Kiihdyttäen kiinteän tilan akkujen läpimurtoja tekoälyn avulla

The fast-growing world of battery technology is expected to be worth over $100 billion in the coming years, thanks to the rising adoption of electric vehicles (EVs), the installation of various batteries, and the powering of data centers.

Erilaisten akkutyyppien joukossa litiumioniakut ovat suosituimpia, ne kattavat valtavat 44 % markkinaosuudesta. Li-ion batteries are rechargeable batteries that are most regularly used in today’s world, powering our mobile phones, laptops, and other consumer electronics in addition to EVs and energy storage systems.

Vaikka litiumioniakut tarjoavat monia etuja keveyden, korkean johtavuuden ja suuren energiatehokkuuden osalta, niillä on eliniän ongelmia. Turvallisuus on myös suuri haaste, koska ne sisältävät haihtuvan nestemäisen elektrolyytin, joka voi syttyä tuleen vaurioituessaan tai ylikuumentuessaan.

Tämän seurauksena kiinteän tilan akut (SSB) ovat nousseet vaihtoehdoksi nestemäisille akuilla (LSB), jotka hyödyntävät kiinteitä elektrolyyttejä vuotojen tai kaasun muodostumisen välttämiseksi.

Turvallisuuden lisäksi tällaiset akut tarjoavat myös miniaturisoinnin, keveyden, nopeamman latauksen, erinomaisen pakkaustehokkuuden, laajan lämpötila-alueen toiminnan ja pitkän säilyvyysajan edut.

Kiinteän tilan akut eivät ole uusi löytö. Ne esiteltiin ensimmäisen kerran 1800-luvulla, mutta pitkään olemassaolostaan huolimatta ne eivät ole saavuttaneet laajaa käyttöä. Tämä alkaa nyt muuttua sähköistymisen kasvavan trendin ja paremman sekä turvallisemman vaihtoehdon tarpeen vuoksi laajasti käytettyihin litiumioniakkuihin.

Uudistuneen kiinnostuksen keskellä tutkijat optimoivat kiinteän tilan akkuja monipuolisella lähestymistavalla, joka keskittyy materiaaleihin, rakenteeseen ja rajapintasuunnitteluun, sekä hyödyntää dataohjattuja AI-tekniikoita.

Käynnissä oleva työ SSB:iden parantamiseksi

Tutkijat ympäri maailmaa työskentelevät ahkerasti kiinteän tilan akkujen ymmärtämisen ja parantamisen parissa tulevaisuuden voimaannuttamiseksi. Joitakin viimeaikaisia, merkittäviä tutkimuksia tällä alalla ovat seuraavat:

SSB:iden purkaminen

Missourin yliopiston tutkijat syventyivät kiinteän tilan akkujen ongelmien ymmärtämiseen ja niiden voittamiseen, auttaakseen SSB:itä toteutumaan.

He käyttivät 4D-skannaavaa läpäisevää elektronimikroskopiaa (STEM) analysoidakseen akun atomirakennetta purkamatta sitä ja havaitsivat, että interfaasikerros on ongelman lähde.

SSB:issä kiinteä elektrolyytti koskettaessa katodia aiheuttaa reaktion, joka muodostaa 100 nm:n paksun interfaasikerroksen. Vaikka tämä kerros on 1 000‑kertainen ohuempi kuin yksi hius, se estää litiumionien ja elektronien saumattoman siirtymisen, mikä lisää vastusta ja heikentää akun suorituskykyä.

Tämän löydön jälkeen apulaisprofessori Matthias Young aikoo testata, voiko hänen laboratoriotasonsa, ohutkalvot, jotka on luotu prosessilla nimeltä oksidatiivinen molekyylikerrospäällystys (oMLD), muodostaa suojaavia pinnoitteita ja estää kiinteän elektrolyytin ja katodimateriaalien reagoimisen keskenään.

“Pinnoitteiden täytyy olla tarpeeksi ohuita estääkseen reaktiot, mutta ei niin paksuja, että ne estävät litiumioni-virran,” hän sanoi. “Tavoitteemme on säilyttää kiinteän elektrolyytin ja katodimateriaalien korkean suorituskyvyn ominaisuudet. Pyrimme käyttämään näitä materiaaleja yhdessä tinkimättä niiden suorituskyvystä yhteensopivuuden vuoksi.”

