Mizzou’s 4D STEM-gjennombrudd: Forbedring av fast‑stoffbatteri‑effektivitet

Fast‑stoffbatterier er i fokus nå. De får jevnt økende oppmerksomhet innen forbrukerelektronikk og el‑biler, og utgjør den største andelen av det globale markedet for fast‑stoffbatterier i 2022.

Forskere anslår at bruken av fast‑stoffbatterier i el‑bilsektoren vil vokse eksponentielt i løpet av det neste tiåret, og nå et marked på US$4,3 milliarder innen 2032. US$4.3 billion by 2032. Det finnes flere grunner til at fast‑stoffbatterier er på vei mot eksponentiell vekst. I hovedsak er de en batteriteknologi som bruker en fast elektrolytt i stedet for flytende elektrolytter, slik som i litium‑ion‑teknologi. 

Fast‑stoffceller består av en katode, en separator og en anode. Katoden kan lages med de samme forbindelsene som i et litium‑ion‑batteri. Derimot er separatoren vanligvis laget av keramikk eller fast polymer, som også fungerer som elektrolytt. Anoden er laget av litium‑metall. 

Ved lading beveger litiumpartiklene i disse batteriene seg fra katoden gjennom den atomære strukturen i separatoren og anodens elektriske kontakt, og danner et fast lag av rent litium. Prosessen sikrer at anoden kun består av litiumpartikler og har et mindre volum enn en anode i litium‑ion‑teknologi med grafittstruktur. 

Selv om disse batteriene fortsatt er i utviklingsfasen, lover de flere forbedringer sammenlignet med dagens batterier, inkludert høyere energitetthet, lengre levetid, bedre sikkerhet og mindre størrelse. Det lovende utsiktene som fast‑stoffbatterier gir, har gjort dette feltet attraktivt for forskere som ønsker å utforske videre og se hva som kan gjøres med dem.

En nylig pressemelding fra University of Minnesota hevder at forskerne “knekker koden for fast‑stoffbatterier.” I de kommende segmentene ser vi på årsakene som driver dette store påstanden. 

Hva forskerne ved University of Minnesota har oppnådd

Forskningen, med tittelen Understanding Cathode–Electrolyte Interphase Formation in Solid State Li-Ion Batteries via 4D-STEM¹, demonstrerer en enkel arbeidsflyt for å studere dannelse av katode‑elektrolytt‑grensesnitt (CEI) ved bruk av 4D‑skannende transmisjonselektronmikroskopi (4D‑STEM) som ikke krever SS‑LIB‑montering.

Ved kontaktpunktene mellom den faste elektrolytten og den aktive katodematerialet i fast‑stoff litium‑ion‑batterier dannes interfaselag, som øker celleimpedansen. Forskerne eliminerer behovet for SS‑LIB‑montering og viser fordelene med MoCl5:EtOH som et kjemisk de‑litiatiseringsmidde, sammen med kjemisk de‑litiert katode LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2 (NMC) pulver i kontakt med Li10GeP2S12 (LGPS) SE‑pulver, som en SS‑LIB CEI‑erstatning.

Forskerne kartla sammensetningen og strukturen til CEI‑lagene ved bruk av 4D‑STEM, energidispersiv røntgen‑spektroskopi (EDS) og electron pair distribution function analysis (ePDF). Deres funn antyder at belegg som blokkerer aniontransport samtidig som de tillater litium‑ion‑ og elektrontransport, kan hindre interfasedannelse og redusere impedansen i SS‑LIB‑batterier. 

Mens han beskrev beleggets natur, sa Young:

“Beleggene må være tynne nok til å hindre reaksjoner, men ikke så tykke at de blokkerer litium‑ion‑flyt. Vi ønsker å opprettholde de høy‑ytelses egenskapene til den faste elektrolytten og katodematerialene. Målet vårt er å bruke disse materialene sammen uten å gå på kompromiss med deres ytelse for kompatibilitet.”

Alt dette kan høres for teknisk ut, men det finnes et enklere perspektiv for å forstå forskningsresultatet.

Klikk her for å lære om et batterigjennombrudd som bringer fast‑stoffvarianter ett skritt nærmere virkeligheten.

Håndtering av problemet med flytende elektrolytt

Litium‑ion‑batterier er avhengige av flytende elektrolytter, som kan ta fyr dersom de blir skadet eller overopphetet. Forskerne ved University of Missouri løste dette problemet ved å utvikle effektive teknikker for å erstatte væsker eller gel‑elektrolytter med faste elektrolytter.

