Mizzoun 4D-STEM-läpimurto: Kiintoaineakkujen tehokkuuden parantaminen

Kiintoaineakut ovat tällä hetkellä tarkkailun kohteena. Ne saavat tasaisesti jalansijaa kulutuselektroniikassa ja sähköajoneuvoissa, muodostaen suurimman osan maailmanlaajuisesta kiintoaineakkujen markkinasta vuonna 2022.

Tutkijat arvioivat, että kiintoaineakkujen sovellukset sähköajoneuvosektorilla kasvavat eksponentiaalisesti seuraavan vuosikymmenen aikana, saavuttaen markkinakoon US$4,3 miljardia vuoteen 2032 mennessä. On syitä, miksi kiintoaineakut ovat valmiina eksponentiaaliseen kasvuun. Periaatteessa ne viittaavat akkuteknologiaan, jossa käytetään kiinteää elektrolyyttiä nestemäisten elektrolyyttien sijaan, kuten litiumioni‑tekniikassa. 

Kiintoaineakut koostuvat katodista, erotinkerroksesta ja anodista. Katodi voidaan valmistaa samoista yhdisteistä kuin litiumioni‑akussa. Sen sijaan erotinkerros on yleensä valmistettu keraamisesta tai kiinteästä polymerista, joka toimii myös elektrolyyttinä. Anodi on valmistettu litiummetallista. 

Kun akku ladataan, litiumpartikkelit liikkuvat katodista läpi erotinkerroksen atomirakenteen ja anodin sähköisen kontaktin, muodostaen kiinteän kerroksen puhdasta litiumia. Prosessi varmistaa, että anodi koostuu yksinomaan litiumpartikkeleista ja sen tilavuus on pienempi kuin litiumioni‑tekniikan grafiittirakenteinen anodi. 

Vaikka nämä akut ovat edelleen kehitysvaiheessa, ne lupaavat useita parannuksia nykyisiin akkuun, mukaan lukien suurempi energiateho, pidempi käyttöikä, parannettu turvallisuus ja pienempi koko. Kiintoaineakkujen lupaava näkymä on tehnyt niistä houkuttelevan alueen tutkijoille tutkia tarkemmin ja nähdä, mitä niiden kanssa voitaisiin tehdä.

Viimeaikainen tiedote Minnesota-yliopiston tutkimuksesta väittää, että tutkijat ovat muranneet kiintoaineakkujen koodin. Seuraavissa osioissa tarkastelemme syitä, jotka tukevat tätä suurta väitettä. 

Mitä Minnesota-yliopiston tutkijat ovat saavuttaneet

Tutkimus, jonka otsikko on Understanding Cathode–Electrolyte Interphase Formation in Solid State Li-Ion Batteries via 4D-STEM¹, esittelee yksinkertaisen työnkulun katodi‑elektrolyyttirajapinnan (CEI) muodostumisen tutkimiseksi 4D‑skannaavan läpäisyelektronimikuvantamisen (4D-STEM) avulla, eikä se vaadi SS‑LIB‑kokoa.

Kiinteän elektrolyytin ja katodin aktiivimateriaalin kosketuspisteissä kiintoaine‑litiumioni‑akuissa muodostuu interfaasikerroksia, mikä lisää kennon impedanssia. Tutkijat poistavat SS‑LIB‑kokoamisen tarpeen ja osoittavat MoCl5:EtOH:n edut kemiallisena delitiatisoijana, yhdessä kemiallisesti delitiatisoidun katodi LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2 (NMC) -jauheen kanssa, joka on kosketuksissa Li10GeP2S12 (LGPS) SE -jauheen kanssa, toimien SS‑LIB‑CEI:n korvikkeena.

Tutkijat kartoittivat CEI-kerrosten koostumuksen ja rakenteen käyttäen 4D-STEM:ia, energiasyrjäytys‑X‑spektroskopiaa (EDS) ja elektroniparijakauma‑funktion analyysiä (ePDF). Heidän löydöksensä viittaavat siihen, että pinnoitteet, jotka estävät anionien kuljetuksen mutta sallivat litium‑ionien ja elektronien kulun, voivat estää interfaasin muodostumisen ja vähentää impedanssia SS‑LIB‑akussa. 

“Pinnoitteiden on oltava riittävän ohuita estääkseen reaktiot, mutta eivät niin paksuja, että ne estäisivät litium‑ionien kulun. Pyrimme säilyttämään kiinteän elektrolyytin ja katodimateriaalien korkean suorituskyvyn ominaisuudet. Tavoitteenamme on käyttää näitä materiaaleja yhdessä tinkimättä niiden suorituskyvystä yhteensopivuuden vuoksi.”

