Sikrere, billigere og mere kraftfulde? Løftet om aluminiumbatterier

Batterier med høj kapacitet, som oplader hurtigere og holder længere, er nøglen til at drive fremtiden for bærbar elektronik, elbiler og langsigtet energilagring.

I de seneste årtier har lithium‑ion‑batterier domineret dette område. Som en type genopladeligt batteri oplades og aflades lithium‑ion‑batterier ved, at ionerne bevæger sig mellem de positive og negative elektroder, dvs. anoder og katoder.

Metallet lithium, der anvendes i disse batterier, er blødt, sølvfarvet og meget reaktivt. Det har den laveste densitet af alle metaller og findes i forbindelser som en mineral, hvor Chile er den største producent. Chile har også de største lithiumreserver, efterfulgt af Australien og Kina; sidstnævnte er også en førende aktør inden for lithium‑ion‑batterier.

Disse batterier kræver faktisk enorme mængder vand og energi at fremstille. De er også meget svære at genanvende.

Så selvom lithium‑ion‑batterier har bevist deres ydeevne i bærbar forbrugerelektronik som smartphones, bærbare computere og andre håndholdte enheder, samt i elbiler og lagringssystemer til solenergi‑backup, søger markedet nu efter materialer, der kan overgå lithium‑ion og drive næste generations enheder, langdistancerkøretøjer, elektriske fly og lagring på netniveau.

Dette har ført forskere til aluminium, som viser lovende ydeevne for sikrere, billigere og mere kraftfulde batterier.

Aluminiums potentiale i fremtidens batterier 

Forsøg på at udvikle genopladelige aluminium‑batterier har stået på i mange årtier, men har fået betydelig fremdrift i det sidste årti eller deromkring. Øget opmærksomhed og forskning har hjulpet Al‑ion‑batterier med at opnå exceptionelle ladnings‑ og afladningshastigheder. 

Alle udviklinger omkring Al‑ion‑batterier er betydningsfulde på grund af de overlegen fordele, dette elektropositive metal bringer med sig. 

Aluminiums unikke egenskaber omfatter at være let, korrosionsbestandigt og have høj termisk ledningsevne. 

Denne alsidighed har gjort metallet yderst gavnligt i en bred vifte af anvendelser i forskellige industrier, især transport. Metallet anvendes i stor udstrækning i fremstillingen af biler, fly og tog, fordi det er let og stærkt, hvilket hjælper med at forbedre brændstofeffektiviteten og reducere emissionerne. 

En anden vigtig anvendelse af aluminium er i byggebranchen, fordi det er let at arbejde med og har evnen til at modstå hårde miljøforhold. Aluminium anvendes også i stor grad i emballage, rumfart, kemisk, militær og elektrisk industri.

Den lave densitet og gode elektriske ledningsevne gør aluminium ideelt til fremstilling af elektriske ledere, enheder som computere, smartphones og fjernsyn samt brug i luftledninger.

Endnu vigtigere er, at aluminium er det mest udbredte metal i jordens skorpe. Som et lavprismetal kan dets anvendelse i genopladelige batterier markant reducere batteripriserne, især for økonomiske, stor‑skala backup‑systemer til vedvarende energilagring.

Lithium‑ion‑batterier er stadig for dyre til disse anvendelser. Ud over at være kostbare indeholder de også en brandfarlig elektrolyt, som udgør en sikkerhedsrisiko. Det mest udbredte metal på Jorden og det næstmest udbredte kommercielle metal (efter jern) udgør her et egnet alternativ.

Ud over at være billigt har aluminium også en høj volumenkapacitet, som er fire gange større end lithiums og syv gange større end natriums. Dette viser aluminiums potentiale til at forbedre energitætheden i batterier på volumenbasis.

Desuden er aluminium ikke brandfarligt, hvilket yderligere understøtter dets anvendelse som elektrode. Brug af dette metal fjerner også kompleksiteten fra et interfaselag, som ofte ses i lithium‑ion‑systemer. 

Det betyder ikke, at aluminium er uden mangler. Passivering, korrosion og hydrogenudvikling i aluminium‑ion‑batterisystemer har begrænset deres anvendelse. En anden udfordring for aluminium‑ion‑batterier er valget af anodematerialer på grund af den høje ladningsdensitet af Al3+-ioner, hvilket medfører langsom diffusionskinetik og dermed begrænser batteriets hastighedskapacitet.

På trods af disse udfordringer er aluminium‑ion‑batterier en lovende kandidat til stor‑skala energilagring på grund af deres høje specifikke kapacitet, lave omkostninger, letvægt, gode sikkerhed og aluminiums naturlige overflod.

