Arbejdet fortsætter med faststofbatterier, mens forskerne fokuserer på det væsentlige

Faststofbatterier, som bruges i smartphones, elværktøj og elbiler, adskiller sig fra Li-ion-batterier ved deres brug af elektrolytter. Mens et Li-ion-batteri bruger en flydende elektrolyt, bruger en faststofbatteri en fast elektrolyt. 

I Li-ion-batterier er der en separator, der holder katoden og anoden adskilt. I faststofbatterier fungerer den faste elektrolyt også som separator. 

Selvom dette kun er forskelle, har det videnskabelige og teknologiske samfund udviklet faststofbatterier, fordi de har forbedret stabilitet med en fast struktur og øget sikkerhed. De fortsætter arbejdet med dem, da disse batterier bevarer deres form, selvom elektrolytten bliver beskadiget.

Et faststofbatteri har en højere energitæthed og har næsten ingen risiko for eksplosion eller brand. Da det ikke kræver sikkerhedskomponenter, er der mere plads til at indsætte aktive materialer, hvilket øger batterikapaciteten. Den forbedrede energitæthed sikrer også, at behovet for batterier forbliver lavt, hvilket resulterer i et optimalt EV-batterisystem for modulet og pakken. 

På grund af disse fordele mener markedseksperter primært, at faststofbatterier vil blive en game changer i at få elbiler til at konkurrere med benzinbiler og efterhånden lede i løbet. Men det stopper ikke forskerne fra at undersøge, hvordan faststofbatterier kan gøres mere nyttige. I en sådan forskning, har forskere fremsat idéen om en høj-energitetthedundermåls tynd Li-metal faststofbatteri, aktiveret af en Li2CO3-modstandsdygtig granat-type fast elektrolyt. 

Selvom alt dette kan lyde for teknisk, vil vi i det kommende afsnit dykke dybere ned i at forstå, hvad forskningen har til formål at opnå!

Muliggørelse af en ultratynd lithiummetal faststofbatteriplatform med høj stabilitet og energitæthed

Professor Byoungwoo Kang og Dr Abin Kim fra afdelingen for Materialevidenskab og Ingeniørkunst ved POSTECH udviklede en fast elektrolyt, der muliggør en ultratynd lithiummetal faststofbatteriplatform med høj stabilitet og energitæthed.

Gennembruddet opnåede resultater ved at løse en af de mest almindelige bekymringer ved faststofbatterier. Hvad var problemet, og hvordan kunne det løses? Lad os se nærmere på det nedenfor!

LLZO-problemet

Den granat-type fast elektrolyt brugt i faststofbatterier, også kendt som Li7La3Zr2O12 eller LLZO, har høj ionisk ledningsevne. Samtidig er den meget reaktiv og danner et forureningslag (Li2CO3) på overfladen, når den udsættes for luft. Dette lag medfører flere ulemper eller forhindringer, herunder dannelse af en resistiv barriere i cellekonstruktionen, reduktion af kontakt- og grænsefladeegenskaber for elektrolytter og reaktanter osv. 

Innovationen tog denne forhindring op og vendte den ved at fokusere på de iboende grundlæggende elementer i stedet for at finde en ekstern løsning. Forskerne udviklede en luft-håndterbar LLZO (AH-LLZO) teknologi, der samtidig kan forbedre overflade- og interne egenskaber af LLZO og forhindre dannelsen af forureningslag.

De nåede deres mål ved at udvikle en ny hydrofob forbindelse (Li-Al-O) på både overfladen og inde i materialet. Denne forbindelse forhindrede forureningen i at sprede sig internt ved kun at lade laget reagere med luftfugtighed. 

Laget som en løsning med forbedrede kontakt- og vådbarhedsegenskaber førte også til udviklingen af ultratynde lithium faststofbatterier, cirka en tiendedel af tykkelsen af et menneskehår.

Klik her for listen over de ti bedste batteriaktier at investere i.

Hvorfor betragtes forskningen som et gennembrud?

Resultaterne har ført til et scenarie, hvor det er muligt at fremstille ultratynde lithiummetal lag, hvilket resulterer i et lavt kapacitetsforhold mellem anode og katode, omkring 0,176 i faststofbatterier. 

Eksperimentet muliggør også en betydelig reduktion af den anvendte mængde lithiummetal, hvilket reducerer den samlede batterivægt og -volumen og forbedrer energitætheden markant. 

Hvis den implementeres, vil forskningen og dens resultater muliggøre opbevaring i luft uden behov for speciel håndtering eller faciliteter. Ud over at forenkle hele processen fører innovationen til produktion af granat-type fast elektrolytter med mere praktisk anvendelighed. 

