Små justeringer for store forandringer – Er teksturer af blødt metal et gennembrud for batterier?

Batterier er overalt. Vores moderne teknologiske tidsalder kan ikke udvikle sig eller trives uden effektivt fremstillede, effektive batterier. Batterier findes i elbiler, mobile enheder, vedvarende energilagring og meget mere. 

Hvis vi ser på væksttallene, er potentialet eksponentielt. Mellem 2022 og 2030 forventes den globale efterspørgsel efter lithium‑ion‑batterier for eksempel at stige næsten syvfold og nå 4.7 terawatt-timer i 2030. Markedsanalytikere tilskriver en betydelig del af denne vækst til den eksplosive popularitet af elbiler, som er i høj grad afhængige af lithium‑ion‑batterier. I 2024 udgjorde elbiler over 80 procent af den globale efterspørgsel efter lithium‑ion‑batterier. 

At understøtte denne ekstraordinære vækst vil kræve, at produktionen af batterier skaleres op. Og denne opskalering kan kun understøttes af innovation. Den gode nyhed er, at forskere over hele verden er i gang med det. De udforsker konstant nye materialer, designs, konfigurationer og kemi. 

Det er dog også vigtigt løbende at kontrollere, om disse udforskninger optimerer de tilgængelige ressourcer. Og i sådan en granskning opdagede forskerne, at teksturen af metaller er noget, der historisk set er blevet overset. 

Mens de forklarer den præcise karakter af denne oversethed, UChicago PME Prof. Shirley Meng, den Liew Family Professor i Molekylær Ingeniørkunst, sagde følgende:

“Der er et hul i forståelsen af kornorienteringen, også kendt som tekstur, og hvordan en sådan faktor påvirker ydeevnen af genopladelige metalbatterier.”

Løsningen kommer fra Mengs Laboratorium for Energilagring og -konversion og deres industripartner, Thermo Fisher Scientific (TMO ). Mere specifikt kommer den gennem et papir skrevet af Meng og hendes medforskerteam. Papiret har titlen ‘Grain Selection Growth of Soft Metal in Electrochemical Processes.’

Eksperimentering mod en bedre tekstur for bedre batterier

Med udtrykket ‘tekstur’ refererer forskerne til kornorienteringen, som er orienteret i en bestemt retning i stedet for tilfældig fordeling. Plasma‑fokuseret ion‑beam‑elektron‑backscatter‑diffraktion (PFIB‑EBSD) hjælper med at karakterisere metalteksturen under forskellige elektrokemiske belægnings‑ og afstripningsforhold. 

I undersøgelsen¹, forskerne fremhævede konkurrencen mellem overfladeenergi og spændingsenergi for teksturformationen af alkalimetaller. Mere specifikt forsøgte de at forstå, hvordan dominansen af atomdiffusion og overfladeenergi af alkalimetaller over kornselektionsvækst under elektrokemiske processer fungerer som nøgle til at forklare de kinetiske begrænsninger for fastsolidbatterier ved brug af metalanoder, især ved stuetemperatur. Det ultimative mål med denne forskning og de indsigter, der er afledt, var at opnå ønskelige teksturer gennem grænseflade‑engineering for at forbedre belægnings‑/afstripnings‑effektiviteten ved høje strømstyrker.

Forskerne gennemførte en række trin i deres bestræbelse på at forstå, hvad der kunne være den perfekte tekstur for metalliske batterier. De karakteriserede den bløde metaltekstur under forskellige betingelser, udviklede en termodynamisk teori og fase‑felt‑model for teksturformation, identificerede ønskelige teksturer for at forbedre belægnings‑/afstripnings‑effektiviteten, og – endelig – designede et grænsefladelag for ønskelig kornvækst. 

Hvad opnåede forskningen?

I ordene fra UChicago PME Research Assoc. Prof. Minghao Zhang, den første forfatter af det nye arbejde, opdagede forskerne, at tilsætning af et tyndt lag silicium mellem lithiummetal og strømindsamleren hjælper med at skabe den ønskede tekstur.

Forskerne konkluderede, at ‘ændringen forbedrede batteriets hastighedskapacitet med næsten ti gange i alle‑fast‑solid‑batterier, der bruger lithiummetal.’

Men hvad førte forskerne til at finde ud af, hvad der var rigtigt og optimalt? 

