Uordnet Rocksalt: Hvordan håndtering av oksygenmobilitet førte til gjennombrudd i batteriteknologi

Etterspørselen etter batterier vokser over hele verden, drevet av deres økende bruk i bilindustrien, den økende populariteten til bærbare forbrukerelektronikk, og strenge miljøreguleringer. Som et resultat er det globale batterimarkedet blitt anslått å nå $800 milliarder innen 2036, opp fra omtrent $120 milliarder i 2023.

I lys av denne forventede veksten utvikler forskere kontinuerlig nye materialer og kjemikalier for å forbedre kritiske deler av batterier, som påvirker egenskaper som energiytelse, energilagring, kraftkapasitet og syklisk kapasitet.

Disse komponentene inkluderer en katode (positiv elektrode), en anode (negativ elektrode), en elektrolytt (for iontransport mellom elektrodene) og en separator.

De fleste batteridrevne enheter i dag, som elbiler, smarttelefoner og energilagringssystemer, er avhengige av litium‑ion‑batteriteknologi. Litium‑ion‑batterier kan lagre en enorm mengde energi i kompakte størrelser, lade raskt og vare lenge.

Imidlertid, med den økende etterspørselen etter batterier med større kapasitet, forskes det på og utvikles nye teknologier for å forbedre effektiviteten, redusere kostnadene, øke sikkerheten og fremme bærekraft.

Gjennom årene har kontinuerlig forskning ført til fremskritt som gir lovende alternativer til litium‑ion‑ og bly‑syrebatterier.

Natrium‑ion‑batterier tilbyr et mer rimelig og sikrere alternativ som presterer bedre ved lavere temperaturer. Disse batteriene ligner litium‑ion‑batterier, men bruker saltvann som elektrolytt, noe som gjør dem mer egnet for energilagring, selv om de ennå ikke er optimalisert. Forskere bruker til og med elektrolyttgel for å gjøre nanotråder mer robuste og egnet for batteribruk.

Solid-state batteries, på den annen side, bruker en fast elektrolytt som glass, keramikk eller polymer i stedet for gel‑ eller væske‑elektrolytt. Disse batteriene er langt mer effektive, veier mindre, lader raskere, og brukes allerede i smarttelefoner og pacemakere. Toyota og BMW jobber for tiden med å lansere biler drevet av solid‑state‑batterier, selv om det fortsatt vil ta noen år.

Nye batteriteknologier inkluderer også litium‑svovel‑batterier, som er kostnadseffektive men har en holdbarhetsbegrensning, og kobolt‑frie litium‑ion‑batterier, som kan bidra til å løse menneskerettighetsproblemer knyttet til koboltutvinning. Imidlertid er alternativer som TAQ fortsatt nye og trenger mer testing.

Zink‑baserte batterier utforskes også, med teknologier som zink‑mangan‑dioxid, zink‑luft, zink‑brom og zink‑ion‑batterier. Imidlertid er de ineffektive, kan noen ganger innebære uventede kjemiske konverteringsreaksjoner, og er dyre å produsere, noe som krever mer forskning.

Etter hvert som verden i økende grad er avhengig av batterier, er forskere globalt fokusert på å oppnå gjennombrudd i lagringstid, kraftytelse, produksjonskostnader og umiddelbar klarhet.

Siste batterigjennombrudd: Rocksalt‑polyanion‑katoder 

Ny forskning har gjort et fremskritt i å øke den praktiske energitettheten til batteriet. Publisert i Nature Energy sent i forrige måned, studien med tittelen “Integrated rocksalt–polyanion cathodes with excess lithium and stabilized cycling”, ble utført av MITs avdeling for kjernefysisk vitenskap og ingeniørfag.

Studien fokuserer på et nytt katodemateriale funnet i uordnet rocksalt, som har blitt studert som et avansert katodemateriale for bruk i litium‑ion‑batterier i over et tiår.

MIT‑forskerne sørget for at materialet kan skape høy‑energi, lav‑kostnads lagring for elbiler, mobiltelefoner og lagring av fornybar energi.

Ledet av Ju Li, professor i kjerneingeniørfag ved Tokyo Electric Power Company, oppdaget teamet DRXPS, eller uordnet rocksalt‑polyanion‑spinel, som det nye materialet.

Denne nye kategorien av delvis uordnet rocksalt‑katode, integrert med polyanioner, viser seg å levere høy energitetthet ved høye spenninger med forbedret syklusstabilitet. Dette er en stor prestasjon, gitt at det vanligvis er en avveining mellom energitetthet og syklusstabilitet i katodematerialer.

«Med dette arbeidet ønsker vi å presse grensene ved å designe nye kattekjemi.»