Kaikki tämä saattaa kuulostaa liian tekniseltä, mutta on olemassa helpompi näkökulma tutkimuksen saavutuksen ymmärtämiseksi.

Klikkaa tästä saadaksesi lisätietoja akkuläpimurrosta, joka tuo kiintoainevariantit askeleen lähemmäs todellisuutta.

Nestemäisen elektrolyytin ongelman käsittely

Litiumioni‑akut perustuvat nestemäisiin elektrolyytteihin, jotka voivat syttyä tuleen vaurioituessaan tai ylikuumentuessaan. Missourin yliopiston tutkijat ratkaisivat tämän ongelman kehittämällä tehokkaita tekniikoita nestemäisten tai geelimäisten elektrolyyttien korvaamiseksi kiinteillä elektrolyyteillä.

Kuvaten, miten heidän ratkaisunsa toimii, apulaisprofessori Matthias Young, jolla on yhteinen tehtävä Mizzoun insinööri- ja taide‑tieteen tiedekunnissa, sanoi seuraavaa:

“Kun kiinteä elektrolyytti koskettaa katodia, se reagoi ja muodostaa interfaasikerroksen, jonka paksuus on noin 100 nanometriä — 1 000‑kertainen pienempi kuin ihmisen hiuksen leveys. Tämä kerros estää litium‑ionien ja elektronien helpon liikkumisen, mikä lisää vastusta ja heikentää akun suorituskykyä.”

Merkittävin läpimurto

Tutkimusryhmän merkittävin saavutus oli kuitenkin nelidimensionaalisen skannaavan läpäisyelektronimikuvantamisen (4D STEM) käyttö. Tämä oli mullistavaa, koska he pystyivät tarkastelemaan akun atomirakennetta ilman sen purkamista, mikä mahdollisti perustavanlaatuisen ymmärryksen sisäisistä kemiallisista reaktioista ja määrittää, kuinka paljon interfaasikerros aiheutti vahinkoa. 

Näkökulmasta, jossa nämä akut ovat potentiaalisia käyttäjiä, tutkimus ja sen vaikutukset tarjoavat suurta potentiaalia. 

Odotetut todelliset hyödyt

Maailmanlaajuiset autonvalmistajat ovat innostuneita kiintoaineakuista, koska ne tarjoavat paremman turvallisuuden ja lämmönstabiilisuuden. Äskettäin käsittelemämme tutkimus on läpimurto tässä suunnassa — merkittävä edistysaskel. Lisäksi tutkimus voi johtaa parannuksiin akkujen turvallisuudessa, suorituskyvyssä, käyttöiässä, kustannuksissa ja ympäristövaikutuksissa. 

Akkutieteilijät ympäri maailmaa ovat optimistisia, että uusi sukupolvi kiintoaineakuista, jotka syntyvät tällaisten tutkimusten seurauksena, lopulta voittavat kaksi keskeistä perinteisten litiumioni‑akkujen heikkoutta. Nikkeli‑rikkaat katodit mahdollistavat akkujen teollisuudelle kobaltipitoisuuden vähentämisen katodissa. Toiseksi, kiintoainekemiat mahdollistavat litiummetallin käytön anodissa.

Ensimmäinen tekijä on ratkaiseva tämän sektorin kasvulle, koska kobaltia on niukasti, se on kallista ja vaikeaa louhia. Se tulee maista, joilla on heikot kaivoslait. Tutkijat uskovat, että litiumin käyttö anodissa on merkittävää, koska se lisää energiatehoa ja parantaa turvallisuutta.

Puhuttaessa litiummetallin käytöstä, Helena Braga, Portugalin Porton yliopiston insinööfysiikan apulaisprofessori ja tunnettu tutkija, joka työskenteli Nobel-palkinnon voittajan John Goodenough kanssa kiintoaineakkujen parissa vuosikymmen sitten, sanoi:

“Tämä on syy, miksi aloitimme tämän (kiintoaine) matkan alun perin — jotta voimme käyttää litiummetallia.”

