Hydrogenbatterier som fungerer i kulde

Engang sett på som enkle strømkilder, står batterier i dag i hjertet av verdens renenergirevolusjon som en av de raskest voksende teknologiene som former vår fremtid.

Blant batterityper er litium‑ion‑batterier det foretrukne valget for å drive alt fra mobiltelefoner til elektriske kjøretøy (EV).

Li‑ion‑batterier dukket først opp kommersielt tidlig på 1990‑tallet, men etterspørselen etter dem vokste eksponentielt det siste tiåret, fra bare 0,5 gigawatt‑timer (GWh) i 2010 til omtrent 526 GWh ti år senere.

En nesten 90 % nedgang i litium‑ion‑batterikostnader, fra omtrent $1 400 per kWh i 2010 til $140 per kWh i 2023, kombinert med fremskritt i energitetthet og sykluseliv, har styrket deres dominans i elektriske kjøretøy og energilagringsapplikasjoner.

Et stort problem med oppladbare batterier som litium‑ion‑celler er imidlertid at de ikke liker kulde.

Hvorfor batterier svikter i kulde (og hvordan ingeniører løser det)

Batterier presterer dårlig i kalde forhold. Dette skyldes deres interne elektrokjemiske reaksjoner som bremser ned ved under null grader.

De fleste batterier har tre hoveddeler:

• Elektroder
• Elektrolytt
• Separator

Det er to elektroder i et batteri, og begge er laget av ledende materialer. En elektrode, kjent som katoden, er koblet til batteriets positive ende, og dette er hvor den elektriske strømmen forlater batteriet under utlading. Den andre elektroden, kjent som anoden, er koblet til batteriets negative ende, og dette er hvor den elektriske strømmen går inn i batteriet under utlading. 

De to holdes adskilt ved hjelp av separatoren for å forhindre kortslutning. Mellom disse elektrodene er en flytende elektrolytt som inneholder elektrisk ladede partikler, eller ioner. Ved å kombinere med materialene som utgjør elektrodene, fremkaller elektrolytten kjemiske reaksjoner som gjør at et batteri kan generere en elektrisk strøm.

I tilfellet med Li‑ion‑batterier er elektrolytten vanligvis et litiumsalt i løsning som overfører ladningsbærende partikler (ioner) mellom batteriets elektroder. Men når det er kaldt, bremser ionene ned og kan ikke fungere riktig med elektrodene, noe som påvirker batteriets evne til å generere like mye strøm før det tømmes. 

Dessuten, hvis for mye litium avsettes på en elektrode, kan det føre til kortslutning og forårsake brann.

Så påvirker kaldt vær batterilevetiden kraftig. Både effektiviteten og den brukbare kapasiteten til et batteri reduseres betydelig. En AAA‑undersøkelse fra i fjor viste at rekkevidde‑nedgangen om vinteren og bekymringer om langsommere lading har bidratt til at fremdriften for el‑biler avtar.

For å overvinne dette problemet har selskaper over hele verden arbeidet med nye og bedre batterikjemi.

For eksempel kunngjorde den kinesiske batterigiganten CATL den andre generasjonen av sitt natrium‑ion‑batteri, som kan levere strøm ved temperaturer så lave som minus 40 grader Celsius og har forbedrede sikkerhetstiltak, med mål om å overgå 200 watt‑timer per kilogram i energitetthet.

Selv om natrium‑ion‑batterier sies å være tryggere og mer motstandsdyktige mot kulde enn Li‑ion‑batterier, har de lavere energitetthet og høyere produksjonskostnader.

Samtidig utviklet ingeniører ved University of Michigan en modifisert produksjonsprosess¹ for EV‑batterier som gjør det mulig med høy rekkevidde og rask lading i kaldt vær.

Teamet laget kanaler på 50 mikrometer i anoden og påførte et 20 nm tykt belegg av et glassaktig materiale laget av litiumborat‑karbonat for å hindre dannelse av litiumplating på batteriets elektroder. Li‑ion‑EV‑batterier laget med disse modifikasjonene kan lades 500 % raskere ved 14 °F (-10 °C) og beholder 97 % av kapasiteten selv etter 100 raske ladinger ved slike kalde temperaturer.

«For første gang har vi vist en vei til samtidig å oppnå ekstremt rask lading ved lave temperaturer, uten å gå på kompromiss med energitettheten i litium‑ion‑batteriet.»

