i disse batterier sig fra katoden gennem separatorens atomstruktur og anodens elektriske kontakt, og danner et fast lag af rent lithium. Processen sikrer, at anoden udelukkende består af lithiumpartikler og har et mindre volumen end en anode i lithium-ion-teknologi med en grafitstruktur. 

Selvom disse batterier stadig er i deres udviklingsfase, lover de flere forbedringer i forhold til de nuværende batterier, herunder højere energitæthed, længere levetid, forbedret sikkerhed og mindre størrelse. Det lovende udsigt, som faststofbatterier tilbyder, har gjort området attraktivt for forskere, der ønsker at udforske det yderligere og se, hvad der kan gøres med det. 

En nylig pressemeddelelse fra et forskningsprojekt ved University of Minnesota hævder, at forskerne ‘knækker koden på faststofbatterier’. I de kommende afsnit ser vi på årsagerne bag denne dristige påstand. 

Hvad forskerne fra University of Minnesota har opnået

Forskningen, med titlen Understanding Dannelse af katode‑elektrolyt interfas (CEI) i faststof‑Li‑ion‑batterier via 4D‑STEM¹, demonstrerer en simpel arbejdsproces til at studere dannelsen af katode‑elektrolyt interfas (CEI) ved brug af 4D‑scanning transmission electron microscopy (4D‑STEM), som ikke kræver SS‑LIB‑samling.

Ved kontaktpunkterne mellem den faste elektrolyt og den aktive katodemateriale i faststof‑lithium‑ion‑batterier dannes interfaslag, som øger celleimpedansen. Forskerne eliminerer behovet for SS‑LIB‑samling og viser fordelene ved MoCl5:EtOH som et kemisk de‑litiationsmiddel, sammen med kemisk de‑litiated katode LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2 (NMC) pulver i kontakt med Li10GeP2S12 (LGPS) SE‑pulver, som en SS‑LIB CEI‑erstatning.

Forskerne kortlagde sammensætningen og strukturen af CEI‑lagene ved hjælp af 4D‑STEM, energidispersiv røntgen‑spektroskopi (EDS) og elektronpar‑distributionsfunktion analyse (ePDF). Deres resultater antyder, at belægninger, der blokerer aniontransport, men tillader lithium‑ion‑ og elektrontransport, kan forhindre interfasdannelse og reducere impedans i SS‑LIB‑batterier. 

“Belægningerne skal være tynde nok til at forhindre reaktioner, men ikke så tykke, at de blokerer lithium‑ion‑strømmen. Vi sigter efter 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 kompatibilitet.”

Alt dette kan lyde for teknisk, men der er et enklere perspektiv for at forstå forskningsresultatet.

Klik her for at lære om et batterigennembrud, der bringer faststofvarianter et skridt tættere på virkeligheden.

Håndtering af problemet med flydende elektrolyt

Lithium‑ion‑batterier er afhængige af flydende elektrolytter, som kan antænde, hvis de beskadiges eller overophedes. Forskerne ved University of Missouri adresserede dette problem ved at udvikle effektive teknikker til at erstatte væsker eller gel‑elektrolytter med faste elektrolytter.

Når de uddyber, hvordan deres løsning fungerer, sagde assisterende professor Matthias Young, som har fælles stillinger på Mizzous College of Engineering og College of Arts and Science, følgende:

“Når den faste elektrolyt berører katoden, reagerer den og danner et interfaslag på omkring 100 nanometer – 1.000 gange mindre end bredden af et enkelt menneskehår. Dette lag blokerer lithium‑ioner og elektroner fra at bevæge sig let, hvilket øger modstanden og forringer batteriydelsen.”

Den mest betydningsfulde gennembrud

Forskningsholdets mest betydningsfulde præstation var dog deres brug af fire-dimensionel scanning transmission electron microscopy (4D STEM). Det, der gjorde dette revolutionerende, var, at de kunne undersøge batteriets atomstruktur uden at demontere det, hvilket gjorde det muligt for dem at opnå en grundlæggende forståelse af de kemiske reaktioner indeni og bestemme, i hvilken grad interfaslaget var ansvarligt for skader.

Set fra perspektivet af de potentielle brugere af disse batterier, har forskningen og dens implikationer stort potentiale.