LLZO:n potentiaalin tutkiminen kiinteänä elektrolyyttinä SSLMB:ssä

Tuore tutkimus Tohokun yliopiston tutkijoilta arvioi garniittityyppisiä kiinteitä elektrolyyttejä kiinteän tilan litiummetallibatteereille (SSLMB), joita pidetään lupaavana teknologiana niiden parantuneen energiatehokkuuden ja turvallisuuden potentiaalin vuoksi.

Se havaitsi, että näiden akkujen odotetut energiatehokkuusetuudet voivat olla liioiteltuja.

Tämän tutkimuksen mukaan täyden kiinteän tilan litiummetallibatteri (ASSLMB), jonka johtava kiinteä elektrolyyttikandidaatti on LLZO (litium-lanthanum-yttriumoksidi), tarjoaa vain vähäisen energiatehokkuuden lisäyksen nykyisiin litiumioniakkuihin verrattuna, samalla kun se aiheuttaa korkeat tuotantokustannukset ja valmistushaasteet.

Tutkimuksen mukaan ASSLMB saavuttaisi gravimetrisen energiatehokkuuden 272 Wh/kg verrattuna litiumioniakun 250‑270 Wh/kg, tehden kvasi‑kiinteästä elektrolyytistä käyttökelpoisemman vaihtoehdon.

“Täysin kiinteitä litiummetallibatterioita on pidetty energian varastoinnin tulevaisuutena, mutta tutkimuksemme osoittaa, että LLZO-pohjaiset rakenteet eivät välttämättä tarjoa odotettua energiatehokkuuden hyppyä. Jopa ihanteellisissa olosuhteissa hyödyt ovat rajallisia, ja kustannus- sekä valmistushaasteet ovat merkittäviä.”

– Pääasiallinen tutkimuskirjoittaja Eric Jianfeng Cheng, WPI-AIMR, Tohoku University

Vaikka LLZO:ta arvostetaan sen ionijohtavuuden ja vakauden vuoksi, käytännön LLZO-pohjaisen akun kattava mallinnus kyseenalaisti ajatuksen, että se merkittävästi parantaisi energiatehokkuutta. Vaikka käytettäisiin ultraohutta LLZO-keramiikkaseparatoria ja korkea‑kapasiteettista katodia, tutkimus toteaa, että akun suorituskyky on vain hieman parempi kuin parhaiden perinteisten litiumioni‑solujen.

LLZO:n tiheys on tässä keskeinen ongelma, sillä se lisää solun massaa ja vähentää odotettuja energiatehokkuusetuja. Lisäksi materiaalin hauraus, litiumdendriittien ongelmat, vikattomien ohutlevyjen valmistusongelmat ja rajapinnan tyhjät kohdat vaikeuttavat massatuotantoa. Chengin mukaan:

“LLZO on erinomainen materiaali vakauden näkökulmasta, mutta sen mekaaniset rajoitukset ja painon lisäys luovat vakavia esteitä kaupallistamiselle.”

Tässä yhdistämällä materiaalia geeli‑ tai polymeeripohjaisten elektrolyyttien kanssa saatiin parempi pitkäaikainen vakaus.

Lupaavien kiinteiden elektrolyyttien löytäminen

Tokion tiedeakatemian tutkijat löysivät myös uusia materiaaleja turvallisiin, korkean suorituskyvyn SSLIB:iin.

“Kaikkien kiinteän tilan litiumioni‑sekundaaristen akkujen valmistaminen on ollut monien akkututkijoiden pitkään haave, ” sanoi professori Kenjiro Fujimoto, joka totesi, että he ovat löytäneet oksidikiinteän elektrolyytin, joka on ASSLIB:ien keskeinen komponentti.”

Materiaali (Li1.25La0.58Nb2O6F) on erittäin vakaa ja osoittaa kokonaisionijohtavuuden 3,9 mS cm⁻¹ huoneenlämmössä, mikä on korkeampi kuin aiemmin raportoituja oksidikiinteitä elektrolyyttejä, samalla kun sen aktivaatioenergia on äärimmäisen alhainen.

