Sikrere, billigere og kraftigere? Løftet om aluminiumbatterier

Batterier med høy kapasitet som lader raskere og varer lenger er nøkkelen til å drive fremtiden for bærbar elektronikk, elektriske kjøretøy og langsiktig energilagring.

I flere tiår har litium‑ion‑batterier ledet dette området. Som en type oppladbart batteri lades og utlades litium‑ion‑batterier ved bevegelse av ioner mellom de positive og negative elektrodene, altså anoder og katoder.

Metallet litium som brukes i disse batteriene er mykt, sølvfarget og svært reaktivt. Det har den laveste tettheten av alle metaller og finnes i forbindelser som mineral, med Chile som den største produsenten. Chile har også de største litiumreservene, etterfulgt av Australia og Kina; sistnevnte er også en leder innen litium‑ion‑batterier.

Disse batteriene krever faktisk enorme mengder vann og energi for å produseres. De er også svært vanskelige å resirkulere.

Så, mens litium‑ion‑batterier har bevist sin ytelse i bærbar forbrukerelektronikk som smarttelefoner, bærbare datamaskiner og andre håndholdte enheter, samt i elbiler og lagringssystemer for solenergi‑backup, søker markedet nå etter materialer som kan overgå litium‑ion og drive neste generasjons enheter, langdistanse‑kjøretøy, elektrisk luftfart og lagring på nettet.

Dette har ført forskere til aluminium, som viser lovende ytelse for sikrere, billigere og kraftigere batterier.

Aluminiums potensial i videreutvikling av batterier 

Forsøk på å utvikle oppladbare aluminiumbatterier har pågått i mange tiår, men fikk betydelig oppsving i det siste tiåret. Økt oppmerksomhet og forskning har hjulpet Al‑ion‑batterier til å oppnå eksepsjonelle lade‑ og utladeshastigheter.

Alle utviklingene rundt Al‑ion‑batterier er betydningsfulle på grunn av de overlegne fordelene dette elektropositive metallet bringer til bordet.

Aluminiums unike egenskaper inkluderer at det er lett, korrosjonsbestandig og har høy termisk ledningsevne.

Denne allsidigheten har gjort metallet svært nyttig i et bredt spekter av anvendelser i ulike industrier, spesielt transport. Metall brukes omfattende i produksjon av biler, fly og tog fordi det er lett og sterkt, noe som bidrar til bedre drivstoffeffektivitet og reduserte utslipp.

En annen viktig anvendelse av aluminium er i byggebransjen fordi det er lett å bearbeide og har evnen til å tåle tøffe miljøforhold. Aluminium brukes også i stor grad i emballasje, romfart, kjemisk, militær og elektrisk industri.

Den lave tettheten og gode elektriske ledningsevnen gjør aluminium ideelt for produksjon av elektriske ledere, enheter som datamaskiner, smarttelefoner og TV‑er, samt bruk i luftledninger.

Enda viktigere er at aluminium er det mest forekommende metalliske grunnstoffet i jordskorpen. Som et lavkost‑metall kan bruken i oppladbare batterier redusere batterikostnadene betydelig, spesielt for økonomiske, storskala backup‑systemer for lagring av fornybar energi.

Litium‑ion‑batterier er fortsatt for dyre for disse anvendelsene. I tillegg til å være kostbare, inneholder de en brennbar elektrolytt som skaper sikkerhetsbekymringer. Det mest forekommende metallet på jorden og det nest mest forekommende kommersielt (etter jern) gjør det til et egnet alternativ her.

I tillegg til å være billig, har aluminium også en høy volumetrisk kapasitet, som er fire ganger større enn litiums og syv ganger større enn natriums. Dette viser aluminiumets potensial til å øke energitettheten i batterier på en per‑enhets‑volum‑basis.

Dessuten er aluminium ikke‑brannbart, noe som ytterligere støtter adopsjonen som elektrode. Bruken av dette metallet fjerner også kompleksiteten fra et interfaselag som vanligvis ses i litium‑ion‑systemer.

Det betyr ikke at aluminium er uten mangler. Passivering, korrosjon og hydrogenutvikling i aluminium‑ion‑batterisystemer har begrenset deres anvendelse. En annen utfordring for aluminium‑ion‑batterier er valg av anodematerialer på grunn av den høye ladningsdensiteten til Al³⁺‑ioner, som fører til treg diffusjonskinetikk og dermed begrenser batteriets hastighetskapasitet.