Kaiken kaikkiaan tämä teknologia ja tutkimukseen perustuva tekniikka voivat johtaa parannettuihin akkujen suunnitteluihin, joissa on parempi suorituskyky ja turvallisuus, ja ne voivat vaikuttaa kulutuselektroniikkaan ja sähköajoneuvoihin 3–7 vuoden sisällä.​

Kuitenkin tällaisen tutkimuksen todellinen arvo riippuu siitä, kuinka menestyksekkäästi kiintoaineakkuja valmistavat yritykset ja liiketoiminnat omaksuvat ne ja skaalauttavat tuotannon. Seuraavassa osiossa käsittelemme yhtä tällaista yritystä, Solid Power, Inc. (SLDP ), joka on erikoistunut kaikki‑kiintoaine‑akuteknologiaan, keskittyen turvallisempiin ja tehokkaampiin energian varastointiratkaisuihin.​

Solid Power, Inc. (SLDP ) 

Solid Power asemoituu tarjoamaan kaikki‑kiintoaine‑akunsoluteknologiaa, joka tarjoaa keskeisiä parannuksia nykyiseen nestemäiseen litiumioni‑tekniikkaan ja seuraavan sukupolven hybridisoluja verrattuna, mukaan lukien korkea energia, parannettu turvallisuus, pidempi käyttöikä ja kustannussäästöt. 

Solid Powerin akut mahdollistavat korkeamman kapasiteetin elektrodien, kuten korkean piin sisällön ja litiummetallin, käytön korkean energiatehon saavuttamiseksi. Ne ovat turvallisempia poistamalla reaktiiviset ja haihtuvat nestemäiset ja geelimäiset komponentit. Tämän seurauksena ne kestävät ja toimivat erittäin kuumissa lämpötiloissa. Yritys uskoo, että sen akut voivat tarjota 15–35 % kustannusetua nykyisiin litiumioni‑akuisiin pakettitasolla. 

Seuraavissa osioissa käsittelemme Solid Powerin kiintoaineakkujen kolme eri tyyppiä. 

Piini‑EV‑kenno 

Nämä kennot sisältävät korkean piin sisällön anodin, joka tarjoaa korkeat latausnopeudet ja alhaisemmat lämpötilakapasiteetit. Nämä akut saadaan virrattua yrityksen omaan sulfidipohjaiseen kiinteään elektrolyyttiin. Lopuksi sen NMC‑katodi on teollisuuden standardi ja kaupallisesti kypsä. 

Litiummetalli

Solid Powerin litiummetalliset akut sisältävät litiummetallin ja korkea‑energia‑anodin. Tämä akkun luokka saadaan myös virrattua Solid Powerin omaan sulfidipohjaiseen kiinteään elektrolyyttiin sekä teollisuuden standardi- ja kaupallisesti kypsiin NMC‑katodeihin. 

Muuntoreaktio‑kenno 

Lopuksi siirrymme muuntoreaktio‑kennojen luokkaan, jotka sisältävät litiummetallin, korkea‑energia‑anodin, sulfidipohjaiset kiinteät elektrolyytit erittäin alhaisella kustannuksella ja korkea‑spesifinen energia‑muuntotyypin katodin.

Solid Powerin akkuteknologia perustuu sulfidipohjaisiin kiinteisiin elektrolyytteihin yhtenä vahvimmista peruspilareistaan. Tekniikka varmistaa, että perinteisen litiumioni‑akun palava nestemäinen elektrolyytti ja polymerierotinkerros poistetaan kokonaan ja korvataan kiinteällä kerroksella, joka vaikka on ohut, toimii esteenä estäen anodin ja katodin kosketuksen, mikä aiheuttaisi oikosulun. Se toimii myös johtavana elektrolyyttinä. Solid Powerin sulfidipohjainen kiinteä elektrolyytti tarjoaa parhaan yhdistelmän johtavuutta, valmistettavuutta ja kennotason suorituskykyä. 

Solid Powerin ydin‑sulfidipohjainen kiinteä elektrolyyttiteknologia käyttää maapallon runsaasti löytyviä materiaaleja. Yritys odottaa skaalaavansa elektrolyyttituotantoaan niin, että se voi virrata 800 000 sähköistettyä ajoneuvoa kaikkien kiintoaineakkujen kautta vuosittain vuoteen 2028 mennessä.

SLDP: Viimeisimmät päivitykset

Joulukuussa 2024 Solid Power ilmoitti kumppanuutensa jatkamisesta Fordin kanssa vuoteen 2025 asti. Yhteisen kehityssopimuksen kolmas lisäys heijasti jatkuvaa sitoutumista Solid Powerin ja Fordin välillä edistää sähköajoneuvojen akkujen suorituskyvyn rajoja.

