Kestävyys

Kuinka Princetonin kiinteän tilan akkuteknologia voi mullistaa energian varastoinnin

mm
Julkaistu
Päivitetty
Lisää Securities.io suosikkilähteisiisi Google-palvelussa
Ilmoitus: Securities.io voi saada korvauksen, kun käytät arvioimiemme tuotteiden linkkejä. Tämä ei vaikuta toimituksellisiin arvioihimme. Emme ole rekisteröity sijoitusneuvoja; tämä ei ole sijoitusneuvontaa. Lue kumppanuusilmoituksemme.

Ultimaattinen akku

Kun akut ovat tulleet sähköautojen voimansiirtojen perustaksi, niiden suorituskyky ja turvallisuusprofiili ovat parantuneet. Tähän mennessä se on saavutettu erilaisilla litiumakuilla, joko litium‑ioni (litium‑nikkeli‑mangaani NMC & litium‑nikkeli‑koboltti‑alumiini NCA) tai litium‑rauta‑fosfaatti (LFP) akuilla. Se oli mullistava teknologia, joka ansaitsi keksijänsä oikeutetusti vuoden 2019 Nobelin kemianpalkinnon (seuraa linkkiä litiumioni-innovaation historiaa varten).

Tähän asti näiden akkujen odotettiin hallitsevan akkumarkkinaa niiden poikkeuksellisen korkean energiatihentymän ansiosta.

Lähde: S&P Global

Klassisilla litiumioniakuilla on kuitenkin raja siihen, kuinka paljon energiaa ne voivat varastoida. Tästä syystä tutkijat etsivät muita vaihtoehtoja, joista yksi lupaavimmista on kiinteän tilan akut.

Kiinteän tilan akkujen odotetaan olevan turvallisempia, energiatehokkaampia ja kestävämpiä kuin perinteiset litiumioniakut. Niiden valmistaminen luotettavasti suuressa mittakaavassa kustannustehokkaasti on kuitenkin erittäin vaikeaa, mikä on hidastanut niiden käyttöönottoa.

Tämä voi muuttua, ja uudet oivallukset siitä, mikä saa kiinteän tilan akut epäonnistumaan, tulevat Princetonin yliopiston, Purdue-yliopiston, Michiganin yliopiston ja Brookhavenin kansallisen laboratorion tutkijoilta.

He julkaisi viimeisimmät löydöksensä kahdessa tieteellisessä artikkelissa Advanced Energy Materials¹ ja ACS Energy Letters² -lehdissä, otsikoilla “Lithium Kinetics in Ag–C Porous Interlayer in Reservoir-Free Solid-State Batteries” ja “Filament-Induced Failure in Lithium-Reservoir-Free Solid-State Batteries”.

He analysoivat myös akkutieteen nykyisen kehityksen anodi‑vapaita akkuja koskien ja julkaisi sen Nature Materials³ -lehdessä otsikolla “Electro-chemo-mechanics of anode-free solid-state batteries”.

Anodi‑vapaa kiinteän tilan akku

Kiinteän tilan akkujen idea on korvata litiumionin nestemäinen elektrolyytti kiinteän metallikerroksella. Tämä on merkittävä tehokkuuden parannuksen lähde, koska elektrolyytit ovat raskaita ja tilaa vieviä.

Tämä parantaa myös turvallisuusprofiilia, sillä elektrolyyttien liuottimet ovat yleensä syttyviä, mikä aiheuttaa harvinaisia mutta näyttäviä akkunpaloja, jotka ovat antaneet varhaisille sähköautoille huonon maineen.

Toinen askel, jota tutkijat ovat äskettäin tutkineet, on poistaa kokonaan puolet akusta. Akut koostuvat katodista ja anodista, joilla on eri sähkövaraus.

Anodi‑vapaat akut luopuvat kokonaan anodin tarpeesta,

“Sen sijaan ionit virtaavat positiivisesta katodista suoraan akun vastakkaisessa päässä olevaan keräimeen. Ionit sitten kerrostuvat keräimeen itseensä muodostaen ohuen metallikerroksen akun latautuessa.”

Nykyisessä anodi‑vapaan teknologian analyysissään Princetonin tutkijat väittävät, että tärkein haaste teknologian edistämisessä on huono ymmärrys lataus‑purkausjakson mekaanisista vaikutuksista, enemmän kuin kemiallisista reaktioista.

Anodi‑vapaiden akkujen lataus‑purkauskiertoa hallitsevat mekanismit ovat suurelta osin ohjautuneet elektro‑kemo‑mekaanisilla ilmiöillä kiinteä‑kiinteä -rajapinnoilla, ja niissä on merkittäviä mekanistisia eroja verrattuna perinteisiin litiumin ylimääräisiin akkuihin.

Kiinteän tilan haasteet

Perinteisessä akussa yhteys elektrodeihin (anodi ja katodi) on melko helppo, koska elektrolyytti on nestemäisessä muodossa. Kiinteän tilan akussa kiinteän metallin on pysyttävä täydellisesti kosketuksessa keräimeen.

