Akselerere gjennombrudd i faststoffbatterier med AI

Den raskt voksende verden av batteriteknologi forventes å være verdt over $100 milliarder i de kommende årene, takket være den stigende adopsjonen av elektriske kjøretøy (EVs), installasjonen av ulike batterier og strømforsyningen til datasentre.

Blant ulike batterityper er litium‑ion den mest populære, og står for en massiv markedsandel på 44 %. Li‑ion‑batterier er oppladbare batterier som brukes hyppigst i dagens verden, og driver våre mobiltelefoner, bærbare datamaskiner og annen forbrukerelektronikk i tillegg til EV‑er og energilagringssystemer.

Selv om litium‑ion‑batterier gir mange fordeler som lett vekt, høy ledningsevne og høy energitetthet, har de problemer med levetid. Sikkerhet er en annen stor utfordring siden de inneholder en flyktig, flytende elektrolytt som kan ta fyr ved skade eller overoppheting.

Som et resultat har faststoffbatterier (SSB) dukket opp som et alternativ til flytende batterier (LSB), som bruker faste elektrolytter for å unngå lekkasje eller gassutslipp.

I tillegg til økt sikkerhet gir slike batterier også fordeler som miniaturisering, lett vekt, raskere lading, utmerket pakkings‑effektivitet, drift over et bredt temperaturområde og lang holdbarhet.

Faststoffbatterier er imidlertid ikke en ny oppdagelse. De ble først introdusert på 1800‑tallet, men til tross for sin lange eksistens har de ikke oppnådd bred anvendelse. Dette endrer seg nå med den økende trenden mot elektrifisering og behovet for bedre og sikrere alternativer til de mye brukte Li‑ion‑batteriene. 

Midt i den fornyede interessen for teknologien optimaliserer forskere faststoffbatterier gjennom en flerfasettert tilnærming som fokuserer på materialer, struktur og grensesnittdesign, samt utnytter datadrevne AI‑teknikker. 

Pågående arbeid med å forbedre SSB‑er

Forskere over hele verden jobber hardt med å forstå og forbedre faststoffbatterier for å drive fremtiden. Noen nylige, fremtredende studier innen dette feltet er som følger:

Dekoding av SSB‑er

Forskere fra University of Missouri foretok en grundig undersøkelse av problemer med faststoffbatterier og måter å overvinne dem på for å hjelpe SSB‑er bli en realitet.

De brukte 4D skannende transmisjons‑elektronmikroskopi (STEM) for å analysere batteriets atomstruktur uten å demontere det, og oppdaget at interfaselagget var kilden til problemet.

I SSB‑er fører en fast elektrolytt som berører katoden til en reaksjon som danner et 100 nm tykt interfaselag. Selv om dette laget er 1 000 ganger tynnere enn et enkelt hår, blokkerer det den sømløse overføringen av litiumioner og elektroner, noe som øker motstanden og svekker batteriytelsen.

Etter å ha gjort denne oppdagelsen planlegger assisterende professor Matthias Young nå å teste om hans labs spesialitet, tynne filmer laget med en prosess kalt oksidativ molekylær lagdeponering (oMLD), kan danne beskyttende belegg og hindre at den faste elektrolytten og katodematerialene reagerer med hverandre. 

«Beleggene må være tynne nok til å forhindre reaksjoner, men ikke så tykke at de blokkerer litium‑ion‑flyten», sa han. «Vi har som mål å bevare de høyytelses egenskapene til den faste elektrolytten og katodematerialene. Målet vårt er å bruke disse materialene sammen uten å ofre ytelsen for kompatibilitetens skyld.»

Utforsking av LLZO‑s potensial som fast elektrolytt i SSLMB

En nylig studie av forskere ved Tohoku University evaluerte garnet‑type faste elektrolytter for fast‑stoff litium‑metallbatterier (SSLMB), som anses som en lovende teknologi på grunn av deres potensial for forbedret energiytelse og sikkerhet.

Den fant at energitetthetsfordelene som forventes fra disse batteriene faktisk kan være overdrevet. 

