Ny grænsefladestrategi forbedrer ionstrømmen i faststofbatterier

Lithium‑ion‑batterier er blevet den globale standard. I dag er den den mest populære og udbredte batteritype, med et anslået marked på omkring $65 milliarder i 2023.

Men naturligvis har de også ulemper, herunder temperaturfølsomhed, sikkerhedsproblemer og begrænset levetid.

For at gøre Li‑ion‑batterier sikrere og mere kraftfulde erstattes flydende elektrolytter med faste for at skabe faststofbatterier, hvis marked er forventet at vokse med en CAGR på 41,6 % mellem 2024 og 2032. 

Et skift til faststofbatterier (SSB’er)

I et batteri er elektrolytten det materiale, der gør det muligt for ioner at bevæge sig gennem enheden for at generere strøm.

Således er et batteri med en fast elektrolyt et faststofbatteri, som giver højere energitæthed, hurtigere opladning, temperaturmodstand, længere levetid og øget sikkerhed.

På trods af deres potentiale står SSB’er over for flere udfordringer, herunder kompleks fremstilling og potentielle sikkerhedsproblemer relateret til dendritdannelse. Derudover kan de opleve interfacial delaminering, hvilket begrænser deres ydeevne og levetid. Sammen hæmmer disse begrænsninger den brede adoption af SSB’er. 

For at overvinde disse udfordringer arbejder forskere og virksomheder verden over aktivt på at videreudvikle teknologien.

For eksempel sigter Samsung SDI efter en energitæthed på 900 Wh/L gennem sin proprietære faste elektrolyt og anode‑fri teknologier, 40 % højere end deres nuværende batterier. 

De kinesiske giganter CATL og BYD gør også betydelige fremskridt inden for SSB‑teknologi, hvor førstnævnte arbejder på et hybrid “komprimeret tilstandsbatteri” og sidstnævnte forsker i oxid‑ og sulfidbaserede faste elektrolytter, begge sigter efter en energitæthed på 500 Wh/kg.

I EU har Volkswagen indgået partnerskab med QuantumScape (QS ). Deres batterienhed, PowerCo, har også sikret en licensaftale om masseproduktion af faststofceller med en indledende kapacitet på 40 GWh årligt, 30 % længere rækkevidde og ultrahurtig opladning.

Nissan planlægger at påbegynde masseproduktion af sine første faststofceller inden årtiets udgang, mens LG sigter mod 2030 for kommercialisering. Solid Power (SLDP ) har derimod indgået partnerskab med Ford (F ), BMW og SK Innovation for at accelerere kommercialiseringen af al‑faststofbatteriteknologi med fokus på sulfidbaserede faste elektrolytter til elbiler.

Tidligere denne måned afslørede det tyske multinationale bilfirma Mercedes‑Benz Group AG (tidligere Daimler) den første bil, der drives af et lithium‑metal SSB på vejen. Prototypen SSB blev integreret i en EQS sent sidste år.

SSB’en i et EQS‑baseret køretøj kan øge kørselsrækkevidden med 25 %, bemærkede virksomheden.

Så selvom processen er i gang, er kommercialiseringen af SSB’er stadig flere år væk. I mellemtiden har et forskerteam fra University of Texas at Dallas opdaget en måde at forbedre ydeevnen af faststofbatterier på.

Forbedring af ionisk ledningsevne i SSB’er

Udgivet i ACS Energy Letters beskriver den seneste undersøgelse opdagelsen af en forbedret ionisk ledningsevne¹ ved at blande en fast elektrolyt med en anden fast. 

Denne øgede ioniske ledningsevne skyldes dannelsen af et rumladningslag ved grænsefladen, hvilket giver en ny strategi for udvikling af hurtige ioniske ledere til SSB’er. ‘Rumladningslaget’, som et resultat af blandingen af små partikler mellem to faste elektrolytter, er en ophobning af elektrisk ladning ved grænsefladen mellem de to materialer.

Det, der sker, er at når de separate faste elektrolytmaterialer kommer i fysisk kontakt, dannes et lag ved deres grænse. Ved grænsen ophobes ladede partikler på grund af forskelle i hvert materiales kemiske potentiale.

