Akkuläpimurto vie kiinteän tilan variantit askeleen lähemmäs todellisuutta

Kiinteän tilan akut saavuttavat sähköautojen hallinnan

While lithium-ion batteries have become the dominant solution for EV battery systems, they suffer from a few limitations.

Vaikka litiumioniakut ovat tulleet hallitsevaksi ratkaisuksi sähköautojen akkujärjestelmissä, niillä on joitakin rajoituksia.

Yksi näistä on edelleen heikko energiateho, ja toinen on turvallisuusongelma, joka liittyy dendriittien kasvamiseen, jotka lävistävät akun, ja elektrolyytti saattaa joskus syttyä tuleen.

Lähde: Nobel Prize

Molempien ongelmien odotetaan lievittyvän kiinteän tilan akkujen avulla, jotka poistavat elektrolyyttien tarpeen ja dendriittien riskin.

Toyota ennustaa näiden kiinteän tilan akkujen käyttöä vuoteen 2027 mennessä, ja kokonaisuudessaan ne vaikuttavat vahvalta ehdokkaalta liikkuvuuden tulevaisuudelle.

Silti joitakin ongelmia on edelleen, erityisesti garniittityyppisen kiinteän elektrolyytin kanssa, joka tunnetaan myös nimellä Li7La3Zr2O12 tai LLZO (katso alla).

Hyvänä uutisena on, että neljä McGillin yliopiston Kanadassa työskentelevää tutkijaa ilmoitti luoneensa uuden LLZO-mallin, joka pystyy tarjoamaan suuremman energiamäärän. He julkaisi tuloksensa Cell Reports Physical Science -lehdessä artikkelissa nimeltä “4,8 V -kaikkikiinteä garniippohjainen litiummetallipatteri vakaan liitoksen kanssa”.

Kiinteä elektrolyytti

LLZO

Yleensä sanotaan, että kiinteän tilan akut eivät tarvitse elektrolyyttejä. Tämä on teknisesti oikein, kun viitataan litiumioniakkujen yleisesti käytettyyn nestemäiseen elektrolyyttiin.

Mutta tietysti jokainen akku tarvitsee jonkinlaisen sillan anodin ja katodin välillä toimiakseen. Kiinteitä elektrolyyttejä (SE) on kolme tyyppiä: keraamiset, polymeriset ja komposiittiseokset (CSE).

Komposiittikiinteät elektrolyytit (CSE) sekoittavat polymeri-SE:n ionisesti johtavien epäorgaanisten täyteaineiden, kuten Li7La3Zr2O12 (LLZO), kanssa helpottaakseen litiumioniensiirtoa.

Vaikka tämä menetelmä on ihanteellinen korkean jännitteen toimintaan tiheissä akuissa, se kärsii huonosta kosketuksesta elektrodin kanssa, mikä vähentää kokonaistehoa.

Porainen LLZO

Tutkijat havaitsivat, että LLZO voidaan valmistaa poraisesta keraamisesta kalvosta tavallisen tiivistelevyn sijaan. Teknisemmällä tasolla:

Tässä suunnittelemme erittäin johtavan ja liitosystävällisen garniippohjaisen komposiittikiinteän elektrolyytin (CSE), joka koostuu kuutiomaisesta Li6.1Al0.3La3Zr2O12 -poraisesta rakenteesta ja polyvinyylideenifluoridista (PVDF) kolmiulotteisella jatkuvalla rakenteella.

Lähde: Cell

Tämä luo paljon pintakontaktia litiumionille, samalla kun se tarjoaa vahvan kiinnittymisen elektrodille.

Lähde: Cell

Stabilimmat & kestävät akut

Kiinteän tilan akut ovat yleisesti ottaen paljon tehokkaampia ja energiapitoisempia kuin litiumioniakut. Mutta niiden massatuotanto on ollut haastavaa, jotta ne kestäisivät monta lataus-purkaus-sykliä menettämättä kapasiteettia.

Tutkijat testasivat akkuja nähdäkseen, oliko luomansa elektrodin liitos yhtä kestävä kuin odotettiin.