Ved å utdype hvordan løsningen fungerer, sa assisterende professor Matthias Young, som har felles stillinger ved Mizzous College of Engineering og College of Arts and Science:

“Når den faste elektrolytten berører katoden, reagerer den og danner et interfaselag som er omtrent 100 nanometer tykt — 1 000 ganger mindre enn bredden på et enkelt menneskehår. Dette laget blokkerer litium‑ioner og elektroner fra å bevege seg fritt, noe som øker motstanden og svekker batteriytelsen.”

Den mest betydningsfulle gjennombruddet

Forskningsgruppens mest betydningsfulle prestasjon var imidlertid bruken av fire-dimensjonal skannende transmisjonselektronmikroskopi (4D STEM). Det revolusjonerende var at de kunne undersøke den atomære strukturen i batteriet uten å demontere det, noe som ga dem en grunnleggende forståelse av de kjemiske reaksjonene innvendig og gjorde det mulig å fastslå hvor mye skade interfaselaget forårsaket.

Fra perspektivet til potensielle brukere av disse batteriene har forskningen og dens implikasjoner stort potensial. 

Forventede reelle fordeler

Globale bilprodusenter er begeistret for fast‑stoffbatterier fordi de vil tilby større sikkerhet og termisk stabilitet. Forskningen vi nettopp diskuterte er et gjennombrudd i den retningen — et enormt viktig skritt fremover. Videre kan forskningen føre til forbedringer i sikkerhet, ytelse, batterilevetid, kostnad og miljøpåvirkning. 

Batteriforskere over hele verden er optimistiske om at den nye generasjonen av fast‑stoffbatterier, som vil oppstå som et resultat av slik forskning, til slutt vil overvinne to sentrale ulemper ved konvensjonelle litium‑ion‑batterier. De nikkel‑rike katodene vil gjøre det mulig for batteriindustrien å bruke mindre kobolt i katoden. For det andre vil fast‑stoffkjemi gjøre det mulig for batteriprodusenter å bruke litium‑metall i anoden.

Den første faktoren er avgjørende for veksten i denne sektoren fordi kobolt er knapp, dyr og vanskelig å utvinne. Den kommer fra land med svake gruveforskrifter. Forskere mener at omfanget av litiumbruk i anoden er betydelig fordi det øker energitettheten og fremmer sikkerhet.

Når hun snakker om bruk av litium‑metall, Helena Braga, en førsteamanuensis i ingeniørfysikk ved University of Porto i Portugal og en kjent forsker som har jobbet med Nobel Prize vinner John Goodenough på fast‑stoffbatterier for et tiår siden, sa:

“Dette er grunnen til at vi startet denne (fast‑stoff) reisen i første omgang – så vi kunne bruke litium‑metall.”

Alt i alt kan denne teknologien og forskningsbaserte teknikken føre til forbedrede batteridesign med økt ytelse og sikkerhet, og potensielt påvirke forbrukerelektronikk og el‑biler innen 3–7 år.​

Imidlertid vil den reelle verdien av slik forskning avhenge av hvor vellykket selskaper og virksomheter som produserer fast‑stoffbatterier adopterer dem og skalerer opp produksjonen. I det følgende segmentet diskuterer vi et slikt selskap, Solid Power, Inc. (SLDP ), som spesialiserer seg på all‑fast‑stoff‑batteriteknologi, med fokus på tryggere og mer effektive energilagringsløsninger.​

Solid Power, Inc. (SLDP ) 

Solid Power posisjonerer seg som en leverandør av all-solid-state battery cell technology som gir viktige forbedringer sammenlignet med dagens konvensjonelle flytende litium‑ion‑teknologi og neste generasjons hybridceller, inkludert høy energi, forbedret sikkerhet, lengre levetid og kostnadsbesparelser. 

Solid Power sine batterier gjør det mulig å bruke høy‑kapasitets elektroder som silisium med høyt innhold og litium‑metall for å oppnå høy‑energi ytelse. De blir tryggere ved å fjerne behovet for de reaktive og flyktige flytende og gel‑komponentene. Som følge av dette kan de tåle og levere i ekstremt høye temperaturer. Selskapet mener at batteriene deres kan tilby en kostnadsfordel på 15–35 % sammenlignet med eksisterende litium‑ion på pakknivå. 

I de kommende segmentene diskuterer vi de tre variantene av Solid Power sine fast‑stoffbatterier. 

Silisium EV‑celle 

Disse cellene har en anode med høyt silisiuminnhold som leverer høye ladehastigheter og lavere temperaturkapasiteter. Disse batteriene drives av selskapets proprietære sulfid‑baserte faste elektrolytter. Til slutt er NMC‑katoden industristandard og kommersielt moden. 