Laget hjælper derefter med at skabe veje, der gør det lettere for disse ladede partikler eller ioner at bevæge sig over grænsefladen. Ifølge studiets med‑korresponderende forfatter, Dr. Laisuo Su, som er assisterende professor i materialvidenskab og -ingeniørkunst på Erik Jonsson School of Engineering and Computer Science:

“Forestil dig at blande to ingredienser i en opskrift og uventet få et resultat, der er bedre end hver enkelt ingrediens alene.” 

Han tilføjede:

“Denne effekt øgede ionernes bevægelse ud over, hvad hver enkelt materiale kunne opnå alene,” tilføjede han.

Dr. Su’s forskning fokuserer på at udvikle revolutionerende materialer til vedvarende energienheder i genopladelige batterier. Ud over en særlig interesse for elektrolytter, både faste og flydende, samt elektrolyt‑elektrode‑grænsefladen, hvor afgørende reaktioner finder sted, arbejder han på at udvikle avancerede værktøjer til at overvåge kemiske og elektrokemiske reaktioner i vedvarende energienheder.

“Denne opdagelse antyder en ny måde at designe bedre faste elektrolytter på ved omhyggeligt at vælge materialer, der interagerer på en måde, der forbedrer ionisk bevægelse, hvilket potentielt kan føre til bedre præsterende faststofbatterier.”

– Dr. Su

Som en del af UTD’s Batteries and Energy to Advance Commercialization and National Security (BEACONS) initiativ, som modtog en finansiering på $30 millioner fra Department of Defense ved lanceringen i 2023, har projektet til formål at udvikle og kommercialisere ny batteriteknologi og fremstillingsprocesser, forbedre den indenlandske tilgængelighed af kritiske råmaterialer og uddanne højkvalificerede arbejdere til industrien.

Ifølge studiets med‑korresponderende forfatter, Dr. Kyeongjae Cho, som også er professor i materialvidenskab og -ingeniørkunst og direktør for BEACONS:

“Faststofbatteriteknologi er en del af vores forskning i næste generations batterikemi ved BEACONS‑centret, og den forventes at muliggøre avancerede batterisystemer, der forbedrer droners ydeevne til forsvarsformål.”

Lithium‑ion‑batterier, der i øjeblikket anvendes i forbrugerprodukter, indeholder primært flydende elektrolytter, som er brandfarlige og derfor udgør sikkerhedsproblemer.

Med konventionelle Li‑ion‑batterier, der når deres teoretiske grænse for, hvor meget energi de kan lagre, viser SSB’er, ifølge Su, lovende potentiale for at generere og lagre mere end dobbelt så meget energi som batterier med flydende elektrolytter. Og fordi de ikke er brandfarlige, er de også sikrere.

At flytte ioner gennem faste materialer er dog svært, hvilket skaber udfordringer i udviklingen af faststofbatterier.

Derfor studerede forskerne ydeevnen af to lovende faststofelektrolyt (SSE) forbindelser. Disse omfatter lithium‑zirconiumklorid (Li2ZrCl6) og lithium‑yttriumklorid (Li3YCl6).

Forskerne foreslog derefter en teori om, hvorfor blandingen af disse øgede ionisk aktivitet. “Grænsefladen dannede unikke kanaler for iontransport,” sagde Su.

Fremadrettet vil forskerne fortsætte med at undersøge, hvordan sammensætningen samt strukturen af grænsefladen resulterer i større ionisk ledningsevne.

Bekæmpelse af dendritproblemet i SSB’er

Behovet for batterier med højere energitæthed har ført til, at et andet forskerteam arbejder på det kritiske dendritproblem. Oprindeligt blev det antaget, at dendritter ikke kunne trænge ind i den faste elektrolyt. Men ligesom andre batteriarkitekturer er de også et problem for al‑faststofbatterier.

Et team af ingeniører og materialvidenskabsfolk fra flere institutioner i Kina har opdaget², at metaltræthed ved anoden er en af de store årsager til, at SSB’er fejler over tid. Det bidrager også til nedbrydning af grænsefladen og vækst af dendritter.

Gruppen brugte scanningelektronmikroskopi og fase‑felt‑simulationer til at studere dendritvækst i lithium‑SSB’er.

De fandt, at under opladning og genopladning forårsagede den konstante udvidelse og sammentrækning af lithium metaltræthed i anoden, hvilket fremmede dendritvækst. Mere specifikt blev den konstante udvidelse og sammentrækning fundet at føre til dannelse af mikrohuller og revner i anoden, hvilket førte til dendritvækst og nedbrydning, selv ved lave densiteter.