Til tross for disse utfordringene er aluminium‑ion‑batterier et lovende alternativ for storskala energilagring på grunn av deres høye spesifikke kapasitet, lave kostnad, lette vekt, gode sikkerhet og aluminiumets naturlige overflod.

Utforskning av aluminium‑ion‑batteri for praktisk bruk

Utforskingen av aluminium i batterier har pågått en stund på grunn av behovet for nye batterikjemier som kan dekke etterspørselen etter høy energi fra for eksempel fly som skal fly lange avstander og nytte‑skala energilagring. Konvensjonelle batterier holder simpelthen ikke nok energi til å drive disse systemene.

For omtrent et tiår siden avslørte forskere ved Stanford University for første gang at et aluminium‑ion‑batteri kan være stabilt og sykle over lang tid. Dette Al‑ion‑batteriet kunne lades fullt opp på ett minutt og gjennomgå opptil 7500 lade‑/utladningssykluser med liten kapasitetsnedgang.

En studie gjort av forskere ved University of Queensland, Australia, sent i fjor løste det tekniske hinderet med en AIB‑komponent¹ kalt solid‑elektrolytt‑grensesnitt.

Et Al‑ion‑batteri, mye likt litium‑ion‑batterier, har en anode, en katode og en elektrolytt som transporterer aluminium‑ioner mellom de positivt ladede elektrodene og de negativt ladede elektrodene.

Under utlading beveger ionene seg fra anoden til katoden for å generere energi, og ved lading reverseres prosessen for å lagre energi. Når det gjelder Al‑ion‑batterier, møter de ustabilitet under sykluser mellom lading og utlading på grunn av dannelse av dendritter som forårsaker kortslutninger, noe som fører til batterisvikt.

Svaret på dette, ifølge forskningen, var at aluminium‑ion‑batterier trenger forhåndssykluser, likt litium‑ion‑batterier, for å maksimere levetiden. Forståelse av disse unike forhåndssyklus‑behovene kan føre til bedre design som gjør at et batteri varer lenger og presterer mer pålitelig, og dermed bringer dem nærmere praktisk bruk.

I enda en studie fra et par år siden brukte forskere fra Georgia Institute of Technology aluminiumsfolie til å lage batterier som kunne gjøre at elbiler dekker lengre avstander på én lading.

I denne studien la forskerne til små mengder av over 100 ulike materialer til aluminium for å skape folie med spesifikke «mikrostrukturer». Aluminium‑anoden kunne lagre mer litium enn tradisjonelle anodematerialer, noe som betyr mer energi, og førte til utvikling av høy‑energitetthets‑batterier.

Disse forskningsarbeidene på aluminium‑batterier har enormt potensial til å åpne døren for kraftigere batteriteknologier som kan drive fremtiden.

Nytt design for å forlenge aluminium‑batteriers levetid

Gitt de mange fordelene med aluminium‑ion‑batterier, publiserte en studie publisert² i ACS Central Science som tok sikte på å designe et kostnadseffektivt og miljøvennlig Al‑ion‑batteri som kan støtte overgangen til bærekraftig, ren energi.

Med det globale presset mot bærekraft, bemerket studien behovet for å utforske rikelige og fornybare ressurser for fremskritt innen energilagrings‑batteriteknologier for å fremme bærekraftig utvikling.

Derfor vendte forskerne seg mot oppladbare aluminium‑ion‑batterier (AIBs) med ikke‑brannbare romtemperatur‑kloroaluminat‑baserte ionvæske‑elektrolytter. Deres brede temperaturtilpasning, lange sykluseliv og eksepsjonelle sikkerhet gjør AIBs svært egnet for systemer som kan lagre energi i stor skala.

Men tradisjonelle ionvæske‑elektrolytter i AIBs lider av merkbare svakheter. Med deres nye rammeverk søker forskerne å overvinne korrosjonsproblemet fra den mest vanlige elektrolytten som brukes i Al‑ion‑batterier.

Elektrolytten — flytende aluminiumklorid — korroderer ikke bare aluminium‑anoden, men forverrer tilstanden på grunn av høy følsomhet for fuktighet. Dette bidrar til dårlig stabilitet, noe som fører til en nedgang i elektrisk ytelse over tid.

For å fjerne denne begrensningen introduserte forskerne et inert aluminiumfluorid‑salt til elektrolytten som inneholdt en Al‑ion, og gjorde den til en fast‑tilstand‑elektrolytt. Den 3D‑porøse strukturen i aluminiumfluorid‑saltet gjør at aluminium‑ioner lett kan hoppe gjennom elektrolytten og øke ledningsevnen.