Ifølge denne studien gir en hel‑fast‑stoff litium‑metallbatteri (ASSLMB) med den ledende faste elektrolyttkandidaten LLZO (litium‑lanthanum‑zirkonium‑oksid) kun en marginal økning i energitetthet sammenlignet med dagens Li‑ion‑batterier, samtidig som den medfører høye produksjonskostnader og produksjonsutfordringer.

Ifølge studien vil ASSLMB oppnå en gravimetrisk energitetthet på 272 Wh/kg sammenlignet med Li‑ion‑s 250‑270 Wh/kg, noe som gjør kvasi‑fast‑stoff elektrolytter til mer levedyktige alternativer.

«Alle‑fast‑stoff litium‑metallbatterier har blitt sett på som fremtiden for energilagring, men vår studie viser at LLZO‑baserte design kanskje ikke gir den forventede spranget i energitetthet. Selv under ideelle forhold er gevinstene begrensede, og kostnadene og produksjonsutfordringene er betydelige.»

– Hovedforfatter av studien Eric Jianfeng Cheng fra WPI‑AIMR, Tohoku University

Selv om den verdsettes for sin ionledningskapasitet og stabilitet, stilte en omfattende modellering av et praktisk LLZO‑basert batteri spørsmål ved ideen om at den betydelig øker energitettheten. Selv med en ultratynn LLZO‑keramisk separator og en høy‑kapasitetskathode, finner studien at batteriets ytelse kun er litt bedre enn de beste konvensjonelle litium‑ion‑cellene.

LLZO‑s tetthet er hovedproblemet her, da den øker cellemassen og reduserer forventede energifordeler. Deretter er materialets sprøhet, problemer med litium‑dendritter, utfordringer med å fremstille feilfrie tynne ark, og hulrom ved grensesnittet, som alle kompliserer storskalig implementering. Ifølge Cheng:

«LLZO er et utmerket materiale fra et stabilitetsperspektiv, men dets mekaniske begrensninger og vektstraff skaper alvorlige hindringer for kommersialisering.»

Her viste kombinasjonen av materialet med gel‑ eller polymerbaserte elektrolytter bedre langsiktig stabilitet.

Oppdage lovende faste elektrolytter

Forskere fra Tokyo University of Science oppdaget også nye materialer for sikre, høy‑ytelses SSLIB‑er.

«Å lage hel‑fast‑stoff litium‑ion sekundærbatterier har vært en lenge holdt drøm for mange batteriforskere», sa professor Kenjiro Fujimoto, som bemerket at de har oppdaget en oksid‑fast‑stoff elektrolytt, som er en nøkkelkomponent i ASSLIB‑er. 

Materialet (Li1.25La0.58Nb2O6F) er svært stabilt og viser total ionledningskapasitet på 3,9 mS cm⁻¹ ved romtemperatur, noe som er høyere enn tidligere rapporterte oksid‑faste elektrolytter, samtidig som det har ekstremt lav aktiveringsenergi.

I tillegg vil det ikke antennes dersom det blir skadet, noe som gjør det nye materialet egnet for applikasjoner hvor sikkerhet er kritisk. Brukbart ved høye temperaturer og støtter rask lading, gjør det også passende for høy‑kapasitetsapplikasjoner som EV‑er.

«Bruken av dette materialet er lovende for utviklingen av revolusjonerende batterier som kan operere i et bredt temperaturområde, fra lavt til høyt.»

– Prof. Fujimoto

I mellomtiden, sent i fjor, utviklet forskere fra Osaka Metropolitan University Na2.25TaCl4.75O1.25 som en ny fast elektrolytt.

Forskerne hadde tidligere utviklet den faste elektrolytten NaTaCl6, som er en kombinasjon av natriumklorid og tantalumklorid. Denne gangen la teamet til tantalumpentoksid (Ta2O5), noe som hjalp dem med å oppnå høy ledningsevne ved romtemperatur. 

Den viser også høy formbarhet samt høyere elektro‑kjemisk stabilitet enn konvensjonelle klorider.

«Resultatene av denne forskningen forventes å gi et betydelig bidrag til utviklingen av sammensatte faste elektrolytter, i tillegg til de glass‑ og krystall‑faste elektrolyttene som er utviklet til dags dato.»

– Assisterende professor Kota Motohashi fra Graduate School of Engineering

De fokuserer nå på å illustrere den ioniske ledningsmekanismen i sammensatte faste elektrolytter samt utvikle flere materialer.