Forventede reelle fordele

Globale bilproducenter er begejstrede for faststofbatterier, fordi de vil tilbyde større sikkerhed og termisk stabilitet. Den forskning, vi netop har diskuteret, er et gennembrud i den retning – et enormt betydningsfuldt skridt fremad. Desuden kan forskningen føre til forbedringer i sikkerhed, ydeevne, batteriers levetid, omkostninger og deres miljøpåvirkning. 

Batteri‑forskere over hele verden er optimistiske med hensyn til den nye generation af faststofbatterier, som vil opstå som resultat af sådan forskning, og som til sidst vil overvinde to væsentlige ulemper ved konventionelle lithium‑ion‑batterier. De nikkel‑rige katoder vil gøre det muligt for batteriindustrien at bruge mindre kobolt i katoden. For det andet vil faststof‑kemi gøre det muligt for batteriproducenter at anvende lithiummetal i anoden.

Den første faktor er afgørende for sektoren, da kobolt er knap, dyrt og svært at udvinde. Det kommer fra lande med svage minedriftlove. Forskerne mener, at omfanget af lithium i anoden er betydeligt, fordi det øger energitætheden og fremmer sikkerheden. 

Når vi taler om brugen af lithiummetal, Helena Braga, en lektor i ingeniørfysik ved University of Porto i Portugal og en velkendt forsker, der arbejdede medNobel Prize vinder John Goodenough på faststofbatterier for et årti siden, sagde:

“Det er derfor, vi startede denne (faststof) rejse i første omgang – så vi kunne bruge lithiummetal.”

Alt i alt kan denne teknologi og forskningsbaserede teknik føre til forbedrede batteridesign med øget ydeevne og sikkerhed, potentielt påvirkende forbrugerelektronik og elbiler inden for 3–7 år.​

Dog vil den reelle værdi af sådan forskning afhænge af, hvor succesfuldt virksomheder, der producerer faststofbatterier, adopterer dem og skalerer dem op. I det følgende afsnit diskuterer vi en sådan virksomhed, Solid Power, Inc. (SLDP ), som specialiserer sig i all‑solid‑state batteriteknologi med fokus på sikrere og mere effektive energilagringsløsninger.​

Solid Power, Inc. (SLDP ) 

Solid Power positionerer sig som leverandør af all‑solid‑state battericelleteknologi, der tilbyder væsentlige forbedringer i forhold til nutidens konventionelle flydende lithium‑ion‑teknologi og næste generations hybridceller, herunder høj energi, forbedret sikkerhed, længere levetid og omkostningsbesparelser. 

Solid Powers batterier muliggør brug af højkapacitets‑elektroder som silikone med højt indhold og lithiummetal for at opnå høj‑energi‑ydelse. De bliver sikrere ved at fjerne behovet for de reaktive og flygtige flydende og gel‑komponenter. Som følge heraf kan de modstå og levere ved ekstremt høje temperaturer. Virksomheden mener, at deres batterier kan give en omkostningsfordel på 15–35 % i forhold til eksisterende lithium‑ion‑batterier på pakkerniveau.

I de kommende afsnit diskuterer vi de tre varianter af Solid Powers faststofbatterier. 

Silicium‑EV‑celle 

Disse celler har en anode med højt silikoneindhold, der leverer høje opladningshastigheder og lavere temperaturkapacitet. Disse batterier drives af virksomhedens proprietære sulfid‑baserede faste elektrolytter. Endelig er deres NMC‑katode industristandard og kommercielt moden. 

Lithiummetal

Solid Power Lithium‑metal‑batterier leveres med lithiummetal og høj‑energi‑anode. Denne batterikategori drives også af Solid Powers proprietære sulfid‑baserede faste elektrolytter samt industristandard og kommercielt modne NMC‑katoder. 

Konversionsreaktionscelle 

Endelig kommer vi til konversionsreaktionscelle‑kategorien af batterier, som har lithiummetal, høj‑energi‑anode, sulfid‑baserede faste elektrolytter med ultralav pris og en høj specifik energi konversions‑type katode. 