Et dendrit er en træ‑lignende struktur, der dannes på grund af kemiske reaktioner på anodens overflade.

Anoder i et batteri gennemgår lithium‑belægning og -afstribning under lade‑ og afladningscyklusser. I denne reversible proces deponeres lithium‑ioner på anodens (belægnings) overflade og fjernes (afstribning) fra den under de normale cykluser (ladning og afladning) af batteriet.

En ujævn aflejring af li‑ioner på anodens overflade har dog en tendens til at danne steder, der tiltrækker flere li‑ioner, hvilket fører til en kæde af lithium‑ioner, der vokser længere. Den træ‑lignende struktur trænger derefter gennem batteriet, nedbryder batteriets struktur og forårsager kortslutning.

I SSB’er er der et stort kontaktområde mellem lithiummetal og den faste elektrolyt. Hvis der opstår huller i den faste elektrolyt, fylder lithiummetalet dem hurtigt, hvilket forårsager alvorlig dendritdannelse og dyb revnedannelse gennem elektrolytten.

Så har Haegyeom Kim, en materialvidenskabsmedarbejder ved Lawrence Berkeley National Laboratory i Californien, offentliggjort³ en løsning på dette problem.

Deres undersøgelse beskriver brugen af et dobbelt bufferlag af tin‑kulstof på samleren for at forhindre dannelse af dendritter i lithium‑, anode‑fri al‑faststofbatterier (ASSB’er). I denne SSB‑arkitektur bygges en anode ikke på forhånd, men dannes under den første opladningscyklus på samleren af li‑ioner fra katoden for at reducere kompleksitet, vægt og omkostninger.

Et tidligere papir fra forskere hos Samsung viste muligheden for at bruge sølv‑ og kulstoflag som bufferlag i lithium‑batterier, som har en meget stabil og ensartet lithium‑belægnings‑ og afstribningscyklus.

Ved at undersøge, hvorfor dette var effektivt, fandt Kims team, at sølv er meget litofilt, og li‑ionerne justerer sig ensartet på toppen af laget, selv ved høje koncentrationer af lithium, hvilket gør lithium‑belægningen meget homogen, så længe sølvaflejringen er ensartet.

Forståelsen af kulstoffets rolle her dannede dog grundlaget for det nye arbejde, hvor teamet valgte tin, som fungerer bedre end det dyre sølv.

For at finde ud af kulstoffets rolle designede teamet flere tests og brugte fire forskellige batteri‑halvceller. En med et tin‑bufferlag, en uden bufferlag, en med tin ovenpå kulstof‑bufferlaget, og en med kulstof ovenpå tin‑bufferlaget.

Lagene blev pålagt på en rustfri stål‑samler, og bufferlaget med kulstof ovenpå tin viste den bedste ydeevne.

“Vi indså, at tin fungerer som et litofilt lag ligesom sølv, så tin‑placeringen er vigtig, da det er her belægningen sker.”

– Kim

Kulstoflaget blev fundet at være litofobt, hvilket betyder, at li‑ioner har svært ved at bevæge sig gennem dette lag og i stedet foretrækker den modsatte vej. Placering på tin forhindrede migration af lithium fra det nyudviklede belægningslag på tin og stoppede dendritpenetration i elektrolytten.

“Det handler ikke kun om de intrinsiske egenskaber ved et enkelt materiale. Hvordan vi kombinerer dem er så vigtigt, da det kan ændre egenskaberne ved barrierelaget betydeligt.”

Teamet arbejder nu på nye bufferlag med bedre ydeevne, tester over længere cyklusser og går videre til mere praktiske systemer.

Fjernelse af hulrum for at øge levetiden

Endnu et gennembrud i at bringe SSB’er et skridt tættere på virkelige anvendelser blev gjort ved at forstå, hvorfor tilsætning af små mængder af metaller som magnesium til anoden forbedrer batteriydeevnen.

Selvom dette ofte gøres, var det indtil nu ukendt, hvorfor det er sådan.

Til dette kiggede forskere fra University of Houston ind i alt, hvad der sker i SSB’er ved hjælp af operando scanningelektronmikroskopi for at forstå, hvorfor de nedbrydes, og hvad der kan gøres for at bremse processen.

