Mizzou’s 4D STEM Doorbraak: Verbetering van de efficiëntie van solid-state batterijen

Solid-state batterijen staan deze dagen in de schijnwerpers. Ze winnen gestaag aan populariteit bij consumentenelektronica en elektrische voertuigen, en vormen in 2022 het grootste aandeel van de wereldwijde solid-state batterijenmarkt.

Onderzoekers schatten dat toepassingen van solid-state batterijen in de EV-sector de komende tien jaar exponentieel zullen groeien, met een marktgrootte van US$4,3 miljard tegen 2032. Er zijn redenen waarom solid-state batterijen klaarstaan voor exponentiële groei. In wezen verwijst het naar een batterijtechnologie die een vaste elektrolyt gebruikt in plaats van vloeibare elektrolyten, zoals bij lithium-ion technologie.

Solid-state cellen bestaan uit een kathode, een separator en een anode. De kathode kan worden gemaakt met dezelfde verbindingen als een lithium-ion batterij. Daarentegen wordt de separator over het algemeen gemaakt van keramiek of vaste polymeer, die ook als elektrolyt fungeert. De anode is gemaakt van lithiummetaal.

Bij het opladen bewegen de lithiumdeeltjes in deze batterijen van de kathode door de atomaire structuur van de separator naar het elektrische contact van de anode, waardoor een vaste laag zuiver lithium ontstaat. Het proces zorgt ervoor dat de anode uitsluitend uit lithiumdeeltjes bestaat en een kleiner volume heeft dan een anode van lithium-ion technologie met een grafietstructuur.

Hoewel deze batterijen nog in hun ontwikkelingsfase verkeren, beloven ze meerdere verbeteringen ten opzichte van de huidige batterijen, waaronder een hogere energiedichtheid, een langere levensduur, verbeterde veiligheid en een kleinere omvang. Het veelbelovende vooruitzicht van solid-state batterijen heeft het tot een aantrekkelijk gebied gemaakt voor wetenschappers om verder te verkennen en te zien wat er mee kan worden gedaan.

Een recent persbericht over onderzoek van de Universiteit van Minnesota beweert dat de onderzoekers ” de code voor solid-state batterijen kraken.” In de komende segmenten bekijken we de redenen die deze gedurfde bewering drijven.

Wat de onderzoekers van de Universiteit van Minnesota hebben bereikt

Het onderzoek, getiteld Understanding Cathode–Electrolyte Interphase Formation in Solid State Li-Ion Batteries via 4D-STEM¹, toont een eenvoudige workflow om de vorming van de kathode‑elektrolyt interfac (CEI) te bestuderen met behulp van 4D-scanning transmission electron microscopy (4D-STEM) die geen SS-LIB assemblage vereist.

Op de contactpunten tussen de vaste elektrolyt en het actieve kathodemateriaal in solid-state lithium-ion batterijen vormen zich interfacelagen, waardoor de celimpedantie toeneemt. De onderzoekers elimineren de noodzaak van SS-LIB assemblage en tonen de voordelen van MoCl5:EtOH als chemisch de‑lithiërend middel, samen met chemisch gede‑lithiërde kathode LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2 (NMC) poeder in contact met Li10GeP2S12 (LGPS) SE‑poeder, als een SS‑LIB CEI‑substituut.

De onderzoekers kaartten de samenstelling en structuur van de CEI‑lagen met behulp van 4D-STEM, energy dispersive X‑ray spectroscopy (EDS) en electron pair distribution function analysis (ePDF). Hun bevindingen suggereren dat coatings die aniontransport blokkeren terwijl ze lithium‑ionen en elektronen laten passeren, de vorming van interfacen kunnen voorkomen en de impedantie in SS‑LIBs kunnen verminderen.

Terwijl hij de aard van de coating beschreef, zei Young:

De coatings moeten dun genoeg zijn om reacties te voorkomen, maar niet zo dik dat ze de lithium‑ionstroom blokkeren. We streven ernaar de hoog‑presterende eigenschappen van de vaste elektrolyt en kathodematerialen te behouden. Ons doel is deze materialen samen te gebruiken zonder hun prestaties op te offeren voor compatibiliteit.