Raportit mainitsivat kumppanuuden jatkamisen merkittävänä askeleena Solid Powerin pyrkimyksissä kaupallistaa kiintoaineakuntekniikkaa. Laajennettu kumppanuus Fordin, johtavan maailmanlaajuisen autonvalmistajan, kanssa korosti Solid Powerin teknologian mahdollista vaikutusta autoteollisuuteen.

Tammikuussa 2025 yritys solmi merkittävän rahoitussopimuksen Yhdysvaltain energiaministeriön (DOE) kanssa. Yritys ilmoitti saaneensa jopa 50 miljoonaa dollaria rahoitusta sulfidipohjaisen kiinteän elektrolyyttimateriaalin tuotantokapasiteetin parantamiseksi, mikä on olennaista seuraavan sukupolven akuille.

Rahoitus tuli osana avustus‑sopimusta, jonka voimaantulopäivä on 1. tammikuuta 2025, ja jossa määriteltiin, että Solid Power kontribuoi 60 miljoonaa dollaria omista varoistaan kustannusten jakamisen osana. Investointi tarkoitettiin tukemaan laitteiston asennusta, joka on välttämätöntä jatkuvalle tuotannolle, ja jonka odotetaan vahvistavan yrityksen valmistuskapasiteettia.

Sopimuksen osana Solid Powerin vaadittiin noudattaa erityisiä raportointivaatimuksia ja noudattamisvelvoitteita. DOE:n tuki korosti akkuteknologian edistämisen tärkeyttä energian varastoinnissa ja sähköajoneuvoissa, jotka ovat keskeisiä siirtymisessä vähähiiliseen talouteen.

Yrityksen kumppanuus DOE:n kanssa oli strateginen askel kiintoaineakkujen kaupallistamisen nopeuttamisessa, jotka lupaavat suurempaa energiatehoa, parannettua turvallisuutta ja pidempää käyttöikää verrattuna perinteisiin litiumioni‑akkuihin.

Taloudellisessa näkökulmassa, Solid Power raportoi 20,1 miljoonaa dollaria liikevaihtoa vuonna 2024, mikä on 2,7 miljoonaa dollaria enemmän kuin vuonna 2023. Toimintakulut olivat 125,5 miljoonaa dollaria vuonna 2024, nousua 108,0 miljoonasta vuonna 2023, johtuen lisääntyneistä tutkimus‑ ja kehityskustannuksista elektrolyytin ja kennon suunnittelun suorituskyvyn parantamiseksi, elektrolyytintuotanto, laitehankinnat, jotka tukevat SK On -sopimuksia, ja toiminnan skaalaamista, mukaan lukien Korean toimipisteen perustaminen. Toimintatappio vuonna 2024 oli 105,3 miljoonaa dollaria, kun nettotappio oli 96,5 miljoonaa dollaria, eli 0,54 dollaria osakkeelta.

“Vuonna 2025 Solid Power jatkaa ASSB‑tekniikan kehittämistä parantamalla elektrolyytin suorituskykyä solukehitystiimimme palautteen perusteella, toteuttamalla kumppanivaatimuksia ja asiakaspyyntöjä, jatkamalla innovaatiota sekä elektrolyytin että kennoteknologioiden osalta, ja ylläpitämällä taloudellista kurinalaisuutta samalla strategisesti investoiden kehitykseen ja kyvykkyyksiin.”

– John Van Scoter, Solid Powerin toimitusjohtaja ja pääjohtaja

Kiintoaineakku: Katse tulevaisuuteen

Kiintoaineakkujen tulevaisuus näyttää jännittävältä, täynnä innovaatiopotentiaalia. Esimerkiksi vuonna 2024 Harvardin John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) -tutkijat kehittivät uuden litiummetallipohjaisen akun, joka voidaan ladata ja purkaa vähintään 6 000 kertaa — enemmän kuin mikään muu pussipatteri — ja se voidaan ladata uudelleen muutamassa minuutissa.

According to Xin Li, Associate Professor of Materials Science at SEAS and senior author of the paper that detailed the research and was published in Nature Materials:

“Litiummetallianodiset akut pidetään akkujen pyhänä maljana, koska niillä on kymmenen kertaa suurempi kapasiteetti kuin kaupallisilla grafiittianodeilla, ja ne voisivat merkittävästi lisätä sähköajoneuvojen ajomatkaa.”

