Kleine Aanpassingen voor Grote Veranderingen – Zijn Zachte Metaalstructuren een Batterijdoorbraak?

Batterijen zijn alomtegenwoordig. Ons moderne technologische tijdperk kan niet vooruitgaan of bloeien zonder effectief gemaakte, efficiënte batterijen. Batterijen zijn aanwezig in elektrische voertuigen, mobiele apparaten, opslag van hernieuwbare energie en nog veel meer. 

Als we naar de groeicijfers kijken, is het potentieel exponentieel. Tussen 2022 en 2030 wordt de wereldwijde vraag naar lithium‑ionbatterijen bijvoorbeeld verwacht bijna zevendubbel zo te groeien, tot 4,7 terawatt‑uur in 2030. Marktanalisten schrijven een aanzienlijk deel van deze groei toe aan de stijgende populariteit van elektrische voertuigen, die sterk afhankelijk zijn van lithium‑ionbatterijen. In 2024 vertegenwoordigden EV’s meer dan 80 % van de wereldwijde vraag naar lithium‑ionbatterijen. 

Het ondersteunen van deze buitengewone groei vereist dat de productie van batterijen wordt opgeschaald. En deze opschaling kan alleen worden ondersteund door innovatie. Het goede nieuws is dat onderzoekers wereldwijd hieraan werken. Ze verkennen voortdurend nieuwe materialen, ontwerpen, configuraties en chemie. 

Het is echter ook cruciaal om te blijven controleren of deze verkenningen de beschikbare middelen optimaliseren. En bij zo’n onderzoek ontdekten onderzoekers dat de textuur van de metalen een aspect is dat historisch gezien over het hoofd is gezien. 

Terwijl ze de exacte aard van dit over het hoofd zien uitlegden, zei UChicago PME Prof. Shirley Meng, de Liew Family Professor in Moleculaire Engineering, het volgende:

“Er bestaat een kenniskloof over de korreloriëntatie, ook wel textuur genoemd, en hoe zo’n factor de prestaties van oplaadbare metalen batterijen beïnvloedt.”

De oplossing komt van Meng’s Laboratorium voor Energieopslag en Conversie en haar industriële partner, Thermo Fisher Scientific (TMO ). Meer specifiek komt het via een paper geschreven door Meng en haar medeauteurs. Het paper draagt de titel ‘Grain Selection Growth of Soft Metal in Electrochemical Processes.‘

Experimenteren naar een Betere Textuur voor Betere Batterijen

Met de term ‘textuur’ verwijzen de onderzoekers naar de korreloriëntatie die in een specifieke richting is georiënteerd in plaats van willekeurig verspreid. Plasma‑focused ion beam‑electron backscatter diffraction (PFIB‑EBSD) helpt de metalen textuur te karakteriseren onder verschillende elektrochemische plating‑ en strippingcondities. 

In de studie¹ benadrukten de onderzoekers de concurrentie tussen oppervlaktespanning en vervormingsenergie voor de vorming van textuur van alkalimetalen. Meer specifiek probeerden ze te begrijpen hoe de dominantie van atomaire diffusie en oppervlaktespanning van alkalimetalen boven de korrelselectiegroei tijdens elektrochemische processen werkt als sleutel tot het verklaren van de kinetische beperkingen van solid‑state batterijen met metalen anodes, met name bij kamertemperatuur. Het uiteindelijke doel van dit onderzoek en de verkregen inzichten was om gewenste texturen te bereiken via interface‑engineering om de plating/stripping‑efficiëntie bij hoge stroomdichtheden te verbeteren.

De onderzoekers voerden een reeks stappen uit in hun zoektocht naar het begrijpen wat de perfecte textuur voor metalen batterijen zou kunnen zijn. Ze karakteriseerden de textuur van zacht metaal onder verschillende omstandigheden, ontwikkelden een thermodynamische theorie en fase‑veldmodel voor textuurvorming, identificeerden gewenste texturen om de plating/stripping‑efficiëntie te verbeteren, en – tenslotte – ontwierpen ze een interfaciale laag voor gewenste korrelgroei. 

Wat Heeft het Onderzoek Bereikt?

In de woorden van UChicago PME Research Assoc. Prof. Minghao Zhang, de eerste auteur van het nieuwe werk, ontdekten de onderzoekers “dat het toevoegen van een dunne siliciumlaag tussen lithiummetaal en de stroomcollector helpt de gewenste textuur te creëren.”

De onderzoekers concludeerden dat de “wijziging de rijsnelheid van de batterij met bijna tien keer verbeterde in volledig solid‑state batterijen met lithiummetaal.”

Maar wat bracht de onderzoekers ertoe te ontdekken wat juist en optimaal was? 