Dit alles kan te technisch klinken, maar er is een eenvoudigere manier om de prestatie van het onderzoek te begrijpen.

Klik hier om meer te leren over een batterijdoorbraak die solid-state varianten een stap dichter bij de realiteit brengt.

Omgaan met het probleem van vloeibare elektrolyt

Lithium‑ion batterijen vertrouwen op vloeibare elektrolyten, die kunnen ontbranden bij schade of oververhitting. De onderzoekers van de Universiteit van Missouri hebben dit probleem aangepakt door efficiënte technieken te ontwikkelen om vloeistoffen of gel‑elektrolyten te vervangen door vaste elektrolyten.

Door uit te leggen hoe hun oplossing werkt, zei assistent‑professor Matthias Young, die een gezamenlijke aanstelling heeft aan de College of Engineering en College of Arts and Science van Mizzou, het volgende:

Wanneer de vaste elektrolyt de kathode raakt, reageert hij en vormt een interfacelaag van ongeveer 100 nanometer dik — 1.000 keer kleiner dan de breedte van een enkel menselijk haar. Deze laag blokkeert de lithium‑ionen en elektronen om gemakkelijk te bewegen, waardoor de weerstand toeneemt en de batterijprestaties verslechteren.

De meest significante doorbraak

De meest significante prestatie van het onderzoeksteam was echter hun gebruik van vierdimensionale scanning transmission electron microscopy (4D STEM). Wat dit revolutionair maakte, was dat ze de atomaire structuur van de batterij konden onderzoeken zonder deze te demonteren, waardoor ze een fundamenteel begrip kregen van de chemische reacties binnenin en de mate van schade die de interfacelaag veroorzaakte konden bepalen.

Vanuit het perspectief van potentiële gebruikers van deze batterijen heeft het onderzoek en de implicaties een groot potentieel.

Verwachte voordelen in de praktijk

Wereldwijde autofabrikanten zijn enthousiast over solid-state batterijen omdat ze meer veiligheid en thermische stabiliteit bieden. Het onderzoek dat we net bespraken is een doorbraak in die richting — een enorm betekenisvolle stap vooruit. Bovendien kan het onderzoek leiden tot verbeteringen in veiligheid, prestaties, levensduur van de batterijen, kosten en hun milieueffect.

Batterijwetenschappers over de hele wereld zijn optimistisch dat de nieuwe generatie solid-state batterijen, die voortkomt uit dergelijk onderzoek, uiteindelijk twee belangrijke nadelen van conventionele lithium‑ion batterijen zullen overwinnen. De nikkel‑rijke kathodes zullen de batterijindustrie in staat stellen minder kobalt in de kathode te gebruiken. Ten tweede zullen solid‑state chemieën batterijfabrikanten in staat stellen lithiummetaal in de anode te gebruiken.

De eerste factor is cruciaal voor de groei van deze sector omdat kobalt schaars, duur en moeilijk te delven is. Het komt uit landen met zwakke mijnbouwwetten. Onderzoekers geloven dat het gebruik van lithium in de anode significant is omdat het de energiedichtheid verhoogt en de veiligheid bevordert.

Speaking about the use of lithium metal, Helena Braga, een universitair hoofddocent engineering physics aan de Universiteit van Porto in Portugal en een bekende onderzoeker die een decennium geleden samenwerkte met Nobel Prize winnaar John Goodenough op solid-state batterijen een decennium geleden, zei:

“Daarom zijn we deze (solid‑state) reis in eerste instantie begonnen — zodat we lithiummetaal konden gebruiken.”

Al met al kan deze technologie en op onderzoek gebaseerde techniek leiden tot verbeterde batterijontwerpen met betere prestaties en veiligheid, met potentieel impact op consumentenelektronica en EV’s binnen 3‑7 jaar.