Kun litium‑ionit siirtyivät katodista anodille latauksen aikana, litioitumisreaktio rajoitettiin pinnallisella tasolla, ja ionit kiinnittyivät piipartikkeleiden pinnalle ilman syvempää tunkeutumista. 

“Suunnitelmassamme litiummetalli kietoutuu piipartikkeleiden ympärille, kuin kovaa suklaakuorta hasselpähkinän ytimen ympärille suklaatruffelissa.”

– Li

Pinnoitetut partikkelit muodostivat homogeenisen pinnan, mikä varmistaa tasaisen virrankeskittymän jakautumisen ja estää dendriittien kasvun. Koska pinnoitus ja poistaminen voivat tapahtua nopeasti tasaisella pinnalla, akku voidaan ladata uudelleen vain noin 10 minuutissa. 

Tutkijat kehittivät postimerkin kokoisen pussisellin version akusta, joka on 10–20 kertaa suurempi kuin useimmissa yliopistojen laboratorioissa valmistettu kolikkoselli. Akku säilytti 80 % kapasiteetistaan 6 000 sykliä jälkeen, ylittäen muut samankaltaiset pussisellit. Prosessin aikana tutkijat paljastivat kymmeniä muita materiaaleja, jotka voisivat mahdollisesti tuottaa samanlaista suorituskykyä. Xin Lin mukaan:

“Aikaisemmissa tutkimuksissa on havaittu, että muut materiaalit, kuten hopea, voivat toimia hyvänä anodimateriaalina kiintoaineakuissa.”

Prosessin yleistämiseksi tutkimusryhmä julkaisi artikkelin kaikkien kiintoaineakkujen suorituskyvyn toistettavuuden vertailusta.² Tutkijat havaitsivat, että interlaboratorioiden vertailukelpoisuus ja toistettavuus kaikkien kiintoaineakkujen syklausuorituskyvyssä olivat huonosti ymmärrettyjä johtuen standardoitujen kokoonpanojen ja kokoamisparametrien puutteesta.

Tutkijat ehdottivat joukkoa parametreja kaikkien kiintoaineakkujen syklausulosten raportointiin ja puolustivat tietojen raportoimista kolminkertaisesti. Esimerkiksi aloitusjännite 2,5–2,7 V vs. Li+/Li oli hyvä ennustaja onnistuneelle syklauselle näitä elektroaktiivisia materiaaleja käyttäen.

Kiintoaineakkujen valmistuksen standardointi on ratkaisevaa, koska sen käyttömahdollisuudet ovat moninaisia. Vaikka EV-valmistajat ovat innokkaimpia kehittämään tehokkaita kiintoaineakkuja, jopa NASA:n tutkijat raportoivat edistymisestä kehittäessään innovatiivista akkupakettia, joka on kevyempi, turvallisempi ja suorituskyvyltään parempi kuin nykyiset ajoneuvoissa ja suurissa elektroniikkalaitteissa käytetyt akut.

NASA:n tutkijat kokeilivat innovatiivisia uusia materiaaleja, joita ei ollut vielä käytetty akuissa. Tiimi havaitsi varhain, että kiintoainearkkitehtuuri mahdollisti akkujen rakenteen ja pakkaamisen muuttamisen, mikä vähensi painoa samalla kun energiavarastokapasiteetti kasvoi. He osoittivat, että kiintoaineakut voivat toimittaa laitteita valtavalla 500 Wh/kg kapasiteetilla — kaksinkertainen verrattuna sähköautoon.

“Tämä suunnittelu ei ainoastaan poista 30–40 % akun painosta, vaan se myös mahdollistaa energian kaksinkertaistamisen tai jopa kolminkertaistamisen, ylittäen selvästi litiumioniakkujen, joita pidetään huipputeknologiana, kyvyt.”

– Rocco Viggiano, SABERS:n päätutkija

SABERS on lyhenne NASA:n määrittelemälle toiminnalle ‘Solid-state Architecture Batteries for Enhanced Rechargeability and Safety’ (kiintoainearkkitehtuuriset akut parannetulla uudelleenlatauskyvyllä ja turvallisuudella).

Kuten nimi viittaa, kiintoaineakkujen tulevaisuus kukoistaa näiden nopean uudelleenlatauksen ja turvallisuuden ominaisuuksien ympärillä. Valmistajat pyrkivät yhä enemmän kehittämään akkuja, jotka latautuvat nopeammin vaarantamatta prosessia.

Klikkaa tästä saadaksesi listan viidestä parhaasta kiintoaineakkuosakkeesta, joita kannattaa seurata tai ostaa.