Jos tämä ei ole täysin tasainen, alueet, joilla on hyvä kosketus, muuttuvat kuumakohtiksi, kun taas huonosti kosketetut alueet muodostavat tyhjiöitä.

Ymmärtääkseen, miksi näin tapahtuu, tutkijoiden on hallittava täydellinen ymmärrys monimutkaisesta prosessista, joka tapahtuu akun latauksen ja purkauksen aikana. Tämä ei ole pelkästään kemiallinen ilmiö, vaan myös mekaaninen, jossa materiaali muuttuu hieman muotoaan ajan myötä.

Ensimmäisessä artikkelissa, he havaitsivat, että paine voi näytellä tärkeää roolia siinä, miten kiinteän tilan metalli reagoi.

Matalapaineongelmat

Skannaava elektronimikroskopia paljastaa, että litiumin pinnakontakti kasvaa paineen noustessa. Tämä tarkoittaa, että liian alhainen paine ei riitä parantamaan epätasaista kontaktia, jonka aiheuttavat pinnan epätasaisuudet.

Lopulta epätasainen pinnoitus johti terävien metallifilamenttien muodostumiseen, jotka kuin pienet neulat voivat lävistää kiinteän elektrolyytin ja aiheuttaa akun oikosulun.

Korkeapaineongelmat

Vaikka korkea paine voi luoda tasaisen pinnoituksen ja poistumisen, se ei ole taikaratkaisu.

Tutkijat havaitsivat, että se pakotti elektrolyytin ja keräimen yhteen niin voimakkaasti, että kaikki epätäydellisyydet kummassakin suurentuivat, kunnes mekaaninen stressi aiheutti halkeamien muodostumisen.

X‑säteiden tomografian avulla tutkijat pystyivät kartoittamaan nämä korkean paineen alla muodostuvat halkeamat.

Kun pinnoituspaine nostetaan 2:sta 10 MPa:iin, halkeamien kokonaismäärä kasvaa. Monet halkeamat ulottuvat vastasähköelektrodin puolelle (Kuvat 3b–e ja S10), ja yksi litiumdendriitti, joka saavuttaa vastasähköelektrodin, voi aiheuttaa oikosulun.

Kaiken kaikkiaan optimaalisen paineen löytäminen – riittävän alhainen, mutta tehokas kosketus – on akkualan tavoitteena.

“Pyhä Graali tällä alalla on löytää tapa ylläpitää kiinteä kosketus alhaisilla paineilla, koska vikattoman elektrolyytin valmistaminen on käytännössä mahdotonta. Jos haluamme toteuttaa näiden akkujen potentiaalin, meidän on ratkaistava kosketusongelma.”Prof. Kelsey Hatzell – Apulaisprofessori kone- ja avaruustekniikassa

Parempi pinnoitus

Tasaisemman pinnoituksen saavuttaminen on toisen paperin aihe, jonka Pr Hatzellin tiimi ja heidän yhteistyökumppaninsa muissa yliopistoissa ja laboratorioissa julkaisi.

He havaitsivat, että ohut pinnoitekerros keräimen ja elektrolyytin välillä helpottaa parempaa ionikuljetusta. He testasivat useita suunnitelmia tälle pinnoitteelle.

Lopulta he totesivat, että paras vaihtoehto oli hiili- ja hopean nanopartikkelikerroksista koostuvat välikerrokset. Näiden välikerrostojen hopea muodostaa seoksia ionien kanssa akun latauksen ja purkauksen aikana, mahdollistaen tasaisen pinnoituksen ja poistumisen keräimestä.

Kuitenkin hopeapartikkelien valmistustapa vaikuttaa merkittävästi. Kun käytettiin suurempia 200 nm (nanometriä) nanopartikkeleja, ne muodostivat ohuita, epätasaisia metallirakenteita keräimelle. Tämä vähensi kapasiteettia ja johti akun loppuunmenoon useiden latausjaksojen jälkeen.

“Vain muutama ryhmä on tutkinut näissä välikerroksissa tapahtuvia todellisia prosesseja. Muiden havaintojen ohella osoitimme, että näiden järjestelmien vakaus liittyy metallin morfologiaan, kun se pinnoittuu ja poistuu keräimestä.”Se Hwan Park – Postdoc-tutkija Princetonin yliopistossa

50 nm hopeapartikkelit suoriutuivat paljon paremmin, luoden tiheämpiä ja tasaisempia rakenteita, mikä johti akkujen parempaan vakauteen ja suurempaan tehoon.

“Nämä havainnot voivat ohjata strategiaa näiden välikerrostojen valmistamisessa.

Vähentämällä hopeapartikkelien kokoa voimme varmistaa, että saamme vain hopean edut välikerroksessa, mikä puolestaan voisi mahdollistaa hyvän kosketuksen ja tasaisen pinnoituksen jopa alhaisilla paineilla.

Se Hwan Park – Postdoc-tutkija Princetonin yliopistossa

Parempien kiinteän tilan akkujen rakentaminen

Pitkään kiinteän tilan akkon käsite kamppaili päästessään laboratoriosta teollisuuden tasolle, massatuotannon kanssa.