– Medforfatter Neil Dasgupta, U‑M associate professor i maskinteknikk og materialvitenskap og -ingeniør

Andre optimaliserer elektrolyttformuleringer og modifiserer anodematerialer, bygger spesialisert batteriteknologi, innlemmer tykkere isolasjon med innebygde varmeelementer, foreslår temperaturkontrollert smartlading², og presenterer en prediktiv kontrollalgoritme³ for å justere batteritemperaturen, blant andre løsninger.

Midt i disse pågående fremskrittene innen materialer, elektrolytter og andre teknologier for å takle utfordringene batterier møter i kaldt vær, utforsker forskere også alternative energilagringssystemer som hydrogenbaserte batterier.

Hydrogenbatterier: Hvordan de fungerer og hvorfor de er viktige

Hydrogen er en ren energikilde som, når den brukes i en brenselcelle, kun produserer vann. Det er en energibærer som kan lagre og levere energi generert fra andre kilder.

The most abundant chemical element in the universe, hydrogen can be produced from natural gas, biomass, and nuclear power, as well as from renewable sources like wind and solar.
This colorless, odorless, and highly flammable gas is also a key component of water and all organic compounds.
Sveip for å rulle →

Hydrogen er faktisk en nøkkelkomponent i solen. Det blir omdannet til energi gjennom prosessen med kjernefysisk fusjon i kjernen. Under enormt trykk og varme smelter hydrogenatomer sammen til helium, og frigir enorme mengder energi. Denne energien beveger seg deretter utover gjennom solens lag og stråler ut i rommet som lys og varme. 

På jorden er hydrogen et attraktivt drivstoffalternativ og gir lengre batterilevetid sammenlignet med litium‑ion‑batterier. 

For å evaluere de tekniske og økonomiske ytelsene til et hydrogenbatterilagringssystem og et litium‑ion‑batteri, vurderte forskere fra University of New South Wales (UNSW) vurderte⁴ to kommersielt tilgjengelige systemer, LAVO og Tesla (TSLA ) Powerwall 2. De fant at førstnevnte har større energitap. 

Imidlertid ble hydrogenbatterier funnet å ha mindre kapasitetsnedbrytning og høyere energitetthet enn litium‑ion‑batterier, noe som gjør at de kan lagre mer energi over lengre tid. Deres evne til å tåle 18 % flere lade‑utladningssykluser enn Li‑ion‑batteriet gjør dem «egnet for fjernapplikasjoner som krever forlengt energilagringsvarighet».

En separat studie fra University of Science and Technology of China (USTC) utviklet et nytt kjemisk batterisystem⁵ for en tryggere, mer bærekraftig fremtid for batteridrevne systemer.

Mens nåværende hydrogenbaserte batterier bruker H₂ som katode, noe som begrenser spenningsområdet og energilagringskapasiteten, foreslo USTC‑forskningsgruppen å bruke den som anode. Gruppen utviklet en prototype med en litium‑anode, en fast elektrolytt og et platina‑belagt gassdiffusjonslag som fungerer som hydrogen‑katode.

Gruppen rapporterer en teoretisk spesifikk energi på opptil 2 825 Wh/kg, en ~3 V utlading, og 99,7 % rundturseffektivitet i deres Li‑H‑konfigurasjon — noe som indikerer stort potensial, selv om 2 825 Wh/kg‑tallet ikke er en realisert pakke‑nivå‑måling.

For å forbedre kostnadseffektiviteten bygde gruppen et Li‑H‑batteri uten anode. Her ble litiumavsetning hentet fra litiumsalter under lading. Den forbedrede versjonen muliggjør effektiv litiumplating og -fjerning og fungerer stabilt selv ved lave hydrogenkonsentrasjoner, og reduserer dermed avhengigheten av høytrykks‑hydrogenlagring.

Sammenlignet med vanlige nikkel‑hydrogen‑batterier gir Li‑H‑systemet forbedret energitetthet og effektivitet, og åpner for fremtidige utforskninger av Li‑H‑batteriteknologiapplikasjoner.

Til tross for de mange fordelene med hydrogen for ren energilagring, er lagring ikke enkelt. Faktisk er lagring en stor utfordring ved bruk av hydrogen.