Professor Byoungwoo Kang bemærkede:

“Vi vil fortsætte arbejdet med ultratynde lithiummetal faststofbatterier, der kan opnå høj sikkerhed og høj energitæthed.”

Forskningen viser, at fokus på det væsentlige kan hjælpe os med at omdanne et produkts ulemper til dets styrker. Virksomheder og kommercielle enheder investerer i forskning og ressourcer for at gøre faststofbatterier mere egnet og gavnlige for fremtidige biler. I de følgende afsnit ser vi på sådanne virksomheder og deres innovationer. 

#1. Solid Power

Et firma, der gør enestående arbejde inden for dette område, er Solid Power (SLDP ). Deres all-solid-state batterier tilbyder høj energi, forbedret sikkerhed, længere levetid og betydelige omkostningsfordele. 

Det muliggør brug af højkapacitets elektroder som højindholdssilicon og lithiummetal, samtidig med at sikkerhedsstandarderne forbedres ved at fjerne de reaktive og flygtige flydende og gel komponenter. 

Resultatet er tydeligt i batterier, der kan modstå og fungere effektivt ved ekstremt høje temperaturer. Virksomheden hævder, at deres produkter har en omkostningsfordel på 15-35 % i forhold til Li-ion-pakker. 

Solid Power’s all-solid-state batteriportefølje omfatter tre hovedprodukter: silicon EV-celler, lithiummetalceller og konversionsreaktionsceller. 

Silicon EV Cell

Den har en højindholdssilicon-anode, hvilket giver høje opladningshastigheder og lavere temperaturkapacitet. Solid Power’s proprietære sulfidbaserede faste elektrolytter driver løsningen. Den bruger industri-standard, kommercielt modne NMC-katoder. 

Lithium Metal

Produktet får sit navn fra sine høj-energi lithiummetal-anoder. Det har en lidt bedre kapacitet end Silicon EV-cellen, som har en specifikation på 390 Wh/kg, mens lithiummetalcellen har 440 Wh/kg. 

Conversion Reaction Cell

Blandt alle produkterne i Solid Power’s portefølje har den den maksimale ydeevnekapacitet på 560 Wh/kg. Dens unikke egenskab ligger i den ultralave pris og høje specifikke energikonverteringstype katode. 

Baseret i Colorado, USA, tror Solid Power stærkt på deres batteriers transformative kapacitet. De mener, at deres all-solid-state battericeller vil opfylde OEM’ers volumen- og omkostningskrav.

I deres seneste tilgængelige investeringspræsentation, virksomheden (Nasdaq: SLDP) hævder at være den eneste børsnoterede pure-play rigtige faststofbatteriudvikler, der hidtil har rejst US$700 millioner. Virksomheden trives på sin mere end tiårige R&D investeringshistorik, som har resulteret i næsten 50 globale patentfamilier og tre brancheførende udviklingspartnere (BMW, Ford, SK On).

#2. QuantumScape

QuantumScape (QS ), en anden stor aktør inden for området, erklærer at have som mission at ‘transformere energilagring med faststof lithium-metal batteriteknologi.’ De hævder også at muliggøre ‘større energitæthed, hurtigere opladning og forbedret sikkerhed’ – de tre grundlæggende kvaliteter, som POSTECH-forskningen også fokuserer på. 

En af QuantumScapes mest bemærkelsesværdige funktioner er, at de har udviklet branchens første anodefri celle-design, hvilket resulterer i høj energitæthed med lavere materialomkostninger og forenklet fremstilling.

QuantumScape-teknologiplatformen bruger en række katodkemier til markant at forbedre energitætheden i dagens Nikkel-Mangan-Kobolt (NMC) og Lithium-Jernfosfat (LFP)-baserede battericeller. Deres indsats sikrer optimering for forskellige energilagringsapplikationer og holder feltet klar til at udnytte fremtidige katodkemiske fremskridt.

En anden USP for virksomheden er deres separatormateriale, som er lavet af keramik, der tilbyder høj ledningsevne, stabilitet over for lithiummetal, modstand mod dendritdannelse og lav grænsefladeimpedans. En yderligere fordel ved at bruge keramik er, at den giver forbedret sikkerhed, da den er ikke-brændbar og dermed sikrere end konventionelle polymerseparatorer, som indeholder kulbrinter og er mere tilbøjelige til at brænde.

QuantumScape arbejder med et mål på 800–1.000 Wh/L med deres faststof lithium-metal celler.