– Yimeng Huang, første forfatter av artikkelen, postdoktor ved NSE

Hvordan kan den nye materialfamilien oppnå både høy energitetthet og god syklusstabilitet? Svaret ligger i integreringen av to nøkkelkatodematerialer — rocksalt og polyanionisk olivin. Ved å kombinere dem, kunne man få begge fordelene.

En annen faktor som spiller inn her er mangan (Mn), et hardt, sølvfarget metall som finnes i overflod på jorden og er mye billigere enn andre elementer som i dag brukes i katoder.

For eksempel er mangan omtrent tretti ganger billigere enn kobolt (Co) og fem ganger billigere enn nikkel (Ni), som begge er vanlig brukt i batterier. I tillegg spiller mangan en avgjørende rolle i å oppnå høyere energitettheter.

«(Å ha et slikt) materiale som er mye mer jordrik er en enorm fordel.»

– Li, professor i materialvitenskap og ingeniørfag

Denne fordelen, ifølge forskerne, er av stor verdi for en null‑karbon‑fremtid som krever infrastruktur for fornybar energi.

Batterier kan spille en viktig rolle i denne overgangen, med potensial til å dekarbonisere transport gjennom elbiler og håndtere intermittensen til sol‑ og vindkraft. Siden disse fornybare energikildene ikke er tilgjengelige 24/7, er energilagring essensiell for å levere strøm i perioder når kildene ikke er tilgjengelige, som om natten eller på overskyede og rolige dager.

Forskerne påpeker også at materialer som kobolt og nikkel er relativt sjeldne og dyre. Å bruke dem for raskt å skalere opp elektrisk lagringskapasitet kan føre til store kostnadsøkninger og potensielt betydelige materialmangel. Ifølge Li:

«Hvis vi ønsker sann elektrifisering av energiproduksjon, transport og mer, trenger vi jordrike batterier for å lagre intermittente fotovoltaiske og vindkraft. Jeg tror dette er ett av stegene mot den drømmen.»

Overvinning av hindringen med oksygenmobilitet i nåværende materialer

Finansiert av Honda Research Institute USA Inc. og Molecular Foundry ved Lawrence Berkeley National Laboratory, tok studien tak i en av de største utfordringene som uordnede rocksalt‑katoder står overfor.

Som nevnt tidligere har materialet blitt studert for sin ekstremt høye kapasitet. Sammenlignet med tradisjonelle katodematerialer, som har en kapasitet mellom 190 og 200 milliampere‑timer per gram, har dette materialet opptil 350 milliampere‑timer per gram.

Imidlertid, til tross for å tilby svært høy kapasitet, er materialet ikke særlig stabilt. Dette skyldes delvis oksygen‑redoks, en prosess som utnytter elektron tetthet nær oksygenatomer i katodematerialer.

Oksygen‑redoks aktiveres når katoden lades til høye spenninger, noe som gjør oksygenet mobil, som deretter fører til reaksjoner med elektrolytten og materialnedbrytning. Dette gjør materialet ubrukelig etter langvarig sykling.

For å overvinne disse utfordringene introduserte forskerne et annet element i materialet: fosfor (P), et mykt, voksaktig fast stoff som fungerer som lim, holder oksygenet på plass og reduserer materialnedbrytning.

Men bare å tilsette fosfor er ikke nok i seg selv. Det er den riktige mengden fosfor som er den viktigste innovasjonen her. Å tilsette akkurat riktig mengde P «dannet såkalte polyanioner med sine nabooroksygenatomer i en kation‑fattig rocksalt‑struktur som kan holde dem på plass», uttalte Li.

Den sterke kovalente bindingen mellom oksygen og fosfor gjør det mulig for forskerne å sette en stopper for transporten av oksygen. På denne måten har de kunnet utnytte kapasiteten som oksygen bidrar med og samtidig oppnå god stabilitet.

Å ha denne evnen til å lade batterier til høyere spenninger er viktig fordi det gjør det mulig med enklere systemer for å håndtere lagret energi.

«Du kan si at energikvaliteten er høyere. Jo høyere spenning per celle, desto mindre trenger du å koble dem i serie i batteripakken, og jo enklere blir batteristyringssystemet.»

– Li

Denne studien er bare begynnelsen, da teamet nå vil utforske ulike forhold av mangan, litium, oksygen og fosfor, samt ulike kombinasjoner av andre polyanion‑dannende elementer som silisium, svovel og bor.

Fremover vil forskerne også undersøke nye metoder for å fremstille materialet, med særlig fokus på skalerbarhet og morfologi. Den nåværende studien bruker høy‑energi kulemaling for mekanokjemisk syntese, som gir ujevn morfologi og partikler på omtrent 150 nanometer, en liten gjennomsnittsstørrelse. Dessuten er deres nåværende metode ikke virkelig skalerbar.