Litium‑metall

Solid Power Lithium Metal‑batterier kommer med litium‑metall og høy‑energi anode. Denne batterikategorien drives også av Solid Power sine proprietære sulfid‑baserte faste elektrolytter og industristandard og kommersielt modne NMC‑katoder. 

Konverteringsreaksjonscelle 

Til slutt kommer vi til konverteringsreaksjonscelle‑kategorien av batterier som har litium‑metall, høy‑energi anode, sulfid‑baserte faste elektrolytter med ultra‑lav kostnad, og en høy spesifikk energi konverterings‑type katode. 

Solid Power sin batteriteknologi har sulfid‑baserte faste elektrolytter som en av sine mest formidable grunnpilarer. Teknologien sikrer fullstendig fjerning av den brennbare flytende elektrolytten og polymerseparatoren i et tradisjonelt litium‑ion‑batteri og erstatter den med et fast lag som, til tross for at det er tynt, fungerer som en barriere som hindrer anoden og katoden i å berøre hverandre, noe som ville kortslutte batteriet. Den fungerer også som en ledende elektrolytt. Den sulfid‑baserte faste elektrolytten fra Solid Power har den beste kombinasjonen av ledningsevne, produksjonsmuligheter og celle‑nivå ytelse.

Solid Power sin kjerne‑sulfid‑baserte faste elektrolyttteknologi bruker jordrike materialer. Selskapet forventer å skalere produksjonen av elektrolytten for å drive 800 000 elektrifiserte kjøretøy med sine all‑fast‑stoff‑battericeller årlig innen 2028.

SLDP: Siste oppdateringer

I desember 2024 kunngjorde Solid Power utvidelsen av sitt partnerskap med Ford gjennom 2025. Den tredje endringen i den felles utviklingsavtalen reflekterte den pågående forpliktelsen mellom Solid Power og Ford om å presse grensene for ytelsen til el‑bilbatterier. 

Rapporter nevnte at utvidelsen av partnerskapet var et betydningsfullt steg for Solid Power sitt arbeid mot kommersialisering av sin fast‑stoffbatteriteknologi. Det utvidede partnerskapet med Ford, en ledende global bilprodusent, understreket den potensielle innvirkningen av Solid Power sin teknologi på bilindustrien.

I januar 2025 inngikk selskapet en betydelig finansiell avtale med USAs energidepartement (DOE). Selskapet kunngjorde at det hadde sikret opptil $50 millioner i finansiering for å forbedre produksjonskapasiteten for sulfid‑basert fast elektrolyttmateriale, som er essensielt for neste generasjons batterier.

Finansieringen kom som en del av en bistandsavtale med ikrafttredelsesdato 1. januar 2025, som fastsatte at Solid Power skulle bidra med $60 millioner av sine midler som en del av kostnadsdelingsordningen. Investeringen var rettet mot å støtte installasjonen av utstyr som er nødvendig for kontinuerlig produksjon, noe som forventes å styrke selskapets produksjonsskala.

Som en del av avtalen var Solid Power pålagt å overholde spesifikke rapporteringskrav og etterlevelsesforpliktelser. DOE‑støtten understreket viktigheten av å fremme batteriteknologi for energilagring og el‑biler, sektorer som er kritiske for overgangen til en lav‑karbonøkonomi.

Selskapets partnerskap med DOE var et strategisk steg for å akselerere kommersialiseringen av fast‑stoffbatterier, som lover høyere energitetthet, forbedret sikkerhet og lengre levetid sammenlignet med konvensjonelle litium‑ion‑batterier.

På den finansielle fronten, Solid Power leverte $20,1 millioner i inntekter i 2024, en økning på $2,7 millioner sammenlignet med 2023. Driftskostnadene var $125,5 millioner i 2024, opp fra $108,0 millioner i 2023, drevet av økte forsknings‑ og utviklingskostnader for å forbedre ytelsen til deres elektrolytt‑ og celle‑design, elektrolyttproduksjon, utstyrsinnkjøp som støtter SK On‑avtalene, og skalering av operasjoner, inkludert etablering av koreanske operasjoner. Driftsunderskuddet for 2024 var $105,3 millioner, mens nettounderskuddet var $96,5 millioner, eller $0,54 per aksje.

«I 2025 vil Solid Power fortsette å drive utviklingen av ASSB‑teknologi fremover ved å forbedre elektrolytt‑ytelsen gjennom tilbakemeldinger fra vårt celleutviklingsteam, oppfylle partnerkrav og kundebehov, fortsette å innovere både på elektrolytt‑ og celle‑teknologier, og opprettholde finansiell disiplin samtidig som vi strategisk investerer i utvikling og kapasiteter.»