Udforskning af aluminium‑ion‑batterier til praktisk anvendelse

Undersøgelsen af aluminium i batterier har pågået i et stykke tid på grund af behovet for nye batterikemi for at imødekomme efterspørgslen efter høj energi fra f.eks. fly, der skal flyve lange afstande, og energilagring i stor skala. Konventionelle batterier kan simpelthen ikke indeholde nok energi til at drive disse systemer.

For omkring et årti siden afslørede forskere ved Stanford University for første gang, at et aluminium‑ion‑batteri kan være stabilt og holde mange cyklusser. Dette Al‑ion‑batteri kunne blive fuldt opladet på et minut og gennemgå op til 7500 ladnings‑/afladningscyklusser med minimal kapacitetsnedbrydning.

En undersøgelse udført af forskere ved University of Queensland, Australien, sent sidste år adresserede den tekniske udfordring med en AIB‑komponent¹ kaldet den faste elektrolyt‑interfase.

Et Al‑ion‑batteri, ligesom lithium‑ion‑batterier, har en anode, en katode og en elektrolyt, som transporterer aluminium‑ioner, der bevæger sig mellem de positivt ladede elektroder og de negativt ladede elektroder. 

Under afladning bevæger ionerne sig fra anoden til katoden for at generere energi, og ved opladning af batteriet vender processen om for at lagre energi. Når det gælder Al‑ion‑batterier, oplever de ustabilitet under cyklussen mellem opladning og afladning på grund af dannelse af dendritter, som forårsager kortslutninger, hvilket fører til batterifejl.

Ifølge forskningen er svaret, at aluminium‑ion‑batterier har brug for for‑cyklisering, ligesom lithium‑ion‑batterier, for at maksimere deres levetid. Forståelse af disse unikke for‑cykliseringsbehov kan føre til bedre design, der gør det muligt for et batteri at holde længere og fungere mere pålideligt, og dermed bringe dem tættere på praktisk anvendelse.

I en anden undersøgelse fra et par år siden brugte forskere fra Georgia Institute of Technology aluminiumsfolie til at skabe batterier, der kunne gøre det muligt for elbiler at køre længere på en enkelt opladning.

I denne undersøgelse tilføjede forskerne små mængder af over 100 forskellige materialer til aluminium for at skabe folie med specifikke “mikrostrukturer”. Aluminium‑anoden var i stand til at lagre mere lithium end traditionelle anodematerialer, hvilket betyder mere energi og fører til fremstilling af batterier med høj energitæthed.

Disse forskningsresultater inden for aluminium‑batterier har enormt potentiale til at åbne døren for mere kraftfulde batteriteknologier, der kan drive fremtiden.

Nyt design for at forlænge aluminium‑batteriers levetid

Givet de mange fordele ved aluminium‑ion‑batterier, har en ny undersøgelse offentliggjort² i ACS Central Science sat sig for at designe et omkostningseffektivt og miljøvenligt Al‑ion‑batteri, der kan hjælpe med at støtte overgangen til bæredygtig, ren energi.

Med den globale bevægelse mod bæredygtighed påpegede undersøgelsen behovet for at udforske rigelige og vedvarende ressourcer til fremskridt inden for energilagrings‑batteriteknologier for at fremme bæredygtig udvikling.

Derfor vendte forskerne sig mod genopladelige aluminium‑ion‑batterier (AIB’er) med ikke‑brandbare, rumtemperatur‑chloroaluminat‑baserede ionvæske‑elektrolytter. Deres brede temperaturtilpasning, lange cykluseliv og exceptionelle sikkerhed gør AIB’er yderst velegnede til systemer, der kan lagre energi i stor skala. 

Men naturligvis lider traditionelle ionvæske‑elektrolytter i AIB’er af betydelige svagheder. Med deres nye rammeværk sigter forskerne mod at overvinde korrosionsproblemet fra den mest almindelige elektrolyt, der anvendes i Al‑ion‑batterier. 

Elektrolytten — flydende aluminiumchlorid — korroderer ikke kun aluminium‑anoden, men forværrer også tilstanden på grund af dens høje følsomhed over for fugt. Dette bidrager til dårlig stabilitet, hvilket resulterer i et fald i den elektriske ydeevne over tid. 

For at fjerne denne begrænsning introducerede forskerne et inert aluminiumfluorid‑salt til elektrolytten, som indeholdt en Al‑ion, hvilket gjorde den til en fast‑tilstand elektrolyt. Den 3D porøse struktur af aluminiumfluorid‑saltet gør det muligt for aluminium‑ioner let at hoppe gennem elektrolytten og øge ledningsevnen. 