Lisäksi, jos se vaurioituu, se ei syty, mikä tekee uudesta materiaalista sopivan sovelluksiin, joissa turvallisuus on kriittistä. Korkeissa lämpötiloissa käyttökelpoinen ja nopeaa latausta tukevan ominaisuuden ansiosta se soveltuu myös suuritehoisiin sovelluksiin, kuten sähköajoneuvoihin.

“Tämän materiaalin soveltaminen on lupaavaa mullistavien akkujen kehittämisessä, jotka voivat toimia laajalla lämpötila-alueella, matalasta korkeaan.”

– Prof. Fujimoto

Samaan aikaan viime vuoden lopulla Osaka Metropolitan Universityn tutkijat kehittivät Na2.25TaCl4.75O1.25:n uutena kiinteänä elektrolyyttinä.

Tutkijat olivat aiemmin kehittäneet kiinteän elektrolyytin NaTaCl6, joka on natriumkloridin ja tantaalikloriidin yhdistelmä. Tällä kertaa tiimi lisäsi siihen tantaalipentoksidia (Ta2O5), mikä auttoi saavuttamaan korkean johtavuuden huoneenlämmössä.

Se osoittaa myös korkean muovattavuuden sekä paremman elektrokemiallisen vakauden kuin perinteiset klooridit.

“Tämän tutkimuksen tulosten odotetaan tekevän merkittävän panoksen komposiittikiinteiden elektrolyyttien kehittämiseen, lisättynä tähän mennessä kehitettyihin lasi- ja kiteisiin kiinteisiin elektrolyytteihin.”

– Apulaisprofessori Kota Motohashi, insinööritieteiden jatko-opisto

He keskittävät nyt komposiittikiinteiden elektrolyyttien ionikulku‑mekanismin havainnollistamiseen sekä uusien materiaalien kehittämiseen.

Rakenteen muuttaminen, komponenttien poistaminen

Illinoisin yliopiston Urbana‑Champagnen tutkijat havaitsivat, että helikaalinen rakenne lisäsi merkittävästi kiinteän tilan peptide‑polymeerielektrolyyttien johtavuutta verrattuna “satunnaiskierroksiin”, pidemmät helikat johtivat korkeampaan johtavuuteen. Lisäksi helikaalinen rakenne lisää materiaalin yleistä vakautta jännitteen ja lämpötilan suhteen.

“Esittelimme toissijaisen rakenteen – helikan – konseptin suunnitellaksemme ja parantaaksemme kiinteiden materiaalien perusominaisuutta, ionijohtavuutta.”

– Tutkimuksen johtaja professori Chris Evans

Tämä on sama helix, joka löytyy peptideistä biologiassa. Peptideistä valmistettu materiaali voidaan, kun akku saavuttaa käyttöikänsä lopun, hajottaa takaisin yksittäisiksi monomeeriyksiköiksi käyttämällä happoa tai entsyymejä, ja lähtömateriaalit voidaan sitten talteenottaa ja käyttää uudelleen, mikä tekee siitä ympäristöystävällisen.

Toisessa mielenkiintoisessa tutkimuksessa tutkijat loivat ensimmäisen anodi‑vapaan natriumkiinteän tilan akun, jolla on vakaa syklaus useiden satojen syklien ajan. Edullinen, korkean kapasiteetin ja nopean latauksen akku voi auttaa talouden hiilidioksidipäästöjen vähentämisessä.

Anodin poistaminen vaati innovatiivisen arkkitehtuurin, joten tiimi loi virtapiirin keräimen alumiinijauheesta, joka on kiinteä mutta virtaa kuin neste, ja ympäröi elektrolyytin.

“Natriumkiinteät akut nähdään yleensä kaukana tulevaisuudessa olevana teknologiana, mutta toivomme, että tämä artikkeli voi innostaa lisää panostusta natriumin alueelle osoittamalla, että se voi todellakin toimia hyvin, jopa paremmin kuin litiumversio joissakin tapauksissa.”

– Ensimmäinen kirjoittaja Grayson Deysher, UC San Diego -tohtorikandidaatti

Aika käyttää tekoälyä löytääksemme parhaat kiinteät elektrolyyttikandidaatit nopeasti

Tämän laajan käynnissä olevan tutkimuksen keskellä, joka käsittelee kiinteän tilan akkujen eri osa-alueita, erityisesti elektrolyyttejä, niiden parantamiseksi ja käyttöönoton edistämiseksi, tutkijat hyödyntävät nyt tekoälyä.