De onderzoekers begonnen met de veronderstelling dat de ideale textuur voor een batterij‑anode er een zou zijn waarbij atomen snel langs het oppervlak kunnen bewegen, aangezien snellere beweging de batterijen sneller laat opladen en ontladen. Om de textuur te veranderen, was het verschil in oppervlaktespanning van het zachte metaal van belang.

Volgens professor Minghao Zheng:

“Aangezien batterijen met lithium‑ of natriummetaal afhankelijk zijn van deze texturen voor een gunstige rijsnelheid, vroeg het team zich af of het aanpassen van de textuur van zachte metalen de vermogensdichtheid zou kunnen verbeteren.”

Het behalen van het doel hing sterk af van het effectieve gebruik van microscopietechnologie, die het frezen binnen een plasma‑focused ion beam‑scanning electron microscope (PFIB‑SEM) met electron backscatter diffraction (EBSD) mapping omvatte. De efficiënte combinatie van deze twee methoden kan helpen de textuur op nieuwe manieren te bestuderen. 

Terwijl hij de bruikbaarheid van de microscopietechnologie die voor het onderzoek werd ingezet toelichtte, zei studiemed‑auteur Zhao Liu, Senior Market Development Manager van Thermo Fisher Scientific, het volgende:

“De PFIB‑EBSD‑combinatie is zeer geschikt voor deze studie, omdat PFIB effectief toegang kan krijgen tot het interessegebied binnen de celstapel, een hoogwaardig oppervlak met minimale defecten kan produceren, terwijl EBSD gedetailleerde textuurinformatie over het zachte metaal levert.”

Naast haar industriële partner werkten de onderzoekers ook samen met LG Energy Solution’s Frontier Research Laboratory, met als doel de technologie te commercialiseren. 
Volgens LG Energy Solution’s Senior Researcher Jeong Beom Lee zou het onderzoek helpen bij de ontwikkeling van volgende‑generatie batterijen voor elektrische voertuigen en energieopslagtoepassingen. 

Wat Willen de Onderzoekers Verder Doen?

Vooruitkijkend hebben de onderzoekers twee duidelijke doelstellingen. Ten eerste willen ze de druk tijdens testen verlagen van 5 megapascal (MPa) naar 1 MPa, de huidige industriestandaard voor commercieel verkrijgbare batterijen. Ten tweede willen ze de impact van textuur op natrium onderzoeken, dat volgens de bevindingen van Meng het potentieel heeft om een goedkope, gemakkelijk beschikbare vervanger voor lithium te worden. 

Overig Onderzoek naar Li‑ion Batterijmaterialen

Hoewel het huidige onderzoek een doorbraak presenteert, zijn soortgelijke onderzoeksinspanningen niet ongewoon. Een overzicht van onderzoek uitgevoerd op dergelijke batterijen – gepubliceerd in Materials Today – benadrukte het feit dat hoewel Li‑ion batterijen duidelijke voordelen hebben als een batterij met hoge energiedichtheid, lange levensduur en hoge efficiëntie, er onderzoek doorgaat naar nieuwe elektrodematerialen om de grenzen van kosten, energiedichtheid, vermogensdichtheid, levensduur en veiligheid te verleggen.

Terwijl onderzoekers de veelbelovende anode‑ en kathodemateriaalopties onderzochten, ontdekten ze dat veel ervan leden aan beperkte elektrische geleidbaarheid, trage Li‑transport, oplossen of andere ongunstige interacties met het elektrolyt, lage thermische stabiliteit, hoge volumevergroting, en mechanische brosheid. De beschikbare oplossingen voor deze problemen omvatten intercalatie‑kathodes die op de markt zijn gebracht. Echter, de snelheid waarmee conversiemateriaaltechnologie commercialisatie bereikte was traag. 

Als we het hebben over commercialisatie en opschaling, moeten we nu naar bedrijven kijken die veel kunnen bereiken via dergelijk geavanceerd technologisch onderzoek. 

1. Samsung

In augustus 2024, voltooide Zuid‑Korea’s Samsung SDI een overeenkomst met General Motors (GM ) om een gezamenlijke elektrische voertuigbatterijfabriek te bouwen in de Amerikaanse staat Indiana. Via deze overeenkomst besloten de twee bedrijven gezamenlijk een batterijcelproductiefabriek te bouwen met een jaarlijkse productiecapaciteit van 27 gigawattuur. 

Eerder, in 2022, koos Samsung SDI Co., de zesde grootste batterijfabrikant ter wereld, en de in Nederland gevestigde multinationale autofabrikant Stellantis N.V (STLA ). de staat Indiana als locatie voor een gezamenlijke elektrische voertuigbatterijfabriek in de VS. 

De fabrikant streefde ernaar om 23 gigawattuur (GWh) prismatische batterijcellen en modules per jaar te produceren, volgens het plan voor de eerste helft van 2025 voor Stellantis’ autofabrieken in Noord‑Amerika. 