Echter, de werkelijke waarde van dergelijk onderzoek hangt af van hoe succesvol bedrijven die solid-state batterijen produceren deze adopteren en opschalen. In het volgende segment bespreken we een dergelijk bedrijf, Solid Power, Inc. (SLDP ), dat zich specialiseert in all-solid-state batterijtechnologie, met focus op veiligere en efficiëntere energieopslagoplossingen.

Solid Power, Inc. (SLDP ) 

Solid Power positioneert zich als een aanbieder van all-solid-state battery cell technology die belangrijke verbeteringen biedt ten opzichte van de huidige conventionele vloeistof‑gebaseerde lithium‑ion technologie en volgende‑generatie hybride cellen, waaronder hoge energie, verbeterde veiligheid, langere levensduur en kostenbesparingen.

Solid Power’s batterijen maken het gebruik van elektroden met hogere capaciteit mogelijk, zoals silicon met een hoog gehalte en lithiummetaal, om hoge‑energie prestaties te bereiken. Het wordt veiliger door de noodzaak van reactieve en vluchtige vloeistof‑ en gelcomponenten te verwijderen. Hierdoor kan het extreme hitte weerstaan en presteren. Het bedrijf gelooft dat zijn batterijen een kostenvoordeel van 15‑35 % kunnen bieden ten opzichte van bestaande lithium‑ion op pack‑niveau.

In de komende segmenten bespreken we de drie varianten van Solid Power’s solid-state batterijen.

Silicon EV Cell 

Deze cellen hebben een anode met een hoog silicongehalte die hoge laadsnelheden en lagere temperatuurcapaciteiten levert. Deze batterijen worden aangedreven door de propriëtaire sulfide‑gebaseerde vaste elektrolyten van het bedrijf. Ten slotte is de NMC‑kathode industrienorm en commercieel volwassen.

Lithium Metal

Solid Power Lithium Metal batterijen worden geleverd met lithiummetaal en een high‑energy anode. Deze categorie batterijen wordt ook aangedreven door Solid Power’s propriëtaire sulfide‑gebaseerde vaste elektrolyten en industrienorm en commercieel volwassen NMC‑kathodes.

Conversion Reaction Cell 

Tot slot komen we bij de categorie conversiereactiecellen van batterijen die lithiummetaal, een high‑energy anode, sulfide‑gebaseerde vaste elektrolyten van ultralage kosten en een hoog specifieke energie conversietype kathode bevatten.

Solid Power’s batterijtechnologie heeft sulfide‑gebaseerde vaste elektrolyten als een van haar meest robuuste fundamenten. De technologie zorgt voor de volledige verwijdering van de brandbare vloeibare elektrolyt en polymer separatorlaag in een traditionele lithium‑ion batterij en vervangt deze door een vaste laag die, ondanks dat hij dun is, fungeert als barrière om te voorkomen dat anode en kathode elkaar raken, wat een kortsluiting zou veroorzaken. Het fungeert ook als een geleidende elektrolyt. De sulfide‑gebaseerde vaste elektrolyt van Solid Power biedt de beste combinatie van geleidbaarheid, vervaardigbaarheid en cel‑niveau prestaties.

Solid Power’s kernsulfide‑gebaseerde vaste elektrolyt technologie maakt gebruik van aardse overvloedige materialen. Het bedrijf verwacht de productie van zijn elektrolyt op te schalen om jaarlijks 800.000 geëlectrificeerde voertuigen van stroom te voorzien via zijn all-solid-state batterijcellen tegen 2028.

SLDP: Laatste updates

In december 2024 kondigde Solid Power de verlenging van haar partnerschap met Ford tot 2025 aan. De derde amendement op de gezamenlijke ontwikkelingsovereenkomst weerspiegelt de voortdurende inzet tussen Solid Power en Ford om de grenzen van elektrische voertuig batterijprestaties te verleggen.

Rapporten noemden de verlenging van het partnerschap als een belangrijke stap voor Solid Power’s werk richting commercialisering van haar solid‑state batterijtechnologie. Het verlengde partnerschap met Ford, een toonaangevende wereldwijde autofabrikant, onderstreepte de potentiële impact van Solid Power’s technologie op de automobielindustrie.