Tämä on nyt muuttumassa, kun Kiina, Japani ja Etelä‑Korea suunnittelevat lähitulevaisuudessa kiinteän tilan akkujen markkinoille saattamista.

 “Haasteena on siirtyä tutkimuksesta todelliseen maailmaan vain muutamassa vuodessa. Toivottavasti työ, jota teemme nyt MUSIC (Mechano‑Chemical Understanding of Solid Ion Conductors) -projektissa, voi tukea näiden seuraavan sukupolven akkujen kehittämistä ja käyttöönottoa merkittävästi suurella mittakaavalla.”Prof. Kelsey Hatzell – Apulaisprofessori kone- ja avaruustekniikassa

Sijoittaminen edistyneisiin akkuteknologioihin

Akut ovat sähköistymistrendin keskiössä, joka on monen biljoonan dollarin hanke, jonka tavoitteena on poistaa fossiiliset polttoaineet energialähteistämme.

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 myös tarkastella akku‑ETF:iä, 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 kasvavaan akkualaan.

Kiinteän tilan akkuyritys

QuantumScape

QS Hintakaavio

Vuodesta 2010 lähtien Kalifornialainen QuantumScape (QS ) on ollut merkittävä startup kiinteän tilan akkujen alalla, huomionarvoinen varhaisesta siirtymisestään alalle ja riippumattomuudestaan suuremmista akkuvalmistajista, jotka myös kehittävät kiinteän tilan teknologiaa, kuten CATL (300750.SZ), Samsung tai LG Energy Solution (373220.KS).

Lähde: QuantumScape

Yksi QuantumScape‑akkujen ainutlaatuinen ominaisuus, jota tuolloin pidettiin vallankumouksellisena, on anodi‑vapaa rakenne. Se mahdollistaa noin 15 minuutin pikalatauksen (10‑80 % 45 °C:ssa) ja erotin on palamaton ja syttymätön.

Lähde: QuantumScape

Tämä asettaa QuantumScape‑akut omalle sarjalleen energiatihentymän ja latausnopeuden osalta, ylittäen valtavasti johtajat kuten Tesla (TSLA ) (sekä omat että CATL:n valmistamat mallit).

Lähde: QuantumScape

Kuitenkin nämä merkittävät suorituskyvyt ovat olleet säännöllisesti estettyjä tuotannon skaalausongelmien takia. Tämä on myös pakottanut yrityksen kuluttamaan kassavarat, mikä on johtanut aikaisempien sijoittajien laimennukseen ja osakekurssien laskuun.

Tämä näyttää muuttuvan, kun 2024 tehty sopimus PowerCon, Volkswagen‑konsernin akkuosaston, kanssa lisenssisopimuksesta QuantumScape‑akkujen suunnittelun ja massatuotannon osalta.

Ei‑yksinomaisessa lisenssisopimuksessa PowerCo voi valmistaa jopa 40 gigawattituntia vuodessa sähköajoneuvojen akkuja, mahdollisuudella laajentaa 80 GWh:iin vuodessa.

QuantumScapen äkillinen tuotannon laajentuminen näyttää liittyvän Cobraan, yrityksen seuraavan sukupolven kiinteän tilan akkujen erotinlaitteeseen, joka on läpimurto keramiikkavalmistuksessa.

Kaiken kaikkiaan Cobran odotetaan integroitavan tuotantoon vuonna 2025, ja ensimmäinen valmis sähköajoneuvo, jossa on QuantumScape‑akut, tulisi valmistaa vuonna 2026.

Lähde: QuantumScape

Tämä voi olla käännekohta yritykselle, joka 16 vuotta perustamisen jälkeen siirtyy lupaavasta startupista, jolla on mielenkiintoinen immateriaalioikeus, kasvaviin tuloihin yhteistyön kautta yhden maailman suurimman autonvalmistajan kanssa.

Sillä välin sijoittajien tulisi edelleen odottaa osakekurssin volatiliteettia, mutta tuotteen kehitysputken lopussa on valoa.

Uusimmat tiedot QuantumScapesta

Tutkimusviite:

1. Se Hwan Park, et al. (2025) Filament‑Induced Failure in Lithium‑Reservoir‑Free Solid‑State Batteries. ACS Energy Letters. 22. helmikuuta 2025  https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acsenergylett.5c00004 

2. Se Hwan Park, et al. (2024). Lithium Kinetics in Ag–C Porous Interlayer in Reservoir‑Free Solid‑State Batteries. Advanced Energy Material. 19. joulukuuta 2024 https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/aenm.202405129 

3. Stephanie Elizabeth Sandoval, et al. (2025). Electro‑chemo‑mechanics of anode‑free solid‑state batteries. Nature Materials. 2. tammikuuta 2025 https://www.nature.com/articles/s41563-024-02055-z

mm

Jonathan on entinen biokemian tutkija, joka on työskennellyt geneettisen analyysin ja kliinisten kokeiden parissa. Hän on nyt osakeanalyytikko ja rahoituskirjoittaja, jonka keskittyminen on innovaatioihin, markkisykleihin ja geopoliittisiin asioihin julkaisussaan 'The Eurasian Century'.