Dermed prøver forskerne nå alternative syntesemetoder for å oppnå en mer jevn morfologi og partikler med større størrelse. Dette vil bidra til å øke materialets volumetriske energitetthet og kan til og med la dem prøve noen beleggmetoder som kan forbedre batteriytelsen. Fremtidige metoder må også være industrielt skalerbare.

Et annet problem er ledningsevnen, som ble økt ved å tilsette en betydelig mengde karbon til det uordnede rocksalt‑materialet. Faktisk utgjorde karbon 20 prosent av vekten av katodepastaen, siden materialet i seg selv ikke er en god leder.

Så, selvfølgelig vil forskerne videre undersøke å redusere karboninnholdet i elektroden. Hvis de kan oppnå dette uten å gå på bekostning av batteriets ytelse, kan de øke den praktiske energitettheten ved å innlemme et høyere innhold av aktivt materiale i batteriet.

For dette formålet vurderer de å bruke karbonnanorør, som kan redusere karboninnholdet til kun én eller to prosent etter vekt, noe som tillater en betydelig økning i den aktive katodematerialet. Den nåværende studien brukte imidlertid Super P, en ledende karbon bestående av nanosphærer, som er mindre effektiv.

En annen forbedring innebærer bruk av tykke elektroder, som ytterligere vil øke batteriets praktiske energitetthet.

Når teamet optimaliserer materialkomposisjonen, utvikler tykkere elektroder, oppnår bedre morfologi for jevne belegg, senker karboninnholdet og adopterer skalerbare syntesemetoder, ser de DRXPS‑katodefamilien som svært lovende for bruk i elbiler, nettlagring og forbrukerelektronikk.

Selskaper som fremmer feltet innen batterier

Mange selskaper bidrar til å fremme feltet, og enda flere kan dra nytte av disse utviklingene.

Umicore (UMICY) er et slikt selskap som er involvert i batterimaterialer, spesielt i katodeteknologier, med fokus på bærekraftige og avanserte materialer. Samtidig er Lithium Americas Corp. (LAC ) (LAC) en litiumleverandør, og Vale (VALE) er en ledende global produsent av jern og mangan. La oss nå se på noen andre fremtredende navn:

#1. Albemarle Corporation (ALB)

En stor litiumprodusent, Albemarle, har utviklet batteriteknologier med økt energitetthet for å redusere vekt og forlenge rekkevidde. Det er en av verdens største produsenter av litium til elbilbatterier. Selskapets tilbud for å møte etterspørselen etter ren energi inkluderer katodeløsninger, anodeløsninger, elektrolyttløsninger og batterihus.

Med en markedsverdi på $9.84 milliarder, handles Albemarles aksje for tiden til $83.66, ned 41.6% YTD. Den har en EPS (TTM) på -4.73, en P/E (TTM) på -17.67, og en utbytteavkastning på 1.94%. I Q2 2024 rapporterte selskapet nettoomsetning på $1.4 milliarder og justert EBITDA på $386 millioner. Kontantstrøm fra driften var $363 millioner, opp fra $289 millioner YoY. Albemarle leverte også over $150 millioner i produktivitetsfordeler.

#2. QuantumScape (QS)

QuantumScape (QS ) er en utvikler av solid‑state litium‑metall‑batterier, med mål om å transformere energilagring. Selskapet har utviklet bransjens første anodeløse celledesign, som senker materialkostnadene og leverer høy energitetthet. I år inngikk QuantumScape et partnerskap med Volkswagens batteriselskap, PowerCo, som ga dem lisens til masseproduksjon av battericeller basert på QuantumScapes teknologiplattform.

Med en markedsverdi på $2.75 milliarder, handles QuantumScapes aksje for tiden til $5.51, ned 19.78% YTD. Den har en EPS (TTM) på -0.95 og en P/E (TTM) på -5.78. I Q2 2024 rapporterte selskapet kapitalutgifter på $18.9 millioner, mens GAAP driftskostnader var $134.5 millioner. Likviditeten lå på $938 millioner ved kvartalets slutt.

Konklusjon

Gitt den brede bruken og markedets størrelse for batterier, blir nye og avanserte batteriteknologier tungt forsket på og utviklet. Som vi så i den siste studien, viste det nye katodematerialet «høye gravimetriske energitettheter over 1 100 Wh kg⁻¹ og >70 % beholdning over 100 sykluser», noe som åpner døren for batterikatoder laget av jordrike elementer som Mn og Fe.

Siden litium‑ion‑batterier anses som en avgjørende del av overgangen til ren energi, sikrer studier som denne deres fortsatte vekst og prisreduksjon ved å utvikle «rimelige, høy‑ytelses katodematerialer.»

Dette peker mot en lovende fremtid for energilagring, med potensial til å møte den økende globale etterspørselen samtidig som miljøpåvirkningen minimeres.

Klikk her for en liste over de ti beste batteriaktiene å investere i.