Forskerne startede med antagelsen om, at den ideelle tekstur for en batterianode ville være en, hvor atomer hurtigt kunne bevæge sig langs overfladeplanet, da hurtigere bevægelse hjælper batterier med at oplade og aflade hurtigere. For at ændre tekstureringen var det, der betød noget, forskellene i den bløde metals overfladeenergi. 

Ifølge professor Minghao Zheng:

“Da batterier med lithium‑ eller natriummetal er afhængige af disse teksturer for foretrukken hastighedskapacitet, spekulerede teamet på, om justering af teksturen af bløde metaller kunne forbedre effekt‑tætheder.”

Opnåelsen af målet afhængte i høj grad af effektiv brug af mikroskopisk teknologi, som involverede fræsning inden for et plasma‑fokuseret ion‑beam‑scanning‑elektron‑mikroskop (PFIB‑SEM) med elektron‑backscatter‑diffraktions‑kortlægning (EBSD). Den effektive kombination af disse to metoder kunne hjælpe med at studere teksturen på nye måder. 

Mens han uddyber nytten af mikroskopteknologien, der blev anvendt i forskningen, sagde medforfatter Zhao Liu, Senior Market Development Manager hos Thermo Fisher Scientific:

“Kombinationen af PFIB‑EBSD er velegnet til denne undersøgelse, da PFIB effektivt kan få adgang til det område af interesse inden for celle‑stakken og producere en overflade af høj kvalitet med minimale fejl, mens EBSD leverer detaljeret teksturinformation om det bløde metal.”

Udover sin industripartner samarbejdede forskerne også med LG Energy Solution’s Frontier Research Laboratory med målet om at arbejde mod kommercialisering af teknologien. 

Ifølge LG Energy Solutions seniorforsker Jeong Beom Lee vil forskningen hjælpe med at udvikle næste generations batterier til elbiler og energilagringsapplikationer. 

Hvad forskerne har til hensigt at gøre fremover?

Fremadrettet har forskerne to klare mål. For det første ønsker de at sænke trykket, der anvendes under testning, fra 5 megapascal (MPa) til 1 MPa, som er den nuværende industristandard for kommercielt tilgængelige batterier. For det andet vil de undersøge påvirkningen af tekstur på natrium, som ifølge Mengs resultater har potentiale til at blive et billigt, let tilgængeligt alternativ til lithium. 

Anden forskning om Li-ion batterimaterialer

Selvom den nuværende forskning præsenterer et gennembrud, er lignende forskningsindsatser ikke usædvanlige. En gennemgang af forskning udført på sådanne batterier – offentliggjort i Materials Today – fremhævede, at selvom Li-ion batterier havde klare fordele som høj energitæthed, lang cykluseliv og høj effektivitet, som de har i dag, fortsatte forskningen med nye elektrodmaterialer for at presse grænserne for omkostninger, energitæthed, effekt‑tæthed, cykluseliv og sikkerhed.

Mens forskerne undersøgte de lovende anode‑ og katodemateriale‑muligheder omkring dem, fandt de, at mange af dem led af problemer som begrænset elektrisk ledningsevne, langsom Li‑transport, opløsning eller andre ugunstige interaktioner med elektrolytten, lav termisk stabilitet, stor volumenudvidelse og mekanisk sprødhed. De tilgængelige løsninger på disse problemer involverede interkations‑katoder, der blev bragt på markedet. Dog var hastigheden, hvormed konversionsmaterialeteknologi opnåede kommercialisering, langsom. 

Når vi taler om kommercialisering og opskalering, bør vi nu gå videre til virksomheder, der kan opnå meget gennem sådan højteknologisk forskning. 

1. Samsung

I august 2024, Sydkoreas Samsung SDI indgik en aftale med General Motors (GM ) om at bygge en fælles elbilbatterifabrik i den amerikanske delstat Indiana. Gennem denne aftale besluttede de to virksomheder at fælles bygge et battericelleproduktionsanlæg med en årlig produktionskapacitet på 27 gigawatt‑timer. 

Tidligere, i 2022, Samsung SDI Co., verdens sjette største batteriproducent, og den hollandsk‑baserede multinationale bilproducent Stellantis N.V (STLA ). havde valgt delstaten Indiana som sted for en fælles elbilbatterifabrik i USA. 

Producenten havde til formål at producere 23 gigawatt‑timer (GWh) af prismatiske battericeller og moduler om året, ifølge planen for første halvdel af 2025 for Stellantis’ bilfabrikker i Nordamerika. 