200 sykliin jälkeen he tutkivat sitä mikroskoopilla eivätkä löytäneet merkkejä rappeutumisesta, kuten halkeilua, delaminaatiota jne.

Lähde: Cell

Kokonaisuudessaan akkuprototyyppi osoittaa erinomaista vastustuskykyä, erityisesti dendriittien muodostumista vastaan.

Li-Li symmetric cells based on the ceramic-based CSE can cycle stably for 1,000 h at 0.1 and 0.5 mA cm−2, indicating excellent electrochemical stability against Li-metal and even Li+ deposition (dendrite suppression).

Parempi turvallisuusprofiili

Merkittävästi vähentynyt dendriittien muodostuminen sekä syttyvien elektrolyyttien puuttuminen tulisi huomattavasti parantamaan litiumakkujen turvallisuutta.

Koska keramiikkapohjaisen CSE:n paksuus on vain 125 μm, tämä tekee teknologiasta erittäin kilpailukykyisen erittäin energiapitoisten kiinteän tilan akkujen valmistamisessa.

On myös huomattava, että vaikka menetelmä ei ole yksinkertainen, parannetun LLZO:n valmistustekniikka ei vaadi harvinaisia metalleja, harvinaista laitteistoa tai monimutkaisia vaiheita, jotka poikkeaisivat tavallisesta akkuvalmistuksesta.

Lähde: Cell

Kaiken kaikkiaan tämä tulisi olemaan tärkeä askel kiinteän tilan akkujen ominaisuuksien edelleen parantamisessa kaikilla tärkeillä osa-alueilla: vakaus, turvallisuus, energiapitoisuus ja tuotannon helppous.

Voittavatko kiinteän tilan akut?

Ei voida sanoa, että kiinteän tilan akut varmasti nousevat uudeksi standardiksi sähköautojen akuille tulevina vuosina.

Litiumioniakut saattavat myös pystyä kilpailemaan. Tämä johtuu pääosin suunnittelun parannuksista, joissa samankaltaiset nanoporat auttavat vähentämään dendriittien muodostumista.

Erityisesti CATL:n, akkuvalmistuksen maailmanlaajuisen johtajan, kehittämät hunajakennotakut saattavat saavuttaa turvallisuusprofiilin ja energiapitoisuuden, joka on samankaltainen joidenkin kiinteän tilan akkujen kanssa.

Kaiken kaikkiaan näyttää siltä, että syvempi ymmärrys akkumateriaalista, erityisesti mikro- ja nanoskaalassa, sekä nanoporeiden käyttö on tulevaisuuden suunta akkujen suorituskyvyn parantamiseksi ja dendriittien aiheuttaman riskin poistamiseksi lopullisesti.

Sijoittaminen akkuteknologiaan

Litiumakut ovat jo muuttaneet maailmaa useaan otteeseen, mahdollistamalla kehittyneiden elektroniikkalaitteiden kantamisen kaikkialle sekä sähköautojen ajamisen pelkällä sähköllä.

Ne saattavat tehdä sen uudelleen, tai muut akkutyypit, mahdollistamalla 100 % uusiutuvan energian verkon tai lentokoneiden sähköistämisen, kun saavutetaan riittävän korkea energiapitoisuus.

Voit sijoittaa akkuun liittyviin yrityksiin monien välittäjien kautta, ja täältä, securities.io-sivustolta, löydät suosituksemme parhaista välittäjistä Yhdysvalloissa, Kanadassa, Australiassa, Yhdistyneessä kuningaskunnassa sekä monissa muissa maissa.

Jos et halua valita yksittäisiä akkuyrityksiä, voit tutustua myös bioteknologian ETF:iin, kuten Amplify Lithium & Battery Technology ETF (BATT), Global X:n Lithium & Battery Tech ETF (LIT) tai WisdomTree (WT ) Battery Solutions UCITS ETF, jotka tarjoavat monipuolisemman altistuksen kasvavalle akkuindustrialle.

Kiinteän tilan yritykset

Pitkään odotettu yhtenä ensimmäisistä yrityksistä, jotka tuovat kiinteän tilan akut markkinoille, QuantumScape (QS ) on ollut tämän teknologian kehityksen eturintamassa.