Ba–Ca–Na‑hydrid‑elektrolytten som låser opp lavtemperatur‑hydrogenlagring

Storing av hydrogen krever enten ekstremt lave temperaturer (−252,8 °C) eller høyt trykk (350 til 700 bar), eller begge deler. Å lagre det i fast form unngår sikkerhetsrisikoene knyttet til høytrykks gassbeholdere, men møter materialbegrensninger ved lave temperaturer.

For å løse dette utforsket forskere fra Institute of Science Tokyo (Science Tokyo) hydrid‑ion‑mediert elektrokjemisk hydrogenlagring, noe som førte dem til å oppdage en lovende hydrid‑ion‑ledende fast elektrolytt⁶ fra et barium‑, kalsium‑ og natrium‑hydrid‑system.

Kombinering av ioner av ulike størrelser har blitt rapportert å ha superionisk ledningsevne, og i jakten på dette kombinerte forskerne sine ioner: BaH₂‑CaH₂‑NaH.

Den resulterende faste elektrolytten, anti‑α‑AgI‑type Ba0.5Ca0.35Na0.15H1.85, har fantastisk elektrokjemisk stabilitet og ledningsevne for hydrid‑ioner (H–). 

Det er bemerkelsesverdig at elektrokjemisk stabilitet faktisk tillater fleksibel kobling med mange metall‑hydrid‑elektroder. Så fungerer elektrolytten godt med flere metall‑hydrogen‑elektroder, som titan‑hydrid og magnesium‑hydrid (MgH₂), og muliggjør høykapasitets, reversibel hydrogenlagring ved lave temperaturer.

I innledende eksperimenter testet forskerne sin elektrolytt i et system hvor den ble plassert mellom TiH₂ (titan‑dihydrid er en forbindelse av titan og hydrogen) og titan‑referanseelektroder, samt aketylen‑svart og molybden‑strømsamlere. 

Dette gjorde det mulig for forskerne å finne den faste elektrolyttens stabile potensialvindu, som er det beste som noen gang er rapportert.

En høy H–‑ledningsevne ble også rapportert av forskerne, som skyldtes elektrolyttens kroppssentrerte kubiske (bcc) struktur. Denne strukturen har lavere pakketetthet, som gir «en åpen bane for iontransport». Høyt polariserbare kationer i rammen bidro også til den høye ionledningsevnen.

Deretter, for å teste elektrolyttens hydrogenlagringsevne, produserte forskerne en celle med MgH₂.

MgH₂ er en kjemisk forbindelse som studeres for hydrogenlagring på grunn av sin høye kapasitet og lave kostnad. Dette materialet kan integreres i et batteriliknende system hvor hydrogen lagres og frigjøres under lading og utlading. Imidlertid har bruken blitt begrenset av uønskede side‑reaksjoner, dårlig hydrogenabsorpsjon og‑desorpsjonsreversibilitet, samt behovet for temperaturer så høye som 300 °C og oppover.

Men forskerne klarte å få Mg‑H₂‑celler til å fungere som hydrogenlagringsenheter, og demonstrerte en kapasitet på 2 030 mAh/g ved 90 °C.

Fra 300–400 °C til ~90 °C: Et praktisk lavtemperatur‑hydrogenbatteri

Det nye hydrogenbatteriet fra Science Tokyo‑forskerne har overvunnet lavkapasitets‑ og høytemperaturgrensene i tidligere metoder. I stedet for å operere ved 300‑400 °C (572‑752 °F) temperaturer, som kreves for nåværende fast‑stoff‑hydrogenlagringsmetoder, opererer dette batteriet ved 90 °C (194 °F).

Batteryet fungerer ved at hydrid‑ioner migrerer gjennom en fast elektrolytt, noe som gjør at magnesium‑hydrid (MgH₂) kan lagre og frigjøre hydrogen gjentatte ganger med full kapasitet.

Med denne utviklingen tilbyr forskerne en praktisk måte å lagre hydrogen som drivstoff på, og baner vei for hydrogen‑drevne kjøretøy og rene energisystemer.

«Vi demonstrerte driften av et Mg‑H₂‑batteri som en sikker og effektiv hydrogenenergilagringsenhet, med høy kapasitet, lav temperatur og reversibel absorpsjon og frigjøring av hydrogengass.»