Når det gælder produktion af batterier, leverer Samsung SDI en række løsninger, herunder elbiler, energilagringssystemer, mikromobilitet, strøm‑enheder og IT‑enheder. 

For elbiler og plug‑in‑hybrider producerer virksomheden højkapacitets‑, energitætte‑ og hurtigopladnings‑batterier med lederskab inden for masseproduktion af fast‑solid‑batterier. Til energilagringsløsninger tilbyder Samsung SDI batteriprodukter, der spænder fra husholdningsløsninger og forsynings‑, kommercielle og industrielle løsninger integreret med vedvarende energikilder til uafbrudt strømforsyning (UPS) løsninger. 

Inden for mikromobilitet fremstiller Samsung SDI batterier til små, lette sidste‑mile‑transportmidler i form af e‑kickboards, e‑bikes og e‑scootere. I dette segment udnytter virksomheden højniveau‑materialer og komponentteknologier for at lave de bedst tilgængelige batterier. 

For e‑bikes, Samsung SDI fremstiller batterier med høj energitæthed og sikkerhed. Disse batterier er slankere og lettere. 

For elektriske tohjulede køretøjer – som e‑scootere og e‑motorcykler – udvikler Samsung SDI cylindriske batterier. Disse batterier er bygget med højkapacitetsmaterialer, unikke strukturelle designs og ensartet kvalitet, hvilket gør batterierne sikre og egnet til toppræstation, lang batterilevetid og sikkerhed. 

Til strøm‑enheder har Samsung SDI høj‑output‑ og højkapacitets‑batterier. Det leverer også optimale OPE‑batteriløsninger med høj energitæthed, stabil strømoutput og lang batterilevetid. Det fremstiller også batterier med differentieret kapacitet og output. Endelig producerer Samsung SDI også højt funktionelle og lang‑levende batterier til IT‑enheder, herunder smartphones og wearables. 

I slutningen af januar 2025, annoncerede Samsung 2024′ s fjerde kvartals‑ og helårsresultater med 16,59 billioner KRW (11,55 milliarder $) i årlig omsætning og 363,3 milliarder KRW i årligt driftsresultat på trods af markedets afmatning. I fjerde kvartal udgjorde virksomhedens omsætning 3,75 billioner KRW, hvilket satte en rekordhøj omsætning i ESS‑batteri‑forretningen.

2. LG Energy Solutions

I december 2024, LG Energy Solutions indgik forhandlinger med Indiens JSW Energy (JSWENERGY.BO ) om at fremstille batterier til elbiler og vedvarende energilagring i et joint venture, der ville kræve en investering på over 1,5 milliarder $. Ifølge offentligt tilgængelige rapporter underskrev de to virksomheder en indledende aftale om at danne et ligeligt partnerskab, hvor LGES vil bidrage med teknologi og udstyr til batteriproduktion, og JSW vil investere penge, sagde en af kilderne.

Generelt er virksomheden kendt for Energy Storage Solution (ESS) batterier og avancerede bilbatterier. ESS‑divisionen tilbyder høj‑energi‑ og høj‑output‑produkter til elnet og forskellige husholdningsprodukter. Disse batterier er produceret med førsteklasses battericelleteknologi, der er afledt ved at anvende avanceret proces‑know‑how inden for lamination og stabling, en proprietær teknologi fra LG. 

Disse batterier leverer ensartet energiproduktion, lang batterilevetid og stabil struktur. LG ESS‑batterierne har også forbedret rumlig effektivitet gennem kompakt størrelse. Ved at anvende højkapacitets‑, ultra‑slanke polymerbattericeller i udviklingen af net‑ og bolig‑ESS producerer virksomheden slanke produkter, der maksimerer pladsudnyttelsen og kræver minimal installationsareal. 

LG Energy Solutions er også den førende leverandør af celler, moduler, BMS (Battery Management System) og pakkeprodukter til elbilbatterier. Løsningerne omfatter høj‑energitetthets‑batterier, der er lette og oplader hurtigt.

De forskellige dimensioner, som disse batterier kommer i, sikrer maksimal pladsudnyttelse ved at løse problemet med begrænset plads i erhvervskøretøjer. pouch‑type battericeller kan produceres i forskellige længder og bredder og er med til at forbedre batterikapaciteten og muliggøre optimering. 