In januari 2025 ging het bedrijf een significant financieel akkoord met het Amerikaanse Department of Energy (DOE) aan. Het bedrijf kondigde aan dat het tot $50 miljoen aan financiering had veiliggesteld om haar productiecapaciteit van sulfide‑gebaseerde vaste elektrolytmaterialen te verbeteren, essentieel voor de volgende generatie batterijen.

De financiering kwam als onderdeel van een Assistance Agreement met een ingangsdatum van 1 januari 2025, waarin werd bepaald dat Solid Power $60 miljoen van haar eigen middelen zou bijdragen als onderdeel van de kosten‑deelarrangement. De investering was gericht op het ondersteunen van de installatie van apparatuur die nodig is voor continue productie, wat naar verwachting de productiecapaciteit van het bedrijf zal versterken.

Als onderdeel van de overeenkomst moest Solid Power voldoen aan specifieke rapportage‑vereisten en nalevingsverplichtingen. De steun van de DOE onderstreepte het belang van het vooruitstuwen van batterijtechnologie voor energieopslag en elektrische voertuigen, sectoren die cruciaal zijn voor de overgang naar een koolstofarme economie.

Het partnerschap van het bedrijf met de DOE was een strategische stap om de commercialisering van solid‑state batterijen te versnellen, die een hogere energiedichtheid, verbeterde veiligheid en langere levensduur beloven ten opzichte van conventionele lithium‑ion batterijen.

Op financieel gebied leverde Solid Power $20,1 miljoen aan omzet in 2024, een stijging van $2,7 miljoen ten opzichte van 2023. De operationele kosten bedroegen $125,5 miljoen in 2024, tegenover $108,0 miljoen in 2023, gedreven door verhoogde onderzoeks‑ en ontwikkelingskosten om de prestaties van haar elektrolyt en celontwerpen, elektrolytproductie, apparatuur aankopen ter ondersteuning van de SK On‑overeenkomsten, en opschaling van operaties, inclusief het opzetten van Koreaanse operaties, te verbeteren. Het operationele verlies voor 2024 bedroeg $105,3 miljoen, terwijl het nettoverlies $96,5 miljoen was, of $0,54 per aandeel.

“In 2025 zal Solid Power blijven werken aan de ontwikkeling van ASSB‑technologie door de elektrolytprestaties te verbeteren via feedback van ons celontwikkelteam, partnervereisten en klantverzoeken uit te voeren, te blijven innoveren op zowel elektrolyt‑ als celtechnologieën, en financiële discipline te behouden terwijl we strategisch investeren in ontwikkeling en capaciteiten.”

– John Van Scoter, President en Chief Executive Officer van Solid Power

Solid-State Battery: Kijken naar de toekomst

De toekomst van solid‑state batterijen lijkt spannend, vol innovatiepotentieel. In 2024 ontwikkelden onderzoekers van de Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) een nieuwe lithium‑metal batterij die kan worden opgeladen en ontladen minstens 6.000 keer — meer dan elke andere pouch‑batterijcel — en binnen enkele minuten kan worden opgeladen.

Volgens Xin Li, Associate Professor of Materials Science aan SEAS en senior auteur van het artikel dat het onderzoek beschrijft en gepubliceerd werd in Nature Materials:

“Lithium‑metal anode batterijen worden beschouwd als de heilige graal van batterijen omdat ze tien keer de capaciteit hebben van commerciële grafiet‑anodes en de rijafstand van elektrische voertuigen drastisch kunnen vergroten.”

In hun onderzoek stopten Li en zijn team dendrietvorming door micron‑grote silicdeeltjes in de anode te gebruiken om de lithiatierreactie te beperken en een homogene afzetting van een dikke laag lithiummetaal te faciliteren. Wanneer lithiumionen tijdens het opladen van de kathode naar de anode bewegen, werd de lithiatierreactie beperkt aan het ondiepe oppervlak, en de ionen hechten zich aan het oppervlak van het silicdeeltje zonder dieper door te dringen.