Solid Powers batteriteknologi har sulfid‑baserede faste elektrolytter som en af sine mest solide grundpiller. Teknologien sikrer fuldstændig fjernelse af den brandfarlige flydende elektrolyt og polymerseparator i et traditionelt lithium‑ion‑batteri og erstatter den med et fast lag, som på trods af sin tynde udformning fungerer som en barriere, der forhindrer anoden og katoden i at røre hinanden, hvilket ville forårsage kortslutning. Det fungerer også som en ledende elektrolyt. Solid Powers sulfid‑baserede faste elektrolyt har den bedste kombination af ledningsevne, fremstillingsevne og celle‑niveau ydeevne. 

Solid Powers kerne‑sulfid‑baserede faste elektrolytteknologi bruger jord‑rigelige materialer. Virksomheden forventer at skalere produktionen af deres elektrolyt til at drive 800.000 elektrificerede køretøjer med deres all‑solid‑state battericeller årligt inden 2028.

SLDP: Seneste opdateringer

I december 2024 annoncerede Solid Power forlængelsen af deres partnerskab med Ford indtil 2025. Den tredje ændring af den fælles udviklingsaftale afspejlede det fortsatte engagement mellem Solid Power og Ford om at skubbe grænserne for elbilbatteriers ydeevne fremad. 

Rapporter nævnte forlængelsen af partnerskabet som et betydningsfuldt skridt for Solid Powers arbejde med at kommercialisere deres faststofbatteriteknologi. Det udvidede partnerskab med Ford, en førende global bilproducent, understregede den potentielle indvirkning af Solid Powers teknologi på bilindustrien.

I januar 2025 indgik virksomheden en betydelig finansiel aftale med det amerikanske energiministerium (DOE). Virksomheden annoncerede, at de havde sikret op til $50 millioner i finansiering for at forbedre deres produktionskapacitet af sulfid‑baseret fast elektrolytmateriale, som er essentielt for næste generations batterier.

Finansieringen kom som en del af en bistandsaftale med ikrafttrædelsesdato 1. januar 2025, som fastslog, at Solid Power skulle bidrage med $60 millioner af sine egne midler som en del af omkostningsdelingsordningen. Investeringen var rettet mod at støtte installationen af udstyr, der er nødvendigt for kontinuerlig produktion, hvilket forventes at styrke virksomhedens produktionsskala.

Som en del af aftalen var Solid Power forpligtet til at overholde specifikke rapporteringskrav og overholdelsesforpligtelser. DOE’s støtte understregede vigtigheden af at fremme batteriteknologi til energilagring og elbiler, sektorer der er afgørende for overgangen til en lav‑kulstoføkonomi.

Partnerskabet mellem virksomheden og DOE var et strategisk skridt i at accelerere kommercialiseringen af faststofbatterier, som lover højere energitæthed, forbedret sikkerhed og længere levetid sammenlignet med konventionelle lithium‑ion‑batterier.

På den finansielle front leverede Solid Power $20,1 millioner i omsætning i 2024, en stigning på $2,7 millioner sammenlignet med 2023. Driftsomkostningerne var $125,5 millioner i 2024, op fra $108,0 millioner i 2023, drevet af øgede forsknings‑ og udviklingsomkostninger for at forbedre ydeevnen af deres elektrolyt‑ og celledesign, elektrolytproduktion, indkøb af udstyr til støtte for SK On‑aftalerne og opskalering af driften, herunder etablering af koreanske aktiviteter. Driftsunderskuddet for 2024 var $105,3 millioner, mens nettounderskuddet var $96,5 millioner, eller $0,54 pr. aktie.

“I 2025 vil Solid Power fortsætte med at drive udviklingen af ASSB‑teknologi fremad ved at forbedre elektrolyt‑ydelsen gennem feedback fra vores celleudviklingsteam, opfylde partnerkrav og kundebehov, fortsætte med at innovere både på elektrolyt‑ og celleteknologier og opretholde finansiel disciplin, mens vi strategisk investerer i udvikling og kapaciteter.”

– John Van Scoter, præsident og administrerende direktør for Solid Power

Faststofbatteri: Ser ind i fremtiden

Fremtiden for faststofbatterier ser spændende ud, fyldt med innovationspotentiale. I 2024 udviklede forskere fra Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) for eksempel et nyt lithium‑metal‑batteri, der kunne oplades og aflade mindst 6.000 gange – mere end enhver anden pouch‑battericelle – og som kunne genoplades på få minutter.