Elektrolyytti on yksi tärkeimmistä akkukomponenteista. Se siirtää varauksenkantavia hiukkasia, eli ioneja, edestakaisin akun kahden elektrodin välillä, aiheuttaen akun latauksen ja purkauksen.

Siksi keskitytään kiinteän tilan elektrolyytin (SSE) suorituskyvyn parantamiseen, mikä sisältää ionijohtavuuden, vakauden ja syklielinkaaren parantamisen. Nykyisten materiaalien rajoitukset ovat kuitenkin tehneet näiden parannusten saavuttamisen vaikeaksi.

Näiden haasteiden voittaminen edellyttää korkean suorituskyvyn SSE‑materiaaleiden kehittämistä, jotka vapauttavat kiinteän tilan akkujen täyden potentiaalin.

Metallioxidit ja sulfidit ovat joitakin laajimmin tutkittuja materiaaleja lupaavina SSE:inä. Tässä tarkastellaan hydridejä SSE:inä, jotka osoittavat korkean redoks- ja mekaanisen vakauden sekä keskimääräisen divalenttisen ionijohtavuuden huoneenlämmössä, mikä on erityisen hyödyllistä.

Korkean ionijohtavuutensa ja alhaisen aktivaatioenergiansa ansiosta hydidit ovat osoittaneet suurta lupaavuutta SSE‑kehityksessä. Metallihydridit puolestaan tarjoavat erillisiä etuja vedyn kevyen atomimassan vuoksi.

Kuitenkin vedyn kevyt paino ja divalenttisten hydidien monimutkainen käyttäytyminen aiheuttavat haasteita synteesissä ja rakenteellisessa karakterisoinnissa, korostaen nykyisten kokeellisten tekniikoiden rajoituksia.

Haasteena on, että kokeellinen SSE:n löytäminen perustuu tehottomiin, aikaa vieviin kokeilu‑ja‑virhe -menetelmiin. Tämän ratkaisemiseksi tarvitsemme laskennallisesti avustettua tutkimusta ionien siirtymismekanismin ymmärtämiseksi ja uusien kiinteän tilan elektrolyyttien löytämiseksi.

Ongelma on, että teoreettiset lähestymistavat tarjoavat yleensä järjestelmällisempiä ja nopeampia tapoja tutkia materiaalien ominaisuuksia. Lisäksi suurten kielimallien (LLM) kehitys parantaa dataohjattuja menetelmiä ja tehostaa teoreettisia ennusteita.

Silti korkean tarkkuuden saavuttaminen teoreettisissa menetelmissä on haastavaa SSE‑materiaalien monimutkaisuuden vuoksi. Nykyisen tutkimuksen keskittyminen yhteen materiaaliin tai menetelmään rajoittaa myös SSE:iden kokonaisvaltaista ymmärtämistä.

Miten voimme siis paremmin hyödyntää teoreettista tietoa suunnitellaksemme tehokkaampia kokeita? Millainen optimaalinen työnkulku yhdistää saumattomasti teoreettisen mallinnuksen kokeelliseen validointiin? Vastaus on yhdistää laskennallinen ja kokeellinen tieto.

Päästäkseen eroon divalenttien SSE:iden esteistä, jotka osoittavat merkittävää lupaavuutta korkean suorituskyvyn All‑Solid‑State‑Batterioissa (ASSB), tutkijat uudessa tutkimuksessa kehittivät integroidun työnkulun, joka yhdistää tiedonlouhinnan, AI‑ohjatun analyysin, koneoppimisen regressiota, globaalin rakenteen haun, ab initio -metadynamiikka (MetaD) -simulaatiot ja teoria‑kokeilu -vertailun.

Tämä tutkimus pyrkii parantamaan ymmärrystämme divalenttisista SSE:istä ja tarjoamaan vankan kehyksen uusien SSE‑kandidaattien ennustamiseen ja suunnitteluun. Tämä puolestaan nopeuttaa optimoitujen SSE‑vaihtoehtojen löytämistä edistääkseen käyttökelpoisia energian varastointiteknologioita.

Klikkaa tästä oppiaksesi Princetonnin mullistavasta kiinteän tilan akkuteknologiasta.