Forskerne brugte også fluoroethylenkarbonat som et grænseflade‑additiv. En tynd fast belægning af dette på elektroderne hjalp med at forhindre dannelse af aluminiumkrystaller og beskytter dermed batteriets tilstand mod forringelse.

Med disse to komponenter lykkedes det holdet at forbedre batteriets fugtmodstand samt dets termiske og fysiske stabilitet. Dette gjorde det fast‑tilstand Al‑ion‑batteri i stand til at modstå temperaturer op til 392 grader Fahrenheit (eller 200 grader Celsius). Det stod også fast mod gentagne stød fra et skarpt objekt.

Når det gælder batteriets levetid, fandt undersøgelsen, at den er usædvanligt lang. Det fast‑tilstand Aluminium‑ion‑batteri holdt op til 10.000 ladnings‑ og afladningscyklusser, mens det kun mistede mindre end én procent af sin oprindelige kapacitet. 

Desuden kan det meste af det anvendte aluminiumfluorid genvindes med en simpel vask. AlF3 kan derefter genanvendes i et andet batteri med kun en let nedsat ydeevne, hvilket yderligere reducerer produktionsomkostningerne for batteriet.

“Dette nye Al‑ion‑batteridesign viser potentialet for et langtidsholdbart, omkostningseffektivt og højsikkert energilagringssystem. Evnen til at genvinde og genanvende nøglematerialer gør teknologien mere bæredygtig.”

– Wei Wang, State Key Laboratory of Advanced Metallurgy, University of Science and Technology Beijing, China

Det nye batteri øger Al‑ion‑batteriers praktisk anvendelighed ved at reducere deres produktionsomkostninger og forlænge deres levetid, men yderligere forbedringer er stadig nødvendige inden for energitæthed, elektrolyttestabilitet og livscyklus for at kommercialisere dette batteri.

Klik her for at læse om en undersøgelse, der afkræftede myter om batterialdring.

Vigtige aktører på batterimarkedet

Fremkomsten af lovende næste‑generations batteriteknologier giver betydelige forbedringer i energitæthed, sikkerhed, omkostninger og levetid sammenlignet med nuværende lithium‑ion‑batterier. De forventes at transformere energibehovet, drevet af innovationer, der tackler begrænsningerne i de nuværende teknologier. 

Lad os nu se på virksomheder, der skubber grænserne for batteriteknologi og kan forvente enorm vækst i de kommende år.

1. QuantumScape

Mens verden udforsker alternativer, fortsætter lithium‑baserede batterier med at være i front for nu. I denne kontekst er QuantumScape Corporation (QS ) blandt de førende batterivirksomheder, der udvikler solid‑state lithium‑metal‑batteriteknologi til elbiler og andre anvendelser. 

Efterhånden som de traditionelle lithium‑ion‑batterier nærmer sig deres grænse, har virksomheden udviklet det, de kalder den første anode‑fri celle‑design i branchen, som leverer høj energitæthed, reducerede materialomkostninger og forenklet produktion. 

I modsætning til konventionelle lithium‑ion‑batterier, der har en polymerseparator, bruger QuantumScape en solid‑state separator. Dette muliggør udskiftning af kul‑ eller silicium‑anode med en lithium‑metal‑anode, som er mere energitæt og dermed lagrer en større mængde energi i samme volumen. I QuantumScapes design fremstilles batteriet anode‑frit og i en afladet tilstand.

Ifølge QuantumScape har deres 24‑lag A0 prototypecelle gennemført over 1.000 fulde ladnings‑/afladnings‑cyklus‑ækvivalenter med over 95 % energibevaring. I oktober afslørede virksomheden deres planlagte første kommercielle produkt, QSE‑5, til bilapplikationer. QSE‑5 B‑samplecellen, hvis lav‑volumen produktion er påbegyndt, har en målt celleenergi på 21,6 Watt‑timer (Wh). QSE‑5‑cellerne kan oplade fra 10 % til 80 % på omkring 12 minutter.

Med en markedsværdi på 2,62 milliarder handles QuantumScape‑aktier i øjeblikket til $5,13, ned 1,16 % år‑til‑dato. Dens EPS (TTM) er -0,95, og P/E‑forholdet (TTM) er -5,38.

For de senest rapporterede kvartalsresultater, dvs. Q3 2024, havde virksomheden $17,9 millioner i kapitaludgifter, mens de GAAP‑driftsomkostninger udgjorde $130,2 millioner, og GAAP‑nettoresultatet var et tab på $119,7 millioner. Likviditeten ved kvartalets afslutning var $841 millioner.

