Natrium & hydrogen faststofbatterier udfordrer lithium

Udover lithium‑ion

Med elektrificeringen af alle former for transport, startende med biler og snart også omfavnende lastbiler, skibe og muligvis endda fly, er batterilagring blevet den nøgleteknologi i dette årti.

Den var oprindeligt domineret af lithium‑ion‑teknologi, takket være erfaringen med at fremstille den til små elektroniske enheder og de iboende elektriske egenskaber ved lithium.

Dog præsenterer lithium‑ion‑teknologi nogle få centrale problemer, der kan begrænse dens udbredelse:

• Den er dyrere og sjældnere end andre metaller, hvilket potentielt begrænser dens anvendelse til ultrahøj‑densitetsbatterier eller high‑end produkter.
• Den har en tendens til at danne metalliske dendritter, som kan forårsage katastrofale fejl og batteribrande.
• Den fungerer dårligt ved frysetemperaturer, hvilket gør den uegnet til kolde klimaer og fast lagring i kolde regioner.

Af alle disse grunde har forskere og batteriproducenter udforsket alternative kemier. En af dem er brug af natrium, en af komponenterne i ultra‑rigelige & billige havsalt.

Natrium‑ion‑batterier er snart ved at nå masseproduktionsstadiet, med firmaet CATL (300750.SZ) i spidsen af dette felt.

“Det er ikke et spørgsmål om natrium versus lithium. Vi har brug for begge. Når vi tænker på morgendagens energilagringsløsninger, bør vi forestille os, at den samme gigafabrik kan producere produkter baseret på både lithium‑ og natrium‑kemier,”

Shirley Meng– Professor i Molekylær Ingeniørkunst ved UChicago PME. 

Alligevel forventes både lithium‑ion‑ og natrium‑ion‑batterier at være et springbræt mod en overlegen batteriteknologi: faststofbatterier.

I starten fokuseret på lithium, udvider faststofteknologien sig nu mod nye retninger. For eksempel diskuterede vi tidligere muligheden for et anode‑frit faststofbatteri baseret på natrium.

En ny undersøgelse afslørede, at en metastabil form af natrium‑fast elektrolyt kan bruges til at skabe faststof‑natriumbatterier, som ikke kun er mere energitætte, men også bevarer ydeevnen selv ved under nul temperaturer.

Dette arbejde blev udført af forskere ved University of California, University of Chicago og National Taiwan University of Science and Technology, og blev offentliggjort i tidsskriftet Joule¹ under titlen “Metastabile natrium‑closo‑hydridoborat for alle‑faststofbatterier med tykke katoder”.

Udfordringer ved faststofelektrolytter

I et “normalt” batteri er katoden og anoden adskilt af en flydende elektrolyt. Denne elektrolyt er meget nyttig, men også meget tung, og den er den primære årsag til brand i defekte batterier.

Derfor gør udskiftning med et lag af fast materiale batteriet ikke kun meget tættere, men også sikrere. Dog har det været et problem at holde denne faste elektrolyt stabil og uden at svulme op ved opladning eller afladning af batteriet (hvilket forårsager revner).

Natrium‑faste elektrolytter har et ekstra problem, da de viser begrænset ionisk ledningsevne ved stuetemperatur.

Et alternativ kunne være at bruge materiale som natrium‑hydridoborat, kendt for at have en meget høj ionisk ledningsevne. Men for det skal dens metastabile form opretholdes i et batteri i stor skala.

“Denne metastabile struktur af natrium‑hydridoborat har en meget høj ionisk ledningsevne, mindst en størrelsesorden højere end den, der er rapporteret i litteraturen, og tre til fire størrelsesordener højere end selve forløberen.”

Shirley Meng– Professor i Molekylær Ingeniørkunst ved UChicago PME. 

Stabilisering af natrium‑faststofelektrolytter

Når man producerer et batteri med natrium‑hydridoborat, har materialet en tendens til at bevæge sig mod en stabil struktur ved afkøling, hvilket adskiller NaBH4 fra Na2B12H12‑molekyler.

En metastabil form eksisterer ved høj temperatur, hvor de to krystaller blandes, hvilket tillader en meget hurtigere bevægelse af natrium i batteriet, hvilket fører til en stærkere elektrisk kapacitet.

Kilde: Joule

Ved hurtig afkøling forbliver materialet i en metastabil form, krystallen bevarer sin struktur i stedet for at falde tilbage til en stabil form. Denne form for hurtig afkøling, også kaldet hærdning, er en nøglemetode brugt i fremstillingen, især i metallurgi til stål og andre metaller.

