Batterigjennombrudd bringer faststoffvarianter ett skritt nærmere virkeligheten

Faststoffbatterier for å oppnå dominans i elbiler

While lithium-ion batteries have become the dominant solution for EV battery systems, they suffer from a few limitations.

En av dem er fortsatt ikke så høy energitetthet, og en annen er et sikkerhetsproblem knyttet til vekst av dendritter som gjennomborer batteriet, og elektrolytten som noen ganger tar fyr.

Kilde: Nobel Prize

Begge problemene forventes å bli redusert med faststoffbatterier, som fjerner behovet for elektrolytter og risikoen for dendritter.

Toyota spår at bruken av disse faststoffbatteriene vil starte i 2027, og generelt ser det ut til å være en solid kandidat for fremtidens mobilitet.

Likevel vedvarer noen problemer, spesielt med den garnett-typen faststoffelektrolytten, også kjent som Li7La3Zr2O12 eller LLZO (se nedenfor).

Det er derfor gode nyheter at fire forskere ved McGill University i Canada kunngjorde at de har laget et nytt LLZO-design som kan levere økt energimengde. De publiserte resultatene i Cell Reports Physical Science i en artikkel med tittelen 4,8-V helt faststoff garnettbaserte litium-metallbatterier med stabil grensesnitt.

Faststoffelektrolytt

LLZO

Det blir ofte sagt at faststoffbatterier ikke trenger elektrolytter. Dette er teknisk korrekt når man refererer til den flytende elektrolytten som vanligvis brukes i litium-ion-batterier.

Men selvfølgelig trenger enhver batteri fortsatt en slags bro mellom anoden og katoden for å fungere. Det finnes tre typer faststoffelektrolytter (SE): keramiske, polymerbaserte og sammensatte SE (CSE).

De sammensatte faststoffelektrolyttene (CSE) blander polymer-SE med ionisk ledende uorganiske fyllstoffer som Li7La3Zr2O12 (LLZO) for å lette litiumiontransport.

Selv om denne metoden er ideell for høyspenningsdrift i kompakte batterier, lider den av dårlig kontakt med elektroden, noe som reduserer den samlede effektiviteten.

Porøs LLZO

Det forskerne oppdaget, er at LLZO kan lages som en porøs keramisk membran, i stedet for den vanlige tynnplaten. På mer teknisk språk:

Her designer vi en svært ledende og grensesnittvennlig garnettbasert sammensatt faststoffelektrolytt (CSE) bestående av en kubisk Li6.1Al0.3La3Zr2O12 porøs ramme og polyvinyliden difluorid (PVDF) med en tredimensjonal kontinuerlig struktur.

Visuelt blir dette en svært kompleks 3D-struktur full av små hull på mikroskopisk skala:

Kilde: Cell

Dette skaper mye overflateskontakt for litiumionene, samtidig som det gir sterk vedheft til elektroden.

Kilde: Cell

Mer stabile og holdbare batterier

Faststoffbatterier er generelt mye kraftigere og har høyere energitetthet enn litium-ion-batterier. Men de har vært vanskelige å produsere i stor skala slik at de kan vare mange lade‑utladningssykluser uten å miste kapasitet.

Forskerne testet derfor batteriene for å se om elektrogrensesnittet de hadde laget var så robust som de forventet.

Etter 200 sykluser studerte de det under mikroskop og fant ingen tegn på nedbrytning, som sprekker, delaminering osv.

Kilde: Cell

Alt i alt viser batteriprototypen utmerket motstand, spesielt mot dannelse av dendritter.

Li‑Li symmetriske celler basert på den keramiske CSE kan sykle stabilt i 1 000 t for 0,1 og 0,5 mA cm⁻², noe som indikerer utmerket elektrokjemisk stabilitet mot Li‑metall og selv Li⁺‑deponering (dendrittundertrykkelse).

Bedre sikkerhetsprofil

Den drastisk reduserte dendrittdannelsen, samt fraværet av brannfarlige elektrolytter, bør bidra til å øke sikkerheten til litiumbatterier betydelig.

Siden tykkelsen på den keramiske CSE kun er 125 μm, gjør dette også teknologien svært konkurransedyktig for å lage svært energitetthetsrike faststoffbatterier.

Det bør også bemerkes at selv om det ikke er enkelt, krever teknikken som brukes for å lage den forbedrede LLZO ikke sjeldne metaller, sjeldent maskineri eller komplekse trinn som er utenfor det vanlige i batteriproduksjon.

Kilde: Cell

Alt i alt bør dette være et viktig steg i å ytterligere forbedre egenskapene til faststoffbatterier på alle viktige områder: stabilitet, sikkerhet, energitetthet og produksjonsvennlighet.

Vinner faststoffbatterier?

Det betyr ikke at faststoffbatterier med sikkerhet vil bli den nye standarden for elbilbatterier i de kommende årene.