– Assisterende professor Naoki Matsui

Selv om hydrogenbatterier med fast‑stoff‑komponenter allerede finnes, krever de høye driftstemperaturer. Det nye hydrogenbatteriet kan imidlertid oppnå den fulle teoretiske lagringskapasiteten til MgH₂‑anoden og høy ionisk ledningsevne ved romtemperatur. Dette skyldes den faste elektrolytten Ba0.5Ca0.35Na0.15H1.85.

Laget av barium (Ba), kalsium (Ca) og natrium‑hydrid (NaH), kan elektrolytten bevege hydrid‑ioner (H–) effektivt.

Den har en krystallstruktur (anti‑α‑AgI‑type), kjent for sin superioniske ledningsevne. I denne strukturen opptar Ba, Ca og Na kroppssentrerte posisjoner, mens hydrid‑ioner beveger seg gjennom ansiktsdelende oktaedrale og tetraedrale steder, noe som muliggjør fri migrasjon. 

Dette nye batteriet fungerer som et Li‑ion‑batteri, men i stedet for å flytte positivt ladede ioner gjennom elektrolytten, bruker det hydrid‑ioner som bærer en negativ ladning og kan passere gjennom krystallstrukturen.

Batteriet bruker magnesium‑hydrid (MgH₂) som anode og hydrogengass (H₂) som katode. 

Under lading frigjør MgH₂‑anoden hydrid‑ioner, som migrerer gjennom den nye elektrolytten til katoden, hvor de oksideres for å frigjøre hydrogengass.

Prosessen reverseres under utlading, der hydrogengassen ved katoden reduseres til hydrid‑ioner, gjennom en kjemisk reaksjon som beveger seg gjennom elektrolytten til anoden, hvor den reagerer med Mg for å danne MgH₂. Redoks‑reaksjonen får den negativt ladede anoden til å miste elektroner, som flyter gjennom en ekstern krets til katoden med en netto positiv ladning, og leverer dermed kraft til tilkoblede systemer.

Dette gjør at den faste cellen kan lagre såvel som frigjøre H₂ når det kreves ved temperaturer rett under vannets kokepunkt.

Ved å bruke denne cellen nådde forskerne den fulle teoretiske lagringskapasiteten til MgH₂ over gjentatte sykluser. Kapasiteten på 2 030 mAh per gram er mye høyere enn den for litium‑ion‑batterier, som ligger mellom 154 og 203 mAh per gram.

«Disse egenskapene ved vårt hydrogenlagringsbatteri var tidligere uoppnåelige gjennom konvensjonelle termiske metoder eller flytende elektrolytter, og gir et grunnlag for effektive hydrogenlagringssystemer som er egnet som energibærere.»

– Takashi Hirose, studiens hovedforfatter og førsteamanuensis ved Kyoto Universitys Institute of Chemical Research (ICR)

Selv om batteriet ikke er klart for bruk i våre daglige gjenstander, er dette et gjennombrudd i hydrogenenergilagring ved mye lavere temperaturer enn tidligere mulig, og baner vei for mer effektiv og enklere hydrogenlagring.

Dette kan føre til at hydrogenbatterier erstatter de tunge litium‑ion‑batteriene, som degraderes og får redusert effektivitet over tid, i el‑biler.

Videre, ved å tillate hydrogenlagring uten behov for høytrykksystemer, ekstrem kjøling eller høye driftstemperaturer, kan dette nye batteridesignet støtte hydrogen som en grønn energikilde og akselerere den pågående overgangen til grønn energi.

Forskerne planlegger nå å utvikle faste elektrolytter og elektrodmaterialer med høyere ionisk ledningsevne. De vil også arbeide med enhetsdesign med lavere driftstemperaturer og forbedret energieffektivitet.

Investere i hydrogenbatteriteknologi

Bloom Energy Corporation (BE ) er engasjert i design og produksjon av faste oksid‑brenselceller (SOFC). Brenselcellet systemet deres gir lokal strømproduksjon for halvlederproduksjon, datasentre, store kraftverk og andre sektorer. De har distribuert totalt 1,5 GW kraft over mer enn 1 200 installasjoner globalt. 

Selskapet har to produkter: Bloom Electrolyzer for produksjon av hydrogen og Bloom Energy Server for å generere elektrisitet.

Når det gjelder Blooms markedsytelse, har de hatt en massiv oppgang i år. Opp 391 % YTD, BE‑aksjene nådde en rekordhøyde (ATH) på $125,75 bare denne måneden. Med dette har de en EPS (TTM) på 0,11 og en P/E (TTM) på 1 013,28.