Kilde: Joule

Kendt teknik til skalerbarhed

Det var allerede kendt, at for at stabilisere en kemisk struktur er hærdning (hurtig afkøling) ofte en nyttig metode. Dette var dog aldrig demonstreret i en faststofelektrolyt indtil nu.

Faktum er, at denne almindeligt accepterede praksis kan hjælpe betydeligt med at gøre teknikken skalerbar og vedtaget af batteriproducenter.

“Da denne teknik er etableret, er vi bedre i stand til at skalere op i fremtiden.

Hvis du foreslår noget nyt, eller hvis der er behov for at ændre eller etablere processer, vil industrien være mere tilbageholdende med at acceptere det.”

Sam Oh – A*STAR Institute of Materials Research and Engineering in Singapore.

Tykt elektrode & kolde temperaturer

De fleste faststofdesign forsøger at konstruere en ultratynd katode for at maksimere kontaktfladen og begrænse mængden af “død” materiale, der ikke lagrer energi.

Hærdning løser dette problem ved at skabe permanente porer, hvor natriumionen kan cirkulere.

“Parring af den metastabile fase med en O3‑type katode, der er belagt med en klorid‑baseret fast elektrolyt, kan skabe tykke, høj‑areal‑belastede katoder, som bringer dette nye design ud over tidligere natriumbatterier.”

Sam Oh – A*STAR Institute of Materials Research and Engineering in Singapore.

Dette skaber et interessant designpotentiale, da fremstilling af en tykkere elektrode i dette specifikke tilfælde bør forbedre batteriet i stedet for at forværre det.

“Jo tykkere katoden er, desto forbedres den teoretiske energitæthed i batteriet – mængden af energi, der holdes inden for et specifikt område,”

Sam Oh – A*STAR Institute of Materials Research and Engineering in Singapore.

Da de testede katoden, fandt forskerne, at ydeevnen holdt ved stuetemperatur og endda under frysepunktet – en bemærkelsesværdig fordel for drift i kolde klimaer sammenlignet med konventionelle flydende elektrolyt‑Li‑ion – selvom en bredere, system‑niveau overlegenhed i forhold til kommercielle Li‑ion endnu ikke er demonstreret.

Hydrogen som ladningsbærer

Når vi diskuterer hydrogen i relation til transport og grøn energi, refererer vi generelt til dihydrogen (H2) og dets forbrænding eller oxidation i dedikerede motorer eller brændselsceller.

Men hydrogen kan også have potentiale som en nøglekomponent i batterier i fremtiden, som erstatning for lithium eller natrium. I så fald anvendes hydrid (H-) i stedet.

Da hydrogen er universets mest udbredte element, kan dette gøre det særligt nyttigt for en verden, der sigter mod at blive fuldstændig elektrificeret og kører på grøn energi og batterier.

Kinesiske forskere ved University of Chinese Academy of Sciences, University of Science and Technology of China (USTC), Jilin University og People’s Republic of China State Key Laboratory of Catalysis har i den prestigefyldte videnskabelige gennemgang Nature² afsløret konceptet for et faststof‑hydrid‑ion‑batteri under titlen “Et genopladeligt faststof‑hydrid‑ion‑batteri ved stuetemperatur”.

Hydridioner

Batterier bruger en negativ ladningsbærer til at transportere elektroner mellem anoden og katoden. I teorien er hydridioner (H−) mere energiske, polariserbare og reaktive end kationer som lithium eller natrium.

Hydrogen er også det mindste atom, hvilket gør det særligt let – et vigtigt punkt for batterier brugt i transport.

Dog er hydridioner, på trods af disse velkendte fordele, ikke blevet brugt i batterier indtil nu, da ingen elektrolyt har kunnet levere kombinationen af hurtig ionbevægelse, termisk stabilitet og elektrode‑kompatibilitet, som sådanne systemer kræver.

Kombination af ledningsevne og stabilitet

Forskerne syntetiserede et nyt kerne‑skal‑komposit‑hydrid, 3CeH₃@BaH₂, hvor en tynd BaH₂-skal indkapsler CeH₃. Denne struktur udnytter den høje hydrid‑ion‑ledningssevne i CeH₃ og stabiliteten i BaH₂.

Ved at bruge dette skal‑komposit som byggesten skabte forskerne en CeH₂|3CeH₃@BaH₂|NaAlH₄ fuldstændig fast‑stof‑hydrid‑ion‑prototype. NaAlH₄, et klassisk hydrogenlagringsmateriale, blev brugt som den aktive komponent i katoden.