Litium‑ion‑batterier kan også klare å konkurrere. Dette er hovedsakelig knyttet til forbedringer i designet, med lignende nanoporer som hjelper med å redusere dendrittdannelse.

Spesielt kan honningkake‑batterier utviklet av den globale batteriprodusenten CATL oppnå en sikkerhetsprofil og energitetthet som ligner på noen faststoffbatterier.

Alt i alt ser det ut til at en dypere forståelse av batterimaterialer, spesielt på mikro‑ og nanoskala, samt bruken av nanoporer, vil være veien videre for å fortsette å forbedre batteriytelsen og fjerne risikoen for dendrittdannelse for godt.

Investere i batteriteknologi

Litiumbatterier har allerede endret verden flere ganger, fra å gjøre det mulig for folk å bære avansert elektronikk overalt til å drive biler kun med elektrisitet.

De kan fortsatt gjøre det igjen, eller andre batterityper, ved å muliggjøre et 100 % fornybart strømnett eller ved å elektrifisere fly når de oppnår tilstrekkelig høy energitetthet.

Du kan investere i batterirelaterte selskaper gjennom mange meglere, og du kan her på securities.io finne våre anbefalinger for de beste meglerne i USA, Canada, Australia, Storbritannia, samt mange andre land.

Hvis du ikke er interessert i å velge spesifikke batteriselskaper, kan du også se på biotek-ETF-er som Amplify Lithium & Battery Technology ETF (BATT), Global X sin Lithium & Battery Tech ETF (LIT), eller WisdomTree Battery Solutions UCITS ETF, som gir en mer diversifisert eksponering for å dra nytte av den voksende batteribransjen.

Faststoffselskaper

Lenge forventet å være ett av de første selskapene som tar faststoffbatterier på markedet, har QuantumScape (QS ) vært i frontlinjen av utviklingen av denne teknologien.

QuantumScape‑batterier bruker litiummetall, anode‑frie batterier.

Anode‑frie batterier lagrer i stedet ionene i en elektrokjemisk avsetning av alkalimetall direkte på strømlederen. Dette gir høyere celle‑spenning, lavere cellekostnad og økt energitetthet.

Kilde: QuantumScape

(vi diskuterte også konseptet med anode‑frie batterier i sammenheng med natriumbatterier i «Anode-Free Sodium Solid-State Batteries Could Reduce Reliance on the ‘Lithium Triangle’»).

QuantumScape har imidlertid jevnlig utsatt den forventede datoen for masseproduksjon av sine batterier, noe som demper den innledende entusiasmen blant investorer i selskapet.

Dette kan endre seg med noen nøkkelutviklinger i 2023 & 2024:

• Forbedring av konsistens og kvalitet i produksjonen.
• Forbedring av emballasjedesign, inkludert tettere interne marginer, tynnere strømledere og en slankere ramme.
• Sendte enheter med høy katodebelastning til bilprodusent‑OEM‑partnere.
• Kunngjorde lanseringen av QSE-5, selskapets første kommersielle produkt, med en potensiell lanseringskunde i bilsektoren.

Alt i alt ser QuantumScape ut til å være den klart mest modne faststoffselskaper når det gjelder batteriets holdbarhet.

Kilde: QuantumScape

Avtale med Volkswagen

Enda viktigere viser selskapet reell fremgang i å etablere et partnerskap med Volkswagen, verdens 2^nd største bilprodusent.

I juli 2024, QuantumScape signerte med Volkswagen en avtale om samarbeid om produksjon av battericeller basert på QSE‑5‑design.

Lisensen vil tillate PowerCo å produsere og selge bilbatterier på opptil 40 GWh årlig, med mulighet for ytterligere 40 GWh.

Dette er en ikke‑eksklusiv, royalty‑basert IP‑lisens, som gjør det mulig for QuantumScape å fortsette å selge til andre potensielle kunder.

Kanskje enda viktigere for å dempe investorers bekymringer om selskapet, vil den også gi et innledende royaltygebyr på 130 millioner dollar, som krediteres mot fremtidige royaltyer, betalt av PowerCo, Volkswagens batterisubsidiær.

Dette gir selskapet ytterligere 18 måneder med likviditet sammenlignet med tidligere veiledning, og strekker seg godt inn i 2028 nå.

Det bør være mer enn nok tid til å øke produksjonen og begynne å registrere solide inntekter.

Så lenge QuantumScape‑batteriene presterer tilstrekkelig, bør de kunne finne sin nisje i markedet ved siden av batterier produsert av større selskaper som CATL, BYD og Panasonic.

Med tanke på at Volkswagen sannsynligvis har testet sine egne QuantumScape‑prototyper grundig og studert produksjonsopptrappingen, virker den nylige avtalen som en solid godkjenning av selskapets teknologi.

Kilde: QuantumScape

I tillegg ser den parallelle 2027‑fristen fra Toyota for kommersialisering av faststoffbatterier ut til å indikere at etter mange falske starter, er teknologien nå på et punkt hvor den er moden nok.