I den sidste uge af januar 2025 annoncerede LG Energy Solution sine resultater for fjerde kvartal og hele året. For hele året rapporterede virksomheden 25,6 billioner KRW i samlet omsætning og 575,4 milliarder KRW i driftsresultat, hvilket svarer til et fald på 24,1 % og 73,4 % år‑til‑år. Driftsmarginen var 2,2 % inklusiv IRA‑skattefradragseffekten.

Fremtiden for batterier

Fremtiden for batteriteknologi og batteristyring vil forsøge at forbedre flere områder. Den vil søge forbedret specifik energi og energitæthed (mere energi lagret pr. volumen/vægt), længere levetid, mindre brandfare, kortere opladningstid og reduceret niveau‑omkostning for energi (LOCE). 

Forskere har undersøgt teknologitrenden for Li‑ion‑batterier for perioden 2019‑2030. De nævnte fire typer af sandsynlige teknologiske opsætninger: konventionelle Li‑ion, Gr‑Si‑anode eller Hi‑Ni‑katode, fast‑solid‑batterier og lithium‑svovl/luft. Tallene antyder, at de nye batteriteknologier alle vil overhale de konventionelle Li‑ion i løbet af det næste årti. 

Fremkomsten af nye batteriteknologier vil genoverveje valget af katodematerialer og anodematerialer. For eksempel har et batteri med en LFP‑katode en lavere energitæthed end et med NMC. Valg af katodemateriale er vigtigt, da det i høj grad påvirker den specifikke energi på fuld celle‑niveau.

Valget af anodemateriale er også vigtigt. Anodematerialet, typisk grafit, giver plads til lithium‑ioner, når batteriet er opladet. Antallet af lagrede lithium‑ioner er direkte forbundet med, hvor meget elektrisk energi der er lagret.

Forskere ser en gradvis overgang i katodeteknologi, fra en typisk Ni‑procent på 50 % til henholdsvis 80 % og 90 % for NMC‑ og NCA‑batterier. For at levere i overensstemmelse med kapacitetsbehovene fra høje‑Ni‑procent‑katoder, vokser brugen af en mindre mængde siliciumoxid eller rent silicium i grafit‑anoder blandt celleproducenter, ifølge rapporter.

De fem nye batteriteknologier, som forventes at omdefinere fremtiden, omfatter NanoBolt lithium‑tungsten‑batterier, zink‑mangan‑oxid‑batterier, organosilikon‑elektrolyt‑batterier, guld‑nanotråd‑gel‑elektrolyt‑batterier og TankTwo String Cell™‑batterier. 

NanoBolt lithium‑tungsten‑batterierne, for eksempel, oplader hurtigere og lagrer mere energi. Zink‑mangan‑oxid‑batterierne kan fungere effektivt som et alternativ til lithium‑ion‑ og bly‑syre‑batterier, især til storskalig energilagring for at støtte de nationale el‑net.

Universitetet i Wisconsin‑Madison’s kemiprofessorer Robert Hamers og Robert West har udviklet organosilikon (OS)‑baserede flydende opløsningsmidler, som kan designes på molekylært niveau til industrielle, militære og forbruger‑Li‑ion‑batterimarkeder. 

Mens de eksperimenterede med geler, som ikke er så brandfarlige som væsker, forsøgte forskere ved University of California, Irvine, at påføre guld‑nanotråde med mangan‑dioxid og derefter dække dem med elektrolyt‑gel. 

Selvom nanotråde normalt er for skrøbelige til brug i batterier, er disse løsninger blevet robuste, og den resulterende elektrode, opdagede forskerne, gennemgik 200.000 cyklusser uden at miste sin evne til at holde en ladning. Det sammenlignes med 6.000 cyklusser i et konventionelt batteri. 

String Cell™‑batteriet indeholdt en samling af små uafhængige selv‑organiserende celler. Hver string‑celle bestod af en plastindkapsling dækket med et ledende materiale, der gjorde det muligt hurtigt og nemt at danne kontakt med andre. En intern behandlingsenhed styrede forbindelserne i den elektrokemiske celle. 

For at lette hurtig opladning af en elbil blev de små kugler i batteriet suget ud og udskiftet med genopladede celler på service‑stationen. På stationen kunne cellerne genoplades i lav‑efterspørgsels‑timer.

Med alle disse løsninger til rådighed venter flere batterigennembrud på os i fremtiden.