Fjerne dendritter for altid?

Udover høj energikapacitet har hydridioner en anden stor fordel: i modsætning til metalliske kationer kan de ikke samle sig og danne dendritter, den grundlæggende årsag til de fleste batterifejl efter for mange opladnings‑/afladnings‑cyklusser, som forårsager kortslutninger og brande.

Så det kunne være vejen til sikker, effektiv og bæredygtig energilagring.

Dog er denne teknologi langt mindre moden end lithium‑batterier eller endda natrium‑batterier, med behov for fremskridt i holdbarheden af dette design.

Indtil videre har forskerne formået at skabe en høj energitæthed på 984 mAh/g ved stuetemperatur. Men batterikapaciteten faldt til 402 mAh/g efter blot 20 cyklusser.

Fremtiden for faststofbatterier

På kort sigt vil batterier, der bruger lithium‑ion‑teknologi, sandsynligvis forblive grundlaget for grøn energi og el‑biler.

Dog kan faststofbatterier eller natrium (og faststof‑natrium) på mellemlang sigt erstatte lithium‑ion‑dominansen, især hvis de formår at tilbyde tilstrækkelig høj energitæthed til en lavere pris.

Faststofbatteriers hurtige opladning kan også være et argument for førere, der er tilbageholdende med at skifte til el‑biler eller kommercielle anvendelser.

Holdbarhed og tolerance over for kolde temperaturer vil også være en faktor i ligningen, med potentielt et bredt udvalg af parallelle batterikemier, der sameksisterer gennem 2030’erne, med nogle specialiserede batterier til el‑biler i kolde klimaer.

Du kan læse mere om disse emner i vores følgende artikler:

• • “Ultra‑holdbare batterier: Hvorfor næste‑generations teknologi vil holde i årtier, ikke kun år”
  • “Honeycomb‑batteri kan potentielt overgå faststofbatterier”
  • “Fremtiden for mobilitet – Batteriteknologi”

Swipe for at rulle →

Faststof Batterivirksomhed

QuantumScape

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

Kilde: QuantumScape

En unik egenskab ved QuantumScape‑batterier, som på tidspunktet for deres afsløring blev betragtet som revolutionerende, er, at de bruger et anode‑frit design.

Det muliggør ~15‑minutters hurtig opladning (10‑80 % ved 45 ºC) og separatoren er ikke‑brandbar og ikke‑brændbar.

Kilde: QuantumScape

Dette placerer også QuantumScape‑batterier i en klasse for sig, når det gælder energitæthed og opladningshastighed, og de overgår markant ledere som Tesla (både deres eget design og dem lavet af CATL).

Kilde: QuantumScape

Dog er disse bemærkelsesværdige præstationer regelmæssigt blevet hæmmet af en kamp for at skalere produktionen. Det har også tvunget virksomheden til at brænde igennem sin likviditetsreserve, hvilket har ført til udvanding af tidligere investorer og et fald i aktiekurserne.

Dette ser ud til at ændre sig siden aftalen fra 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 el‑bilbatterier, med mulighed for at udvide til 80 GWh om året.

Den pludselige opskalering af QuantumScape‑produktionen er forbundet med Cobra, virksomhedens næste‑generations faststof‑batteri‑separator‑udstyr, et gennembrud inden for keramisk fremstilling.

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

Kilde: QuantumScape

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

Relationen med PowerCo bliver tættere i 2025, med faststofbatterier brugt i en Ducati-motorcykel, og da PowerCo vil stille op til $131 millioner i nye betalinger over de næste to år, når det fælles opskalerings‑team opnår visse milepæle.

“Denne udvidede aftale er et klart signal på den voksende strategiske, tekniske og finansielle tilpasning mellem de to virksomheder.

Den afspejler vores fælles tillid til QSE‑5 som en banebrydende platform for batteribranchen.”

Dr. Siva Sivaram – CEO and president of QuantumScape.

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

(Du kan også tjekke andre batterivirksomheder i USA og i udlandet i vores artikel Top 10 batteriaktier at investere i).

Studie refereret

<sup>1. Jin An Sam Oh, et al. Metastabile natrium‑closo‑hydridoborat for alle‑faststofbatterier med tykke katoder. Joule. 102130. 16. september 2025. https://www.cell.com/joule/abstract/S2542-4351(25)00311-3 
2. Jirong Cui, et al. Et genopladeligt faststof‑hydrid‑ion‑batteri ved stuetemperatur. Nature. 17. september 2025. https://doi.org/10.1038/s41586-025-09561-3</sup>