QuantumScape-akut käyttävät litiummetallia, anodi-vapaita akkuja.

Anodi-vapaat akut sen sijaan varastoivat ionit elektrokemiallisessa alkali-metallikerrostumassa suoraan virtapiirissä. Tämä mahdollistaa korkeamman kennon jännitteen, alhaisemman kennon kustannuksen ja suuremman energiapitoisuuden.

Lähde: QuantumScape

(käsittelimme myös anodi-vapaiden akkujen käsitettä natriumaakkujen yhteydessä artikkelissa “Anode-Free Sodium Solid-State Batteries Could Reduce Reliance on the ‘Lithium Triangle’”).

QuantumScape on kuitenkin säännöllisesti viivästyttänyt odotettua massatuotannon aloituspäivää, mikä on heikentänyt sijoittajien alun innostusta yritystä kohtaan.

Tämä saattaa muuttua muutaman keskeisen kehityksen myötä vuosina 2023 & 2024:

• Parannus tuotannon johdonmukaisuudessa ja laadussa.
• Parannus pakkaussuunnittelussa, mukaan lukien tiukemmat sisäiset marginaalit, ohuemmat virtakollektorit ja hoikempi runko.
• Toimitettu korkean katodi-kuormituksen yksikkösoluja autoteollisuuden OEM‑kumppaneille.
• Ilmoitettu QSE-5:n lanseeraus, yrityksen ensimmäinen kaupallinen tuote, jonka potentiaalinen lanseerausasiakas on autosektori.

Kaiken kaikkiaan QuantumScape vaikuttaa olevan selvästi kehittynein kiinteän tilan akkujen yritys, erityisesti akun kestävyyden osalta.

Lähde: QuantumScape

Sopimus Volkswagenin kanssa

Entistä tärkeämpää on, että yritys osoittaa todellista edistystä kumppanuuden luomisessa Volkswagenin kanssa, joka on maailman toiseksi suurin autonvalmistaja.

Heinäkuussa 2024, QuantumScape allekirjoitti Volkswagenin kanssa sopimuksen tehdä yhteistyötä QSE-5‑malliin perustuvien akkupakettien valmistuksessa.

Lisenssi antaisi PowerCo:n valmistaa ja myydä automaattisia akkuja enintään 40 GWh vuodessa, laajennettavissa lisä 40 GWh:lla.

Tämä on ei-yksinomainen, rojaltimaksuja sisältävä IP‑lisenssi, joka sallii QuantumScape:n jatkaa myyntiä muille mahdollisille asiakkaille.

Ehkä vielä tärkeämpää sijoittajien huolien lievittämiseksi yrityksestä, se antaa myös alkurojalttimaksun, jonka suuruus on 130 miljoonaa dollaria, hyvitettynä tuleviin rojaltimaksuihin, jonka maksaa PowerCo, Volkswagenin akkusivuliike.

Tämä antaa yritykselle lisä 18 kuukauden kassavaran verrattuna aiempaan ohjaukseen, ulottuen nyt hyvin vuoteen 2028.

Sen pitäisi olla enemmän kuin riittävä aika tuotannon skaalaamiseen ja vankkojen tulojen kirjaamiseen.

Joten niin kauan kuin QuantumScape‑akut toimivat riittävästi, niiden pitäisi löytää oma markkinarako muiden suurten yritysten, kuten CATL:n, BYD:n ja Panasonicin, valmistamien akkujen rinnalla.

Kun otetaan huomioon, että Volkswagen on todennäköisesti testannut laajasti omia QuantumScape‑prototyyppejään ja tutkinut tuotannon skaalausta, viimeaikainen sopimus vaikuttaa vahvalta vahvistukselta yrityksen teknologialle.

Lähde: QuantumScape

Lisäksi Toyota:n rinnakkainen vuoden 2027 määräaika kiinteän tilan akkujen kaupallistamiselle näyttää osoittavan, että monien virheellisten aloitusten jälkeen teknologia on nyt saavuttanut pisteen, jossa se on riittävän kypsä.