Forskerne brukte også fluoretylenkarbonat som grensesnitt‑additiv. Et tynt fast belegg av dette på elektrodene hjalp til med å forhindre dannelse av aluminiumkrystaller og beskyttet dermed batteriets helse mot forverring.

Med disse to komponentene klarte teamet å forbedre fuktighetsmotstanden til batteriet samt dets termiske og fysiske stabilitet. Dette gjorde at det faste Al‑ion‑batteriet kunne tåle temperaturer opptil 392 grader Fahrenheit (eller 200 grader Celsius). Det stod også imot gjentatte stikk fra et skarpt objekt.

Når det gjelder levetiden til dette batteriet, fant studien at den var eksepsjonelt lang. Det faste aluminium‑ion‑batteriet holdt så mange som 10 000 lade‑/utladningssykluser med et tap på mindre enn én prosent av sin opprinnelige kapasitet.

Dessuten kan mesteparten av det brukte aluminiumfluoridet gjenopprettes med en enkel vask. AlF₃ kan deretter resirkuleres til et annet batteri med kun litt redusert ytelse, noe som ytterligere reduserer produksjonskostnadene for batteriet.

“Dette nye Al‑ion‑batteridesignet viser potensialet for et langvarig, kostnadseffektivt og høysikkert energilagringssystem. Evnen til å gjenopprette og resirkulere nøkkelmaterialer gjør teknologien mer bærekraftig.”

– Wei Wang, State Key Laboratory of Advanced Metallurgy, University of Science and Technology Beijing, China

Det nye batteriet øker praktiskheten til Al‑ion‑batterier ved å redusere produksjonskostnadene og forlenge levetiden, men ytterligere forbedringer trengs fortsatt i energitetthet, elektrolytt‑stabilitet og livssyklus for kommersialisering av dette batteriet.

Klikk her for å lære om en studie som avkreftet myter om batterialdring.

Store aktører i batterimarkedet

Fremveksten av lovende neste‑generasjons batteriteknologier gir betydelige forbedringer i energitetthet, sikkerhet, kostnad og levetid sammenlignet med dagens litium‑ion‑batterier. De forventes å transformere energibehovene, drevet av innovasjoner som adresserer begrensningene i dagens teknologier.

Så, la oss nå se på selskaper som presser grensene for batteriteknologi og som kan oppleve enorm vekst i de kommende årene.

1. QuantumScape

Mens verden utforsker alternativer, fortsetter litium‑baserte batterier å lede foreløpig. I denne konteksten er QuantumScape Corporation (QS ) blant de ledende batteriselskapene som utvikler solid‑state litium‑metall‑batteriteknologi for elbiler og andre anvendelser.

Etter hvert som tradisjonelle litium‑ion‑batterier nærmer seg sine grenser, har selskapet utviklet det de kaller den første anode‑frie celle‑designen i industrien for å levere høy energitetthet, reduserte materialkostnader og forenklet produksjon.

I motsetning til konvensjonelle litium‑ion‑batterier som har en polymerseparator, bruker QuantumScape en solid‑state separator. Dette gjør det mulig å erstatte karbon‑ eller silisium‑anode med en litium‑metall‑anode, som er mer energitetthets‑rik og dermed lagrer mer energi i samme volum. I QuantumScapes design produseres batteriet anode‑fritt og i en utladd tilstand.

Ifølge QuantumScape har deres 24‑lagers A0‑prototypecelle fullført over 1 000 fullstendige lade‑/utladningssykluser med over 95 % energibevaring. I oktober avdekket selskapet sin planlagte første kommersielle produkt, QSE‑5, for bilapplikasjoner. QSE‑5 B‑sample‑cellen, som nå er i lav‑volums produksjon, har en målt celle‑energi på 21,6 Watt‑timer (Wh). QSE‑5‑cellene kan lades fra 10 % til 80 % på omtrent 12 minutter.

Med en markedsverdi på 2,62 milliarder, handles QuantumScape‑aksjer for øyeblikket til $5,13, ned 1,16 % år‑til‑dato. EPS (TTM) er -0,95, og P/E (TTM)‑forholdet er -5,38.

For siste rapporterte kvartalsresultater, dvs. Q3 2024, hadde selskapet $17,9 millioner i kapitalutgifter mens GAAP‑driftskostnader beløp seg til $130,2 millioner og GAAP‑netttap var $119,7 millioner. Likviditeten ved kvartalsslutt var $841 millioner.

QuantumScape har også inngått partnerskap med Volkswagens batteriprodusent PowerCo for å bringe QSE‑5‑teknologien til masseproduksjon.