Kohti seuraavan sukupolven SSB:itä kestävien energiaratkaisujen puolesta

Rakentaakseen menestyksekkäästi tehokkaampia ja kestävämpiä kiinteän tilan akkuja, Tohokun yliopiston tutkijat ovat rakentaneet dataohjatun AI‑kehyksen¹.

Toisin kuin perinteinen lähestymistapa, jossa testataan jokainen materiaali ja määritellään polut yksi kerrallaan, tämä kehys tunnistaa potentiaaliset kiinteän tilan elektrolyyttikandidaatit, jotka voisivat olla “se oikea” luomaan ihanteellisen kestävän energiaratkaisun.

Kehitetty malli ei ainoastaan valitse optimaalisia ehdokkaita, vaan voi myös ennustaa, miten reaktio tapahtuu. Lisäksi se selittää, miksi tietty ehdokas on hyvä valinta tarjoamalla näkemyksiä mahdollisista mekanismeista, auttaen tutkijoita aloittamaan jo ennen laboratorion astumista.

“Malli tekee käytännössä kaiken kokeilu‑ja‑virhe‑työn puolestamme. Se hyödyntää laajaa tietokantaa aiemmista tutkimuksista etsiäkseen kaikki potentiaaliset vaihtoehdot ja löytääkseen parhaan SSE‑kandidaatin.”

Tiimin edistynyt AI‑kehys integroituu Large Language Modeliin (LLM), koneoppimismalliin, joka on esikoulutettu valtavilla tietomäärillä. LLM:t tunnetaan erinomaisesta kyvystään käsitellä, ymmärtää ja tuottaa inhimillistä kieltä.

Sisällyttämällä muita dataohjattuja tekniikoita ennustava malli hyödyntää sekä laskennallisia että kokeellisia tietoja. Näin tutkimus tarjoaa tutkijoille vankan vaihtoehdon, jolla on suurin menestysmahdollisuus.

Kehittämällä korkean suorituskyvyn, kestävien kiinteän tilan akkujen kehittämisen nopeuttamisen lisäksi tutkimus pyrkii ymmärtämään SSE:iden monimutkaista rakenne‑suorituskyky‑suhdetta. Tämä suhde kattaa tekijöitä kuten ionijohtavuus, vakaus ja yhteensopivuus elektrodien kanssa, ja sitä tutkitaan usein laskennallisen mallinnuksen, kokeellisen analyysin ja dataohjattujen lähestymistapojen avulla.

Tiimin rakentama malli ennustaa lisäksi aktivaatioenergioita, määrittelee vakaan kiteisen rakenteen ja parantaa tutkijoiden kokonaisprosessia. Tutkimustulokset osoittavat, että MetaD on erinomainen laskennallinen menetelmä, joka osoittaa merkittävää yhteneväisyyttä kokeellisten tietojen kanssa monimutkaisissa hydidi‑SSE:issä.

Tutkijat ovat myös tunnistaneet uuden ioninsiirtomekanismin. “Kaksivaiheinen” mekanismi on löydetty molemmissa SSE:issä, jotka syntyvät neutraalien molekyylien integroinnista.

Yhdistämällä ominaisuusanalyysin moninkertaiseen lineaariseen regressioon tiimi onnistui kehittämään tarkkoja ennustemalleja hydidi‑SSE‑suorituskyvyn nopeaa arviointia varten. Vielä tärkeämpää on, että kehys mahdollistaa tarkat ennusteet kandidaattirakenteista ilman riippuvuutta kokeellisista syötteistä.

Kaiken kaikkiaan tutkimus tarjoaa erinomaisia oivalluksia sekä edistyneitä menetelmiä seuraavan sukupolven kiinteän tilan akkujen tehokkaaseen suunnitteluun ja optimointiin.

Nämä ovat kuitenkin vain alkuaskeleita kestävien energiaratkaisujen rakentamisessa, ja tiimi aikoo laajentaa kehyksensä soveltamista eri elektrolyyttiperheisiin. Tiimi odottaa, että generatiiviset AI‑työkalut ovat hyödyllisiä ionien siirtymispolkujen ja reaktiomekanismien tutkimisessa, parantaen alustan ennustekykyä.