Når det gjelder selskapets finansielle posisjon, rapporterte Bloom en inntekt på $401,2 millioner for Q2 2025, opp 19,5 % fra samme kvartal i fjor. Bruttomarginen var 26,7 % og den ikke‑GAAP bruttomarginen var 28,2 % mens driftsunderskuddet var $3,5 millioner i denne perioden.

«Ettersom lokal strøm blir stadig mer selvsagt, gitt rask AI‑vekst, har det aldri vært bedre markedsetterspørsel for Bloom‑produktene. I motsetning til alternativer er våre produkter spesialbygget for den digitale revolusjonen.»

– Grunnlegger og administrerende direktør KR Sridhar

Etter å ha samarbeidet med Oracle (ORCL ) for å levere lokal strøm til deres AI‑datasentre, har Bloom Energy nå inngått partnerskap med Brookfield (NYSE: BAM), som vil investere opptil $5 milliarder for å distribuere deres brenselcelleteknologi. Sammen «skaper de en ny plan for å drive AI i stor skala».

Siste nyheter og utviklinger for Bloom Energy Corporation (BE) aksjer

Konklusjon

Med høy energieffektivitet, høy energitetthet og lang sykluseliv har litium‑ion‑batterier blitt et populært valg for elektriske kjøretøy så vel som energilagring. Men selvfølgelig utgjør kaldt vær en stor utfordring for disse batteriene, noe som fører til en nedgang i kapasitet og effektivitet. 

Etter hvert som forskere og selskaper over hele verden utvikler neste generasjons batteridesign, har hydrogen fått økt oppmerksomhet som energibærer og fremtidig drivstoff.

Det nye hydrogenbatteriet med en fast elektrolytt markerer et milepæl med sin evne til å lagre og frigjøre hydrogen ved ekstremt lave temperaturer, fire ganger kaldere enn tidligere modeller. Ved å muliggjøre stabil drift og full teoretisk kapasitet, kan dette gjennombruddet legge til rette for utvikling av tettere, lengre‑levende batterier for el‑biler, og betydelig forbedre deres ytelse i ekstreme klima.

Klikk her for en liste over de beste batteriaksjene.

Referanser:

1. Cho, T. H., Chen, Y., Liao, D. W., Kazyak, E., Penley, D., Jangid, M. K., & Dasgupta, N. P. (2025). Muliggjøring av 6C hurtiglading av Li‑ion‑batterier ved under‑null‑temperaturer via grensesnitt‑ingeniørkunst og 3D‑arkitekturer. Joule, 9(5), 101881. https://doi.org/10.1016/j.joule.2025.101881
2. Ruan, G., & Dahleh, M. A. (2025). Temperaturkontrollert smartlading for elektriske kjøretøy i kalde klima. arXiv. https://doi.org/10.48550/arXiv.2501.01105
3. Lu, Z., Tu, H., Fang, H., Wang, Y., & Mou, S. (2024). Integrert optimal hurtiglading og aktiv termisk styring av litium‑ion‑batterier i ekstreme omgivelsestemperaturer. arXiv. https://doi.org/10.48550/arXiv.2404.04358
4. Hassan, M. U., Bremner, S., Menictas, C., & Kay, M. (2024). Vurdering av hydrogen‑ og litium‑ion‑batterier i takmonterte sol‑PV‑systemer. Journal of Energy Storage, 86(Part A), 111182. https://doi.org/10.1016/j.est.2024.111182
5. Liu, Z., Ma, Y., Khan, N. A., Jiang, T., Zhu, Z., Li, K., Zhang, K., Liu, S., Xie, Z., Yuan, Y., Wang, M., Zheng, X., Sun, J., Wang, W., Meng, Y., Xu, Y., Chuai, M., Yang, J., & Chen, W. (2025). Oppladbare litium‑hydrogen‑gassbatterier. Angewandte Chemie International Edition, 64(7), e202419663. https://doi.org/10.1002/anie.202419663
6. Hirose, T., Matsui, N., Itoh, T., Hinuma, Y., Ikeda, K., Gotoh, K., Jiang, G., Suzuki, K., Hirayama, M., & Kanno, R. (2025). Høy kapasitet, reversibel hydrogenlagring ved bruk av H⁻‑ledende faste elektrolytter. Science, 389(6766), 1252–1255. https://doi.org/10.1126/science.adw1996