Endring av strukturen, fjerning av komponentene

Forskere ved University of Illinois Urbana‑Champaign fant imidlertid at en helikal struktur betydelig økte ledningsevnen til fast‑stoff peptidpolymer‑elektrolytter sammenlignet med “random coil” motparter, med lengre spiraler som fører til høyere ledningsevne. I tillegg øker den helikale strukturen materialets generelle stabilitet mot spenning og temperatur.

«Vi introduserte konseptet med å bruke sekundærstruktur – heliksen – for å designe og forbedre den grunnleggende materialegenskapen ionledningskapasitet i faste materialer.»

– Studieleder professor Chris Evans

Dette er den samme heliksen som finnes i peptider i biologi. Å være laget av peptider betyr at når batteriet når slutten av sin nyttige levetid, kan materialet brytes ned til individuelle monomerenheter ved bruk av syre eller enzymer, og startmaterialene kan deretter gjenvinnes og gjenbrukes, noe som gjør det miljøvennlig.

I en annen interessant studie skapte forskere det første anode‑frie natrium‑fast‑stoffbatteriet med stabil sykluser i flere hundre sykluser. Det rimelige, høy‑kapasitets, hurtigladende batteriet kan bidra til å dekarbonisere økonomien.

Fjerning av anoden krevde en innovativ arkitektur, så teamet laget en strøm‑samler ved bruk av aluminiumpulver, som, selv om den er fast, kan flyte som en væske, og som omringet elektrolytten.

«Natrium‑fast‑stoffbatterier blir vanligvis sett på som en fjern‑i‑fremtiden‑teknologi, men vi håper at dette papiret kan gi mer drivkraft til natrium‑området ved å demonstrere at det faktisk kan fungere bra, til og med bedre enn litium‑versjonen i noen tilfeller.»

– Første forfatter Grayson Deysher, en PhD‑kandidat ved UC San Diego

På tide å bruke AI for å finne de beste faste elektrolyttkandidatene raskt

Midt i denne omfattende pågående forskningen på ulike aspekter av faststoffbatterier, spesielt elektrolytter, for å forbedre dem og fremme adopsjon, bruker forskere nå kunstig intelligens.

Elektrolytt er en av de mest kritiske batterikomponentene. Den overfører ladningsbærende partikler kalt ioner frem og tilbake mellom batteriets to elektroder, noe som får batteriet til å lade og avlade. 

Derfor er fokuset på å forbedre ytelsen til den faste‑stoff elektrolytten (SSE), som innebærer å øke ionledningskapasitet, stabilitet og sykluseliv. Imidlertid har begrensningene i dagens materialer gjort det vanskelig å oppnå disse forbedringene. 

Å overvinne disse utfordringene krever utvikling av høy‑ytelses SSE‑materialer, som vil låse opp det fulle potensialet til faststoffbatterier.

Metalloksider og sulfider er noen av de mest studerte materialene som lovende SSE‑er. Her er det spesielt gunstig å se på hydrider som SSE‑er som viser høy redoks‑ og mekanisk stabilitet samt gjennomsnittlig divalent ionledningskapasitet ved romtemperatur.

Med sin høye ionledningskapasitet og lave aktiveringsenergi har hydrider vist stort løfte i SSE‑utvikling. Metallhydrider, på sin side, tilbyr særskilte fordeler på grunn av den lette massen til hydrogenatomer.

Imidlertid presenterer den lette vekten av hydrogen og den komplekse oppførselen til divalent hydrider utfordringer i syntese og strukturell karakterisering, noe som fremhever begrensningene i dagens eksperimentelle teknikker.

Utfordringen her er at eksperimentell SSE‑oppdagelse avhenger av ineffektive, tidkrevende prøving‑og‑feiling‑metoder. For å løse dette trenger vi beregningsassistert forskning for å forstå ionmigrasjonsmekanismer og oppdage nye faste‑stoff elektrolytter.

Saken er at teoretiske tilnærminger ofte gir mer systematiske og raskere måter å utforske materialegenskaper på. I tillegg finnes fremskritt innen store språkmodeller (LLM‑er), som ytterligere forbedrer datadrevne metoder og forbedrer teoretiske prediksjoner.