Sijoittaminen kiinteän tilan akkumarkkinoihin

Kun tarkastellaan sijoituskelpoista yritystä kehittyvällä kiinteän tilan akkumarkkinalla, QuantumScape (QS ) on eturintamassa merkittävänä toimijana, joka keskittyy litiummetalliteknologiaan. Sen oma kiinteän tilan keramiikkaseparatori on suunniteltu parantamaan energiatehokkuutta, latausnopeutta ja turvallisuutta sekä estämään kriittisiä ongelmia, kuten dendriittien muodostumista, jotka ovat rajoittaneet litiummetallianodin käyttöönottoa.

QuantumScape Corporation

Kehittäen SSB‑teknologiaa sähköajoneuvoja varten ja pyrkien tulemaan alkuperäiseksi laitevalmistajaksi (OEM), QuantumScape Corporation on jo solminut kumppanuuksia suuren autonvalmistajan Volkswagen Groupin ja sen tytäryhtiön PowerCo:n kanssa.

Vaikka se kohtaa haasteita kaupallistamisessa, QuantumScape on edelleen merkittävä toimija alalla. Viime vuonna se aloitti eri SSB‑tuotteidensa näytteiden tuotannon ja suunnittelee valmistavansa vielä enemmän tänä vuonna.

Markkina-arvolla 2,2 miljardia dollaria QS‑osakkeet käyvät tällä hetkellä 3,90 dollaria, mikä on yli 25 % laskua vuoden alusta. Sen EPS (TTM) on -0,91 ja P/E (TTM) on -4,30.

Vuoden 2025 Q1‑tuloksena yhtiö raportoi 5,8 miljoonaa dollaria pääomamenoja, GAAP‑toimintakuluja 123,6 miljoonaa dollaria ja GAAP‑nettomenon 114,4 miljoonaa dollaria. Se päätti neljänneksen 860,3 miljoonan dollarin likviditeetillä, ja kassavarat odotetaan riittävän toiseen puoliskoon vuoteen 2028.

Tänä vuonna yhtiö pyrkii viemään Cobra‑separatoriprosessin perustuotantoon, parantamaan QSE‑5‑näytteiden laatua ja tuotantoa sekä toimittamaan QSE‑5‑soluja osoittaakseen poikkeukselliset suorituskykyominaisuudet todellisessa sovelluksessa.

Uusimmat tiedot QuantumScape Corporationista

Yhteenveto

Kun akut näyttelevät keskeistä roolia elektroniikan, sähköajoneuvojen ja energiajärjestelmien virransyötössä, on tarve kehittää seuraavan sukupolven energiamateriaaleja kestävän tulevaisuuden luomiseksi. Vaikka kiinteän tilan akut tarjoavat lupaavan ratkaisun, niiden kehitys kohtaa merkittäviä teknisiä haasteita. SSB‑kehityksen tarvitsee parantaa kiinteän tilan elektrolyytin (SSE) suorituskykyä.

Siksi intensiivinen tutkimus SSE:iden ympärillä on valmis kiihtymään entistä nopeammin uuden dataohjatun AI‑mallin ansiosta. Laajojen tietoaineistojen ja kehittyneiden simulaatiotekniikoiden avulla kehys auttaa tutkijoita tunnistamaan ja optimoimaan SSE:t ennennäkemättömällä nopeudella ja tarkkuudella. Tämä materiaalitieteen ja koneoppimisen yhdistyminen osoittaa valtavan potentiaalin toimittaa korkean suorituskyvyn ja kestävät kiinteän tilan akku -ratkaisut puhtaan energian tulevaisuuden voimaannuttamiseksi.

Klikkaa tästä saadaksesi luettelon parhaista kiinteän tilan akkuosakkeista.

Viitteet:

1. Wang, Q., Yang, F., Wang, Y., Zhang, D., Sato, R., Zhang, L., Cheng, E. J., Yan, Y., Chen, Y., Kisu, K., Orimo, S., & Li, H. (2025). Monimutkaisuuden selvittäminen divalenttisten hydidi‑elektrolyyttien osalta kiinteän tilan akuissa dataohjatun kehyksen ja suuren kielimallin avulla. Angewandte Chemie International Edition, 64(22), e202506573. https://doi.org/10.1002/anie.202506573