Ifølge Xin Li, lektor i materialvidenskab ved SEAS og seniorforfatter af papiret, der detaljeret beskriver forskningen og blev offentliggjort i Nature Materials:

“Lithium‑metal‑anode‑batterier betragtes som den hellige gral inden for batterier, fordi de har ti gange kapaciteten af kommercielle grafit‑anoder og kan drastisk øge rækkevidden for elbiler.”

I deres forskning stoppede Li og hans team dendritdannelse ved at anvende mikron‑størrelse silikonepartikler i anoden for at indsnævre litieringsreaktionen og lette en homogen belægning af et tykt lag lithiummetal. Når lithium‑ioner bevægede sig fra katoden til anoden under opladning, blev litieringsreaktionen indsnævret ved den overfladiske overflade, og ionerne blev bundet til silikonepartikelens overflade uden at trænge dybere. 

“I vores design bliver lithiummetal viklet omkring silikonepartiklen, som et hårdt chokoladeskal omkring en hasselnøddekerne i en chokoladetrøffel.”

– Li

De belagte partikler dannede en homogen overflade, som sikrede en jævn fordeling af strømstyrke og forhindrede væksten af dendritter. Og fordi belægning og afskalning kunne ske hurtigt på en ensartet overflade, kunne batteriet genoplades på kun omkring 10 minutter. 

Forskerne udviklede en poststempelformet pouch‑cel version af batteriet, 10 til 20 gange større end den møntcelle, der fremstilles i de fleste universitets‑laboratorier. Batteriet beholdt 80 % af sin kapacitet efter 6.000 cyklusser og overgik andre pouch‑cel‑batterier i samme klasse.

I processen afslørede forskerne dusinvis af andre materialer, som potentielt kan give lignende ydeevne. Ifølge Li:

“Tidligere forskning har fundet, at andre materialer, herunder sølv, kan fungere som gode materialer i anoden for faststofbatterier.”

For at gøre processen universel, offentliggjorde et forskerteam en artikel om benchmarking af reproducerbarheden af all‑solid‑state battericelle‑ydelse². Forskerne observerede, at den interlaboratoriske sammenlignelighed og reproducerbarhed af all‑solid‑state battericelle‑cyklingsydelse var dårligt forstået på grund af manglen på standardiserede opsætninger og samlingsparametre.

Forskerne foreslog et sæt parametre for rapportering af all‑solid‑state battericyklingsresultater og advokerede for rapportering af data i triplikat. For eksempel var en indledende åben kredsløbs‑spænding på 2,5 og 2,7 V vs. Li+/Li en god indikator for vellykket cyklning af celler, der bruger disse elektroaktive materialer.

Standardisering af produktion af faststofbatterier er afgørende, fordi deres anvendelsesmuligheder er mangfoldige. Mens EV‑producenter er blandt de mest interesserede i at udvikle effektive faststofbatterier, rapporterede selv NASA‑forskere fremskridt med udviklingen af en innovativ batteripakke, som var lettere, sikrere og præsterede bedre end de batterier, der almindeligt anvendes i køretøjer og store elektroniske enheder i dag.

NASA‑forskere eksperimenterede med innovative nye materialer, som endnu ikke var blevet brugt i batterier. Teamet indså tidligt, at faststofarkitektur gjorde det muligt at ændre batterikonfiguration og -pakning, hvilket reducerede vægt samtidig med at energilagringskapaciteten øgedes. De demonstrerede, at faststofbatterier kunne drive objekter med den enorme kapacitet på 500 watt‑timer per kilogram – dobbelt så meget som en elbil.

“Dette design fjerner ikke kun 30 til 40 % af batteriets vægt, men det giver os også mulighed for at fordoble eller endda tredoble den energi, det kan lagre, hvilket langt overgår kapaciteterne for lithium‑ion‑batterier, som betragtes som topmoderne.”

– Rocco Viggiano, hovedforsker for SABERS

SABERS er en forkortelse for NASA’s udpegede aktivitet, ‘Solid‑state Architecture Batteries for Enhanced Rechargeability and Safety.’

Som navnet antyder, vil fremtiden for faststofbatterier trives på disse aspekter af hurtig genopladning og sikkerhed. Producenter vil i stigende grad søge at udvikle batterier, der oplader hurtigere uden at gøre processen usikker.

Klik her for en liste over de 5 bedste faststofbatteri‑aktier.