Finansielt er QuantumScape (NYSE: QS) støttet af mere end US$2 milliarder i kapitalinvesteringer. De har mere end 300 patenter og patentansøgninger i deres portefølje.

Fremtiden for faststofbatterier

Faststofbatterier er ikke længere en fremtidig teknologi, da fremtiden allerede er ankommet. Mange banebrydende forskningsprojekter fra førende institutter fremmer dens sag hver dag.

I januar 2024 præsenterede forskere fra Harvard School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) for eksempel et faststofbatteri med lithiummetal, der kan levere 6.000 opladnings-/afladningscyklusser – betydeligt mere end nogen anden pouch-battericelle på markedet.

Forskningen ligner den, vi citerede i begyndelsen af vores artikel, da Harvard-forskere også håndterede det velkendte problem med dendritter, der dannes på anodens overflade.

Udover de specialiserede virksomheder, vi har diskuteret, herunder Solid Power og QuantumScape, er der også store aktører involveret i dette felt. For eksempel annoncerede Toyota og Idemitsu Kosan i oktober 2023 et partnerskab om at udvikle faststofbatterier til elbiler.

Visionen, der drev dette samarbejde, var mindst sagt ambitiøs. Den sagde følgende i pressemeddelelsen:

“Gennem dette samarbejde søger de to virksomheder, som fører verden inden for områder inklusive materialudvikling relateret til all-solid-state batterier, at sikre en vellykket kommercialisering af all-solid-state batterier i 2027-28 – som annonceret på Toyota Technical Workshop i juni 2023 – efterfulgt af fuldskala masseproduktion.”

En anden virksomhed, der besluttede at tage et stort skridt i dette område, var Honda. Virksomheden har været aktiv på dette område i et stykke tid nu. I januar 2024 sagde Honda-autoriteteterne, at de sigtede mod en 50 % reduktion i vægt – eller, for at sige det på en anden måde, en 50 % stigning i energitæthed pr. vægt.

Honda-CEO Toshihiro Mibe forklarede, at hvis Honda ønskede at skabe en bil, der koster $30.000, kunne de overveje faststofbatterier, fordi batteriomkostningerne ville falde, rækkevidden ville øges, og kølesystemet kunne forenkles.

Dog står globale bestræbelser på at gøre faststofbatterier mere robuste og sikre stadig over for nogle udfordringer. Målet er at optimere dets grundlæggende egenskaber, herunder sikkerhed, stabilitet, energiydelse og elektrolytisk lagrings effektivitet. Hindringerne omfatter derimod langsigtet ydeevne, økonomisk levedygtighed og præcis levering af specifikke effektstandarder.

Hvis vi dykker dybere, vil vi se, at udfordringerne også omfatter utilstrækkelig cyklingsydelse i nuværende faststofbatterier (SSB’er) på grund af materialnedbrydning i anoder, katoder og elektrolytter. United States Council for Automotive Research har sat et batterilevetidsmål på 10 år med 1000 cyklusser ved 80 % dybde af afladning.

Hvad der forhindrer faststofbatterier i ofte at nå dette mål, er dannelsen af rumladningslag, som fører til langsom grænsefladekinetik og høj impedans, samt væksten af dendritter, som forårsager kortslutninger og sikkerhedsrisici.

Der er dog løsninger på disse udfordringer. Producenter skal fokusere på at producere høj-energitettheden SSB’er og forbedringer. Disse produkter har høj termisk stabilitet, hvilket eliminerer sikkerhedsproblemer selv ved temperaturer over 200 °C, mens flydende elektrolytter kan udgøre en trussel allerede ved lidt over 70 °C. Faststofelektrolytter kan tilbyde lækagefri drift og give større elektrolytisk stabilitet end deres flydende modparter.

Faststofelektrolytter er også mere ønskværdige, da de kan reducere kapacitetsfald og interne kortslutninger. Deres høje ioniske ledningsevne og lave elektroniske ledningsevne sikrer også, at køretøjer oplades hurtigere.

Ifølge QuantumScapes estimater kan et køretøj, der får omkring 350 miles rækkevidde på en enkelt opladning ved brug af en af dagens førende traditionelle lithium-ion-celler med en energitæthed på ~700 Wh/L, opnå mellem 400 og 500 miles rækkevidde ved brug af QuantumScapes faststofceller.

Samlet set er faststofbatterier afgørende for fremtidig mobilitet. De bør være effektive, sikre, omkostningseffektive og holdbare.

Klik her for at lære, hvorfor det er værd at købe en elbil nu, på trods af faststofbatterier på horisonten.