QuantumScape har også indgået partnerskab med Volkswagens batteriproducent PowerCo for at bringe deres QSE‑5‑teknologi i masseproduktion.

I denne periode rapporterede virksomheden, at de med succes implementerede deres nye separator‑produktionsteknologi kaldet Raptor. I december annoncerede virksomheden derefter udgivelsen af Cobra, som QuantumScape siger vil sætte dem på rette vej til at levere høj‑volumen‑prøver af QSE‑5 i år. Cobra betragtes også som et vigtigt skridt mod kommercialisering af deres solid‑state batterier til elbiler.

2. Solid Power

Grundlagt i 2011 blev Solid Power (SLDP ) udspundet fra University of Colorado Boulder med finansiering fra DARPA. Gennem årene sikrede de kontrakter fra Air Force og indgik en aftale med Department of Energy.

I 2018 havde virksomheden sin første runde af aktiebaseret finansiering, og i 2021 annoncerede de en investeringsrunde på $135 millioner ledet af BMW Group, Ford Motor Company (F ) og Volta Energy Technologies. 

Både Ford og BMW Group har siden udvidet deres eksisterende fælles udviklingsaftaler med Solid Power for at sikre alle solid‑state batterier til deres fremtidige elbiler. I året før dette producerede Solid Power 320 Wh/kg 20 Ah lithium‑metal‑celler, som de rapporterede overgik den kommercielt tilgængelige lithium‑ion‑specifikke energi.

Virksomheden er involveret i udviklingen af næste generations all‑solid‑state batteriteknologi, som de siger har potentialet til at revolutionere fremtidige mobile energimarkeder. Deres fokus er især på sulfid‑baserede faste elektrolytter til elbiler med et omkostningsmål på $85/kWh. Målet er at skalere elektrolytproduktionen til at drive 800.000 elbiler med deres battericeller årligt inden 2028.

Med en markedsværdi på 268,77 millioner handles Solid Power‑aktier i øjeblikket til $1,50, ned 21,16 % år‑til‑dato. Virksomheden begyndte først at handle på Nasdaq i slutningen af december 2021. Dens EPS (TTM) er -0,47, og P/E‑forholdet (TTM) er -3,14.

For de senest rapporterede finansielle resultater, Q3 2024, leverede Solid Power $4,7 millioner i omsætning, hvilket var et fald på $1,7 millioner i forhold til samme kvartal året før. Dette fald i omsætning skyldtes primært afslutningen af deres milepæle med BMW. Dets driftsomkostninger i perioden var højere på grund af øgede produktionsomkostninger, udviklingsomkostninger for celle og elektrolyt, skalering af driften og implementeringer. Likviditetspositionen forblev dog stærk, da SolidPower afsluttede kvartalet med $348,1 millioner i samlet likviditet.

I denne periode begyndte virksomheden at arbejde i deres elektrolyt‑innovationscenter (EIC) for at forbedre fremstillingsprocesserne for deres pre‑pilot‑elektrolyt.

Senest annoncerede Solid Power, at de har sikret op til $50 millioner i finansiering fra den amerikanske Department of Energy til kontinuerlig produktion af sulfid‑baserede faste elektrolytmaterialer. Som en del af en Assistance Agreement vil Solid Power bidrage med $60 millioner af egne midler til at støtte installation af udstyr, hvilket forventes at styrke virksomhedens produktionsskala.

Konklusion 

Lithium‑ion‑batterier fortsætter med at dominere i mange almindelige forbrugerelektronik, elbiler og energilagringssystemer (ESS’er). Den stigende udbredelse af disse batterier skyldes deres høje energitæthed og modne industrielle produktionssystemer, men hvis vi vil integrere rigelige og vedvarende energikilder i elnettet, skal vi finde bedre løsninger.

Langtidslagring af sol- og vindenergi kræver store batterier, men Li‑ion‑batterier er omkostningsmæssigt uholdbare til denne opgave. For ikke at nævne, at deres brandfare udgør en betydelig sikkerhedsrisiko. En potentiel erstatning for pålidelige, stor‑skala energilagringssystemer er genopladelige Al‑ion‑batterier, som udgør et lovende alternativ med deres lavere omkostninger, forbedrede sikkerhed og høje volumenkapacitet. 

Med fremskridt inden for elektrolyttestabilitet og batterilevetid kan aluminium‑ion‑batterier spille en central rolle i stor‑skala energilagring, elbiler og videre. Selvom udfordringer stadig eksisterer for deres kommercielle levedygtighed, bringer løbende forskning disse batterier tættere på praktisk anvendelse og kan snart imødekomme samfundets fremtidige behov for høj energitæthed og overkommelige batterier.

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