I denne perioden rapporterte selskapet vellykket implementering av deres nye separator‑produksjonsteknologi kalt Raptor. Deretter, i desember, kunngjorde lanseringen av Cobra, som QuantumScape sier vil sette dem på kurs for å levere høy‑volums‑prøver av QSE‑5 i år. Cobra anses også som et viktig steg mot kommersialisering av deres solid‑state‑batterier for elbiler.

2. Solid Power

Grunnlagt i 2011, ble Solid Power (SLDP ) spunnet ut fra University of Colorado Boulder med finansiering fra DARPA. Gjennom årene har selskapet sikret kontrakter fra Luftforsvaret og inngått en avtale med Department of Energy.

I 2018 hadde selskapet sin første runde med egenkapitalfinansiering, og i 2021 kunngjorde de en investeringsrunde på $135 millioner ledet av BMW‑gruppen, Ford Motor Company (F ) og Volta Energy Technologies.

Både Ford og BMW‑gruppen har siden utvidet sine eksisterende fellesutviklingsavtaler med Solid Power for å sikre alle solid‑state‑batterier for sine fremtidige elbiler. I året før dette produserte Solid Power 320 Wh/kg 20 Ah litium‑metall‑celler som de rapporterte overgikk kommersielt tilgjengelig litium‑ion‑spesifikk energi.

Selskapet er involvert i utviklingen av neste generasjons all‑solid‑state‑batteriteknologi, som de sier har potensial til å revolusjonere fremtidige mobile kraftmarkeder. Fokus er spesielt på sulfid‑baserte faste elektrolytter for elbiler, med et kostnadsmål på $85/kWh. Målet er å skalere elektrolyttproduksjon for å drive 800 000 elbiler med sine battericeller årlig innen 2028.

Med en markedsverdi på 268,77 millioner, handles Solid Power‑aksjer for øyeblikket til $1,50, ned 21,16 % år‑til‑dato. Selskapet begynte først å handle på Nasdaq sent i desember 2021. EPS (TTM) er -0,47, og P/E (TTM)‑forholdet er -3,14.

For sine nyligst rapporterte finansielle resultater, Q3 2024, leverte Solid Power $4,7 millioner i inntekter, en nedgang på $1,7 millioner fra samme kvartal året før. Nedgangen skyldtes hovedsakelig fullføringen av milepæler med BMW. Driftskostnadene for perioden var høyere på grunn av økte produksjonskostnader, utviklingskostnader for celle og elektrolytt, skalering av drift og gjennomføring. Likviditeten forble sterk, da SolidPower avsluttet kvartalet med $348,1 millioner i total likviditet.

I denne perioden begynte selskapet å arbeide i sitt elektrolytt‑innovasjons‑senter (EIC) for å forbedre produksjonsprosesser for sin pre‑pilot‑elektrolytt.

Nylig kunngjorde Solid Power at de har sikret opptil $50 millioner i finansiering fra USAs Department of Energy for kontinuerlig produksjon av sulfid‑baserte faste elektrolyttmaterialer. Som del av en bistandsavtale vil Solid Power bidra med $60 millioner av egne midler for å støtte installasjon av utstyr, noe som forventes å styrke selskapets produksjonsskala.

Konklusjon 

Litium‑ion‑batterier fortsetter å dominere mange vanlige forbrukerelektronikk, elbiler og energilagringssystemer (ESS). Den økende adopsjonen skyldes deres høye energitetthet og modne industrielle produksjonssystemer, men hvis vi vil integrere rikelige og fornybare energikilder i strømnettet, må vi finne bedre løsninger.

Langtidslagring av sol‑ og vindkraft krever store batterier, men litium‑ion‑batterier er kostnadsprohibitive for dette formålet. I tillegg utgjør deres brennbarhet en betydelig sikkerhetsrisiko. Et potensielt alternativ for pålitelige, storskala energilagringssystemer er oppladbare Al‑ion‑batterier, som presenterer et lovende alternativ med lavere kostnad, forbedret sikkerhet og høy volumetrisk kapasitet.

Med fremskritt innen elektrolytt‑stabilitet og batterilevetid kan aluminium‑ion‑batterier spille en nøkkelrolle i storskala energilagring, elbiler og videre. Selv om utfordringer gjenstår for kommersiell levedyktighet, bringer pågående forskning disse batteriene nærmere praktisk bruk og kan snart betjene samfunnets fremtidige behov for høy energitetthet og rimelige batterier.

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