“In ons ontwerp wordt lithiummetaal omwikkeld rond het silicdeeltje, als een harde chocoladeschil rond een hazelnootkern in een chocoladetruffel.”

– Li

De gecoate deeltjes vormden een homogene oppervlakte, waardoor een gelijkmatige stroomdichtheidsverdeling werd gegarandeerd en de groei van dendrieten werd voorkomen. En omdat het aanbrengen en verwijderen van lithium snel kon plaatsvinden op een gelijkmatig oppervlak, kon de batterij in slechts ongeveer 10 minuten opnieuw worden opgeladen.

De onderzoekers ontwikkelden een postzegel‑grootte pouch‑cel versie van de batterij, 10 tot 20 keer groter dan de coin‑cel die in de meeste universiteitslab’s wordt gemaakt. De batterij behield 80 % van haar capaciteit na 6.000 cycli, en presteerde beter dan andere pouch‑cel batterijen in dezelfde klasse. In het proces onthulden onderzoekers tientallen andere materialen die mogelijk vergelijkbare prestaties kunnen leveren. Volgens Li:

“Eerder onderzoek had aangetoond dat andere materialen, waaronder zilver, goede materialen voor de anode van solid‑state batterijen kunnen zijn.”

Om het proces universeel te maken, publiceerde een team van onderzoekers een paper over benchmarking the reproducibility of all-solid-state battery cell performance.² De onderzoekers merkten op dat de interlaboratorium vergelijkbaarheid en reproduceerbaarheid van de cyclische prestaties van all-solid-state batterijcellen slecht begrepen werden vanwege het ontbreken van gestandaardiseerde opstellingen en assemblage‑parameters.

De onderzoekers stelden een reeks parameters voor voor het rapporteren van all-solid-state batterijcyclingsresultaten en pleitten voor het rapporteren van data in drievoud. Bijvoorbeeld, een initiële open‑circuit spanning van 2,5 tot 2,7 V vs. Li+/Li was een goede voorspeller voor succesvolle cyclering van cellen die deze elektroactieve materialen gebruiken.

Standaardisatie van de productie van solid‑state batterijen is cruciaal omdat de toepasbaarheid divers is. Terwijl EV‑fabrikanten een van de meest geïnteresseerde partijen zijn in het ontwikkelen van efficiënte solid‑state batterijen, meldden zelfs NASA‑onderzoekers dat ze vooruitgang boekten met het ontwikkelen van een innovatief batterijpakket dat lichter, veiliger en beter presteert dan de batterijen die tegenwoordig vaak in voertuigen en grote elektronica worden gebruikt.

NASA‑onderzoekers experimenteerden met innovatieve nieuwe materialen die nog niet eerder waren gebruikt in batterijen. Het team realiseerde zich vroeg dat solid‑state architectuur hen in staat stelde de batterijconstructie en -verpakking te wijzigen, waardoor het gewicht werd verminderd en de energieopslagcapaciteit toenam. Ze toonden aan dat solid‑state batterijen objecten konden aandrijven met een enorme capaciteit van 500 watt‑uur per kilogram — twee keer die van een elektrische auto.

“Niet alleen elimineert dit ontwerp 30 tot 40 procent van het gewicht van de batterij, maar het stelt ons ook in staat om de energie die hij kan opslaan te verdubbelen of zelfs te verdrievoudigen, ver boven de mogelijkheden van lithium‑ion batterijen die worden beschouwd als state‑of‑the‑art.”

– Rocco Viggiano, hoofdonderzoeker van SABERS

SABERS is een acroniem voor NASA’s aangewezen activiteit, ‘Solid-state Architecture Batteries for Enhanced Rechargeability and Safety.’

Zoals de naam suggereert, zal de toekomst van solid‑state batterijen floreren op deze aspecten van snelle oplaadbaarheid en veiligheid. Fabrikanten zullen steeds meer op zoek gaan naar batterijen die sneller opladen zonder het proces onveilig te maken.

Klik hier voor een lijst van de 5 beste solid‑state batterij aandelen.