Likevel er det utfordrende å oppnå høy nøyaktighet i teoretiske metoder på grunn av kompleksiteten i SSE‑materialene. Fokuset i nåværende forskning på ett enkelt materiale eller metode begrenser også den omfattende forståelsen av SSE‑er.

Så, hvordan kan vi bedre bruke teoretisk innsikt til å designe mer effektive eksperimenter? Og hvilken type optimal arbeidsflyt kombinerer sømløst teoretisk modellering med eksperimentell validering? Svaret ligger i å kombinere beregnings‑ og eksperimentell informasjon.

For å komme forbi hindringene med divalent SSE‑er, som viser betydelig løfte for høy‑ytelses All‑Solid‑State‑Batterier (ASSB‑er), utviklet forskere i en ny studie en integrert arbeidsflyt som kombinerer datagjennomsøking, AI‑drevet analyse, maskinlærings‑regresjon, global struktur‑søking, ab initio metadynamikk (MetaD)‑simuleringer og teori‑eksperiment‑benchmarking.

Denne forskningen har som mål å forbedre vår forståelse av divalent SSE‑er og tilby en robust ramme for å forutsi og designe nye SSE‑kandidater. Til gjengjeld vil den akselerere oppdagelsen av optimaliserte SSE‑alternativer for å fremme levedyktige energilagringsteknologier.

Klikk her for å lære om Princetons banebrytende faststoffbatteriteknologi.

Mot neste generasjons SSB‑er for bærekraftige energiløsninger

For å lykkes med å bygge kraftigere og bærekraftige faststoffbatterier, har forskerne ved Tohoku University bygd en datadrevet AI‑ramme¹. 

I motsetning til den tradisjonelle tilnærmingen, som innebærer å teste hvert materiale og deretter sette opp veier én etter én, identifiserer denne rammen potensielle faste‑stoff elektrolytt‑kandidater (SSE) som kan være «den ene» for å skape den ideelle bærekraftige energiløsningen.

Modellen som er utviklet velger ikke bare optimale kandidater, men kan også forutsi hvordan reaksjonen vil foregå. I tillegg forklarer den hvorfor en bestemt kandidat er et godt valg ved å gi innsikt i potensielle mekanismer, og hjelper forskere i gang allerede før de går inn i laboratoriet.

Professor Hao Li fra Advanced Institute for Materials Research bemerket:

«Modellen gjør i hovedsak alt prøving‑og‑feiling‑arbeidet for oss. Den trekker fra en stor database fra tidligere studier for å søke gjennom alle potensielle alternativer og finne den beste SSE‑kandidaten.»

Det avanserte AI‑rammeverket fra teamet integreres med den store språkmodellen (LLM), en type maskinlæringsmodell som er forhåndstrent på enorme mengder data. LLM‑er er kjent for sin store evne til å behandle, forstå og generere menneskelig språk.

Ved å innlemme andre datadrevne teknikker, trekker den prediktive modellen fra både beregnings‑ og eksperimentelle data. På denne måten gir studien forskerne et solid alternativ med det mest vellykkede utfallet.

I tillegg til å bidra til å fremskynde utviklingen av høy‑ytelses, bærekraftige faststoffbatterier, har studien også som mål å forstå de komplekse struktur‑ytelses‑relasjonene til SSE‑er. Dette forholdet omfatter faktorer som ionledningskapasitet, stabilitet og kompatibilitet med elektroder, og undersøkes ofte gjennom beregningsmodellering, eksperimentell analyse og datadrevne tilnærminger.

Modellen bygget av teamet forutsier også aktiveringsenergi, fastslår stabil krystallstruktur, og forbedrer den overordnede arbeidsflyten for forskere. Studien viser at MetaD er en fremragende beregningsmetode, med betydelig samsvar med eksperimentelle data for komplekse hydride‑SSE‑er.

Forskere har også identifisert et nytt ionoverføringssystem. “To‑trinns”‑mekanismen er oppdaget i både SSE‑er som oppstår fra integrering av nøytrale molekyler.