– John Van Scoter, President og administrerende direktør i Solid Power

Fast‑stoffbatteri: Ser inn i fremtiden

Fremtiden for fast‑stoffbatterier ser spennende ut, fylt med innovasjonspotensial. I 2024 utviklet for eksempel forskere fra Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) et nytt litium‑metall‑batteri som kunne ladet og utlades minst 6 000 ganger — mer enn noen annen pouch‑battericelle — og kunne lades opp på noen minutter.

Ifølge Xin Li, førsteamanuensis i materialvitenskap ved SEAS og seniorforfatter av artikkelen som ble publisert i Nature Materials:

«Litium‑metall‑anodebatterier anses som batterienes hellige gral fordi de har ti ganger kapasiteten til kommersielle grafitt‑anoder og kan drastisk øke kjørelengden til el‑biler.»

I sin forskning stoppet Li og teamet hans dendritt‑dannelse ved å bruke mikron‑sized silisiumpartikler i anoden for å begrense litieringsreaksjonen og legge til rette for homogen plating av et tykt lag med litium‑metall. Når litium‑ioner flyttet fra katoden til anoden under lading, ble litieringsreaksjonen begrenset ved den grunne overflaten, og ionene ble festet til overflaten av silisiumpartikkelen uten å trenge dypere inn. 

«I vårt design blir litium‑metall innpakket rundt silisiumpartikkelen, som et hardt sjokoladeskall rundt en hasselnøttkjerne i en sjokoladetrøffel.»

– Li

De belagte partiklene dannet en homogen overflate, som sikret jevn fordeling av strøm‑tettheten og hindret vekst av dendritter. Og siden plating og stripping kunne skje raskt på en jevn overflate, kunne batteriet lades opp på kun omtrent 10 minutter. 

Forskerne utviklet en poststemplings‑størrelse pouch‑celleversjon av batteriet, 10 til 20 ganger større enn myntcellen som vanligvis lages i universitetslabber. Batteriet beholdt 80 % av kapasiteten etter 6 000 sykluser, og overgikk andre pouch‑celler i samme liga. I prosessen avdekket forskerne dusinvis av andre materialer som potensielt kan gi lignende ytelse. Ifølge Li:

«Tidligere forskning har funnet at andre materialer, inkludert sølv, kan fungere som gode materialer i anoden for fast‑stoffbatterier.»

For å gjøre prosessen universell publiserte et forskerteam en artikkel om benchmarking the reproducibility of all-solid-state battery cell performance.² Forskerne observerte at sammenlignbarheten og reproduserbarheten mellom laboratorier for syklingsytelsen til all‑solid‑state battericeller var dårlig forstått på grunn av manglende standardiserte oppsett og monteringsparametere.

Forskerne foreslo et sett med parametere for rapportering av all‑solid‑state batterisyklingsresultater og oppfordret til rapportering av data i tredobbel. For eksempel var en initial åpen krets‑spenning på 2,5 og 2,7 V vs. Li⁺/Li en god indikator på vellykket sykling for celler som bruker disse elektroaktive materialene.

Standardisering av produksjon av fast‑stoffbatterier er avgjørende fordi bruksområdet er mangfoldig. Mens el‑bilprodusenter er blant de mest interesserte i å utvikle effektive fast‑stoffbatterier, selv NASA-forskere rapporterte fremgang med utviklingen av en innovativ batteripakke som var lettere, tryggere og presterte bedre enn batterier som vanligvis brukes i kjøretøy og store elektroniske enheter i dag. 

NASA‑forskerne eksperimenterte med innovative nye materialer som ikke tidligere var brukt i batterier. Teamet innså tidlig at fast‑stoff‑arkitektur tillot dem å endre batterikonfigurasjon og pakking, redusere vekt samtidig som energilagringskapasiteten økte. De demonstrerte at fast‑stoffbatterier kunne drive objekter med en enorm kapasitet på 500 watt‑timer per kilogram — dobbelt så mye som en el‑bil.

«Dette designet eliminerer ikke bare 30 til 40 prosent av batteriets vekt, men gjør det også mulig å doble eller til og med tredoble energien det kan lagre, langt over kapasiteten til litium‑ion‑batterier som anses som toppmoderne.»

– Rocco Viggiano, hovedforsker for SABERS

SABERS er en forkortelse for NASAs utpekte aktivitet, ‘Solid-state Architecture Batteries for Enhanced Rechargeability and Safety.’

Som navnet antyder, vil fremtiden for fast‑stoffbatterier blomstre på disse aspektene av rask oppladning og sikkerhet. Produsenter vil i økende grad se etter å utvikle batterier som lades raskere uten å gjøre prosessen usikker.

Klikk her for en liste over de 5 beste fast‑stoffbatteri‑aksjene.