“Denne forskning løser et langvarigt mysterium om, hvorfor faststofbatterier nogle gange fejler,” sagde korresponderende forfatter Yan Yao, Hugh Roy og Lillie Cranz Cullen Distinguished Professor i elektroteknik og datalogi samt hovedforsker ved Texas Center for Superconductivity.

Deres opdagelse, ifølge Yao, gør det muligt for SSB’er at fungere under lavere tryk. Dette kan potentielt reducere behovet for klodsede ydre huse og forbedre den samlede sikkerhed.

Det er blevet lært, at over tid dannes små hulrum inden i batteriet, som skaber et stort hul, hvilket får batteriet til at fejle. Gennem flere forsøg blev det afsløret, at blot tilsætning af en lille mængde elementer som magnesium (Mg) kan lukke disse rum og hjælpe batteriet med at fortsætte med at fungere.

“Med blot en lille justering af batteriets kemi kan vi dramatisk forbedre dets ydeevne, især under praktiske forhold som lavt tryk.”

– Første forfatter Lihong Zhao, assisterende professor i elektroteknik og datalogi ved UH

SSB’er har brug for højt eksternt staktryk for at forblive intakte under drift, men som Zhao bemærkede, “ved omhyggeligt at justere batteriets kemi kan vi betydeligt sænke det nødvendige tryk for at holde det stabilt.”

Forskere fra University of Missouri brugte imidlertid fire‑dimensionel scanning transmission electron microscopy (4D STEM) til at vurdere batteriets atomstruktur.

De fandt, at når den faste elektrolyt berører katoden, reagerer den og danner et interfaselag på 100 nm, som blokerer li‑ioner og elektroner fra at bevæge sig let, hvilket begrænser batteriets ydeevne.

Forskningsholdet planlægger nu at teste, om tynde film‑materialer dannet ved en damp‑fase‑deponeringsproces (oMLD) kan give en beskyttende belægning “tynd nok til at forhindre reaktioner” mellem den faste elektrolyt og katodematerialerne, “men ikke så tyk, at den blokerer lithium‑ion‑flowet.”

Brug af AI til at hjælpe SSB‑forskning & -udvikling

Med kunstig intelligens, der transformerer industrier, giver det mening, at forskere også benytter dens hjælp til at løse problemet med SSB‑forskning og -udvikling, som er ressource‑intensive og tidskrævende.

Det komplekse kemiske miljø i SSB gør faktisk præstationsforudsigelse vanskelig og forsinker stor‑skala industrialisering. 

I en undersøgelse⁵ fra sidste uge påpegede ingeniører fra Soochow University og Nanjing University, Kina, AI’s potentiale til at muliggøre effektiv materialescreening og præstationsforudsigelse. Den seneste fremgang i brug af maskinlærings‑algoritmer (ML) kan, ifølge undersøgelsen, udnytte omfattende materialedatabaser og accelerere opdagelsen af høj‑præstationsmaterialer, der er egnet til SSB’er.

Den hurtige udvikling af AI‑teknologi giver ifølge undersøgelsen nye idéer til at tackle de store udfordringer med SSB’er, nemlig anode‑grænsefladen, katode‑grænsefladen, syntese og opdagelse af elektrolytter samt batteriproduktion.

Forskere fra Skoltech og AIRI Institute udnyttede også neurale netværk og fandt dem i stand til at identificere lovende materialer til den faste elektrolyt samt dens beskyttende belægninger.

“Vi demonstrerede, at graf‑neuronale netværk kan identificere nye faststofbatterimaterialer med høj ionisk mobilitet og gøre det mange størrelsesordener hurtigere end traditionelle kvantekemi‑metoder,” sagde hovedforfatter, Artem Dembitskiy.

Ved at bruge den maskinlærings‑accelererede tilgang identificerede forskerne forbindelserne Li3AlF6 og Li2ZnCl4 som lovende belægningsmaterialer til den superioniske lithium‑leder Li10GeP2S12.

Investering i SSB‑teknologi

Når det gælder investering i et firma, der aktivt fremmer faststofbatteriteknologi, tilbyder Toyota solidt potentiale. 