Dermed, ved å kombinere funksjonsanalyse med multippel lineær regresjon, klarte teamet å utvikle presise prediktive modeller for rask evaluering av hydride‑SSE‑ytelse. Enda viktigere gjør rammen det mulig å forutsi kandidatstrukturer nøyaktig uten å være avhengig av eksperimentelle innspill. 

Alt i alt gir studien verdifulle innsikter samt avanserte metodologier for effektiv design og optimalisering av neste generasjons faststoffbatterier.

Men dette er bare de innledende stegene mot å bygge bærekraftige energiløsninger, med teamet som planlegger å utvide rammeverkets anvendelse på tvers av ulike elektrolyttfamilier. Teamet forventer faktisk at generative AI‑verktøy vil være nyttige i å undersøke ionmigrasjonsveier og reaksjonsmekanismer, og dermed forbedre plattformens prediktive kapasitet.

Investere i markedet for faststoffbatterier

Når det gjelder et investerbart selskap i det fremadstormende markedet for faststoffbatterier, er QuantumScape i front som en viktig aktør med fokus på litium‑metall‑teknologi. Dens proprietære faste‑stoff keramiske separator er designet for å forbedre energitetthet, ladehastighet og sikkerhet, samtidig som den forhindrer kritiske problemer som dendritt‑dannelse, som har begrenset adopsjonen av litium‑metall‑anoder.

QuantumScape Corporation (QS )

Utvikling av SSB‑teknologi for EV‑er og med mål om å bli en originalutstyrsprodusent (OEM), har QuantumScape Corporation allerede sikret partnerskap med den store bilprodusenten Volkswagen Group og dets datterselskap, PowerCo.

Selv om selskapet møter utfordringer med kommersialisering, forblir QuantumScape et stort navn i dette feltet. I fjor begynte de å produsere prøver av sine ulike SSB‑produkter og planlegger å lage enda flere i år.

Med en markedsverdi på 2,2 milliarder dollar, handles QS‑aksjer for øyeblikket til $3,90, ned mer enn 25 % år‑til‑dato. EPS (TTM) er -0,91, og P/E (TTM) er -4,30.

For Q1 2025 rapporterte selskapet kapitalutgifter på 5,8 millioner dollar, GAAP driftskostnader på 123,6 millioner dollar, og et GAAP netto tap på 114,4 millioner dollar. Det avsluttet kvartalet med 860,3 millioner dollar i likviditet, og kontantstrømmen forventes å vare inn i andre halvdel av 2028.

I år har selskapet som mål å bringe Cobra‑separatorprosessen inn i basisproduksjon, forbedre kvaliteten og produksjonen av QSE‑5‑prøver, og sende QSE‑5‑celler for å demonstrere deres eksepsjonelle ytelses­kapasiteter i en virkelig applikasjon.

Siste nyheter om QuantumScape Corporation

Konklusjon

Ettersom batterier spiller en nøkkelrolle i å drive elektronikk, EV‑er og energisystemer, er det behov for utvikling av neste generasjons energimaterialer for å skape en bærekraftig fremtid. Mens faststoffbatterier tilbyr en lovende løsning, møter deres utvikling betydelige tekniske utfordringer. Det SSB‑utviklingen trenger forbedring av ytelsen til den faste elektrolytten (SSE).

Derfor vil den intense forskningen rundt SSE‑er akselerere i et raskere tempo takket være den nye datadrevne AI‑modellen. Drevet av enorme datasett og avanserte simuleringsmetoder, hjelper rammen forskere med å identifisere og optimalisere SSE‑er med enestående hastighet og nøyaktighet. Denne sammensmeltingen av materialvitenskap og maskinlæring viser et enormt potensial for å levere høy‑ytelses og bærekraftige faststoffbatteriløsninger som driver den rene energifremtiden.

Klikk her for en liste over de beste faststoffbatteri‑aksjene.

Studier referert til:

1. Wang, Q., Yang, F., Wang, Y., Zhang, D., Sato, R., Zhang, L., Cheng, E. J., Yan, Y., Chen, Y., Kisu, K., Orimo, S., & Li, H. (2025). Avdekke kompleksiteten i divalente hydride‑elektrolytter i faststoffbatterier via en datadrevet ramme med stor språkmodell. Angewandte Chemie International Edition, 64(22), e202506573. https://doi.org/10.1002/anie.202506573