Als het gaat om de productie van batterijen, biedt Samsung SDI een reeks oplossingen, waaronder elektrische voertuigen, energieopslagsystemen, micromobiliteit, vermogensapparaten en IT‑apparaten. 

Voor EV’s en PHEV’s maakt het bedrijf batterijen met hoge capaciteit, hoge energiedichtheid en snelle oplaadtijd, met leiderschap in massaproductie van solid‑state batterijen. Voor energieopslagoplossingen biedt Samsung SDI batterijproducten variërend van huishoudelijke oplossingen en nutsbedrijven, commerciële en industriële oplossingen geïntegreerd met hernieuwbare energiebronnen tot ononderbroken stroomvoorziening (UPS) oplossingen.

In micromobiliteit produceert Samsung SDI batterijen voor kleine, lichtgewicht last‑mile transportmiddelen, zoals e‑kickboards, e‑bikes en e‑scooters. In dit segment maakt het bedrijf gebruik van hoogwaardige materialen en componententechnologieën om de best beschikbare batterijen te maken. 

Voor e‑bikes, produceert Samsung SDI batterijen met hoge energiedichtheid en veiligheid. Deze batterijen zijn slanker en lichter. 

Voor elektrische tweewielers – zoals e‑scooters en e‑motorfietsen – ontwikkelt Samsung SDI cilindrische batterijen. Deze batterijen zijn gebouwd met materialen met hoge capaciteit, unieke structurele ontwerpen en consistente kwaliteit, waardoor de batterijen veilig zijn en geschikt voor topprestaties, lange levensduur en veiligheid. 

Voor vermogensapparaten heeft Samsung SDI batterijen met hoge output en hoge capaciteit. Het biedt ook optimale OPE‑batterijoplossingen met hoge energiedichtheid, stabiele vermogensoutput en lange levensduur. Het produceert ook batterijen met gedifferentieerde capaciteit en output. Ten slotte produceert Samsung SDI zeer functionele en langlevende batterijen voor IT‑apparaten, waaronder smartphones en wearables. 

In eind januari 2025, kondigde Samsung de resultaten van het vierde kwartaal en het volledige jaar 2024 aan met een jaarlijkse omzet van 16,59 biljoen KRW ($11,55 miljard) en een jaarlijkse operationele winst van 363,3 miljard KRW te midden van een marktvertraging. In het vierde kwartaal bedroeg de omzet van het bedrijf 3,75 biljoen KRW, een recordhoogte voor de ESS‑batterijsector.

2. LG Energy Solutions

In december 2024, ging LG Energy Solutions in gesprek met India’s JSW Energy (JSWENERGY.BO ) om batterijen voor elektrische voertuigen en opslag van hernieuwbare energie te vervaardigen in een joint venture die een investering van meer dan $1,5 miljard zou vereisen. Volgens openbaar beschikbare rapporten ondertekenden de twee bedrijven een eerste overeenkomst om een gelijkwaardige samenwerking te vormen, waarbij LGES de technologie en apparatuur voor het maken van batterijen zal leveren, en JSW geld zal investeren, aldus een van de bronnen.

Over het algemeen staat het bedrijf bekend om Energy Storage Solution (ESS) batterijen en geavanceerde automobiele batterijen. De ESS‑divisie biedt producten met hoge energie en hoge output voor stroomnetten en diverse huishoudelijke producten. Deze batterijen worden geproduceerd met eersteklas batterijceltechnologie die voortkomt uit geavanceerde proceskennis van laminatie en stapeling, een eigen technologie van LG.

Deze batterijen hebben een uniforme energie‑output, lange levensduur en een stabiele structuur. De LG ESS‑batterijen hebben ook een verbeterde ruimtelijke efficiëntie dankzij hun compacte formaat. Door high‑capacity, ultra‑slanke polymeerbatterijcellen toe te passen bij de ontwikkeling van net‑ en residentiële ESS, produceert het bedrijf slanke producten die de ruimtebenutting maximaliseren en minimale installatie‑oppervlakte vereisen. 

LG Energy Solutions is ook de leidende leverancier van cellen, modules, BMS (Battery Management System) en pack‑producten voor elektrische voertuigbatterijen. De oplossingen omvatten batterijen met hoge energiedichtheid die lichtgewicht zijn en snel opladen.

De verschillende afmetingen van deze batterijen zorgen voor maximale ruimtebenutting door het probleem van beperkte ruimte in commerciële voertuigen op te lossen. De pouch‑type batterijcellen kunnen worden geproduceerd in diverse lengtes en breedtes en dragen bij aan het vergroten van de batterijcapaciteit en optimalisatie. 