Den japanske bilproducent har indgået partnerskab med Panasonic for at danne et joint venture kaldet Prime Planet Energy & Solutions, med fokus på sulfid‑baserede faste elektrolytter. Virksomheden planlægger at starte produktion næste år, med masseproduktion først forventet i 2030, med mål om en rækkevidde på 1.000 km, 10‑minutters hurtigopladning og et årligt kapacitetsmål på 9 GWh.

Den har også indgået partnerskab med Idemitsu Kosan for at masseproducere sulfid‑baserede elektrolytter i perioden 2027–2028.

Toyota Motor Corp (TM )

Toyotas engagement med faststofbatterier begyndte for næsten to årtier siden med oprettelsen af en Battery Research Division, hvis formål er at udvikle næste generations batterier til hybrid‑ og el‑køretøjer.

Når det gælder Toyotas markedspræstation, har den været ret stærk, med aktier, der i øjeblikket handles til $183,60. Selvom den er faldet 4,87 % YTD, er den steget over 17 % siden april‑bunden. Allerede sidste år, i marts, oversteg selskabets aktiekurs $255 og nåede et nyt topniveau.

Med en markedsværdi på $292,4 milliarder er Toyotas EPS (TTM) 24,01, og P/E (TTM) er 7,71. Den tilbyder også et attraktivt udbytte på 3,27 %.

Selskabets finansielle resultater for Q1 2025 viste, at nettoomsætningen steg med 6,5 % til $314 milliarder, mens driftsresultatet faldt med over 15 % til $31,3 milliarder. I denne periode solgte virksomheden i alt omkring 9.362.000 enheder. På trods af at salget faldt med 81.000 enheder i kvartalet, var Toyota stadig det bedst‑sælgende mærke. 

Dette kommer efter, at Toyota solgte 10,8 millioner køretøjer i 2024 og blev verdens bedst‑sælgende bilproducent for femte år i træk.

Seneste nyheder og udviklinger om Toyota Motor Corp. (TM) aktien

Klik her for en liste over de fem bedste aktier inden for faststofbatterier.

Konklusion: Fremtiden for faststofbatterier

Faststofbatterier lover mange fordele i forhold til de udbredte lithium‑batterier. Selvom de tilbyder bedre sikkerhed, energitæthed og levetid, hæmmer udfordringer som interfacial delaminering og dendritdannelse stadig deres masseadoption. 

Her repræsenterer den seneste opdagelse, at blanding af visse faste elektrolytter skaber et “rumladningslag”, som forbedrer ionmobilitet, en lovende ny retning. Gennem sådanne gennembrud, sammen med konstant eksperimentering fra virksomheder, kan SSB endelig gøres levedygtig til brug i mobilapparater og elbiler.

Klik her for at læse om et gennembrud, der bragte faststofbatterier et skridt tættere på virkeligheden.

Studier refereret:

<sup>1. Wang, B., Limon, M. S. R., Zhou, Y., Cho, K., Ahmad, Z., & Su, L. (2025). 1 + 1 > 2‑effekten fremkaldt af rumladning i faste elektrolytter. ACS Energy Letters, 10(3), 1255–1257. https://doi.org/10.1021/acsenergylett.4c03398
2. Wang, T., Chen, B., Liu, Y., Song, Z., Wang, Z., Chen, Y., Yu, Q., Wen, J., Dai, Y., Kang, Q., Pei, F., Xu, R., Luo, W., & Huang, Y. (2025). Træthed i Li‑metal‑anoden i faststofbatterier. Science, 388(6744), 311–316. https://doi.org/10.1126/science.adq6807
3. Avvaru, V. S., Ogunfunmi, T., Jeong, S., Diallo, M. S., Watt, J., Scott, M. C., & Kim, H. (2025). Tin‑kulstof dobbelt bufferlag for at undertrykke lithium‑dendritvækst i al‑faststofbatterier. ACS Nano, 19(18), 17347–17356. https://doi.org/10.1021/acsnano.4c16271
4. Zhao, L., Feng, M., Wu, C et al. Billeddannelse af udviklingen af lithium‑fast elektrolyt‑grænseflade ved brug af operando scanningelektronmikroskopi. Nat Commun 16, 4283 (2025). https://doi.org/10.1038/s41467-025-59567-8
5. Wang, S., Liu, J., Song, X et al. Kunstig intelligens styrker faststofbatterier til materialescreening og præstationsvurdering. Nano-Micro Lett. 17, 287 (2025). https://doi.org/10.1007/s40820-025-01797-y</sup>