In de laatste week van januari 2025 kondigde LG Energy Solution haar resultaten voor het vierde kwartaal en het volledige jaar aan. Voor het volledige jaar rapporteerde het bedrijf een geconsolideerde omzet van 25,6 biljoen KRW en een operationele winst van 575,4 miljard KRW, een jaar‑op‑jaar daling van respectievelijk 24,1 % en 73,4 %. De operationele winstmarge bedroeg 2,2 %, inclusief het effect van de IRA‑belastingkrediet.

De Toekomst van Batterijen

De toekomst van batterijtechnologie en batterijbeheer zal verbeteringen nastreven op meerdere gebieden. Het zal zoeken naar verbeterde specifieke energie en energiedichtheid (meer energie opgeslagen per volume/gewicht), langere levensduur, minder ontvlambaarheid, minder tijd nodig om de batterij volledig op te laden, en een verlaagde genormaliseerde energiekost (LOCE). 

Onderzoekers hebben de technologische trajecten van Li‑ion batterijen voor de periode 2019‑2030 onderzocht. Ze noemden vier mogelijke technologische opstellingen: conventionele Li‑ion, Gr‑Si anode of Hi‑Ni kathode, solid‑state batterijen, en lithium‑sulfur/air. De cijfers suggereren dat de nieuwe batterijtechnologieën de conventionele Li‑ion in het komende decennium zullen overtreffen. 

De opkomst van nieuwe batterijtechnologieën zou de keuze van kathode‑ en anodematerialen heroverwegen. Bijvoorbeeld, een batterij met een LFP‑kathode heeft een lagere energiedichtheid dan een met NMC. De selectie van kathodemateriaal is belangrijk omdat het de specifieke energie op celniveau aanzienlijk beïnvloedt.

De keuze van anodemateriaal is ook cruciaal. Anodemateriaal, meestal grafiet, biedt ruimte voor lithiumionen wanneer de batterij opgeladen is. Het aantal opgeslagen lithiumionen staat in directe relatie tot de hoeveelheid elektrische energie die wordt opgeslagen.

Onderzoekers zien een geleidelijke overgang in kathodetechnologie, waarbij het typische Ni‑percentage verschuift van 50 % naar respectievelijk 80 % en 90 % voor NMC‑ en NCA‑batterijen. Om te voldoen aan de capaciteitsbehoeften van hi‑Ni‑percentage kathodes, groeit het toevoegen van een kleine hoeveelheid siliciumoxiden of puur silicium in grafietanodes in populariteit bij celproducenten, volgens rapporten.

De vijf nieuwe batterijtechnologieën die naar verwachting de toekomst zullen herdefiniëren omvatten NanoBolt lithium‑tungsten batterijen, zink‑mangaan‑oxide batterijen, organosilicium‑elektrolyt batterijen, goud‑nanodraad gel‑elektrolyt batterijen, en TankTwo String Cell™ batterijen. 

De NanoBolt lithium‑tungsten batterijen, bijvoorbeeld, laden sneller op en slaan meer energie op. De zink‑mangaan‑oxide batterijen kunnen effectief dienen als alternatief voor lithium‑ion en lood‑zuur batterijen, vooral voor grootschalige energieopslag ter ondersteuning van nationale elektriciteitsnetten. 

De chemieprofessoren Robert Hamers en Robert West van de Universiteit van Wisconsin‑Madison hebben organosilicium (OS) gebaseerde vloeibare oplosmiddelen ontwikkeld die op moleculair niveau kunnen worden ontworpen voor industriële, militaire en consumenten‑Li‑ion batterijenmarkten.

Tijdens experimenten met gels, die minder brandbaar zijn dan vloeistoffen, probeerden onderzoekers aan de Universiteit van Californië, Irvine, goudnanodraden te coaten met mangaanoxide en vervolgens te bedekken met een elektrolytgelijk gel.

Hoewel nanodraden meestal te delicaat zijn voor gebruik in batterijen, zijn deze oplossingen veerkrachtig geworden, en de resulterende elektrode, ontdekten onderzoekers, doorliep 200.000 cycli zonder zijn vermogen om een lading vast te houden te verliezen. Dat staat in contrast met 6.000 cycli in een conventionele batterij.

De String Cell™ batterij bevatte een verzameling van kleine, onafhankelijke, zelforganiserende cellen. Elke string‑cell bestond uit een plastic behuizing bedekt met een geleidend materiaal dat het mogelijk maakte snel en gemakkelijk contact te maken met andere cellen. Een interne verwerkingsunit regelde de verbindingen in de elektrochemische cel.

Om snel opladen van een EV te faciliteren, werden de kleine balletjes in de batterij uitgezogen en vervangen door opgeladen cellen bij het service‑station. Op het station kunnen de cellen worden opgeladen tijdens daluren.

Met al deze oplossingen tot onze beschikking wachten verschillende batterijdoorbraken ons in de toekomst.