Små justeringer for store endringer – Er tekstur av mykt metall et batterigjennombrudd?

Batterier er allestedsnærværende. Vår moderne teknologiske æra kan ikke utvikle seg eller blomstre uten effektivt produserte, effektive batterier. Batterier finnes i elektriske kjøretøy, mobile enheter, lagring av fornybar energi og mye mer. 

Hvis vi ser på veksttallene, er potensialet eksponentielt. Mellom 2022 og 2030 forventes den globale etterspørselen etter litium‑ion‑batterier, for eksempel, å øke nesten syvfold og nå 4.7 terawatt-hours in 2030. Markedseksperter tilskriver en betydelig del av denne veksten til den økende populariteten til surging popularity of Electric Vehicles, som er sterkt avhengige av litium‑ion‑batterier. I 2024 stod el‑biler for over 80 prosent av den globale etterspørselen etter litium‑ion‑batterier. 

Å støtte denne ekstraordinære veksten vil kreve at produksjonen av batterier skaleres opp. Og denne oppskaleringen kan kun støttes av innovasjon. Den gode nyheten er at forskere over hele verden jobber med dette. De utforsker kontinuerlig nye materialer, design, konfigurasjoner og kjemi. 

Det er imidlertid også viktig å fortsette å sjekke om disse utforskningene optimaliserer de tilgjengelige ressursene. I en slik gransking oppdaget forskerne at teksturen på metallene er noe som historisk har blitt oversett. 

Mens hun forklarte den nøyaktige naturen av denne overselsen, hadde UChicago PME‑professor Prof. Shirley Meng, Liew Family Professor i molekylær ingeniørkunst, følgende å si:

“Det er et kunnskapsgap når det gjelder forståelsen av kornorientering, også kjent som tekstur, og hvordan en slik faktor påvirker ytelsen til oppladbare metallbatterier.”

Løsningen kommer fra Mengs Laboratorium for energilagring og konvertering og deres industripartner, Thermo Fisher Scientific. Mer spesifikt kommer den gjennom en artikkel skrevet av Meng og hennes medforskere. Artikkelen har tittelen ‘Grain Selection Growth of Soft Metal in Electrochemical Processes.‘

Eksperimentering mot en bedre tekstur for bedre batterier

Med begrepet ‘tekstur’ refererer forskerne til kornorienteringen som er orientert i en bestemt retning i stedet for tilfeldig fordeling. Plasma‑fokusert ion‑beam‑elektron‑backscatter‑diffraksjon (PFIB‑EBSD) hjelper med å karakterisere metallteksturen under ulike elektrokjemiske plating‑ og stripping‑forhold. 

I studien¹, forskerne fremhevet konkurransen mellom overflatespenning og strekkenergi for teksturforming av alkalimetaller. Mer spesielt forsøkte de å forstå hvordan dominansen av atomdiffusjon og overflatespenning av alkalimetaller over kornutvelgelsesvekst under elektrokjemiske prosesser fungerer som nøkkel til å forklare de kinetiske begrensningene til solid-state batteries med metallanoder, spesielt ved romtemperatur. Det endelige målet med denne forskningen og innsiktene som ble avledet, var å oppnå ønskelige teksturer gjennom grensesnitt‑ingeniørkunst for å forbedre plating/stripping‑effektiviteten ved høye strømtettheter.

Forskerne gjennomførte en rekke trinn i sin søken etter å forstå hva som kunne være den perfekte teksturen for metalliske batterier. De karakteriserte mykt metalltekstur under ulike forhold, utviklet en termodynamisk teori og fase‑felt‑modell for teksturforming, identifiserte ønskelige teksturer for å forbedre plating/stripping‑effektiviteten, og – til slutt – designet et grensesnittlag for ønskelig kornvekst. 

Hva oppnådde forskningen?

I ordene til UChicago PME‑forskningsassosiert professor Research Assoc. Prof. Minghao Zhang, første forfatter av det nye arbeidet, oppdaget forskerne at “tilsetting av et tynt lag silisium mellom litium‑metall og strøm­samleren hjelper med å skape den ønskede teksturen.” 

Forskerne konkluderte med at “endringen forbedret batteriets hastighetskapasitet med nesten ti ganger i helt faste batterier som bruker litium‑metall.” 

Men hva førte forskerne til å finne ut hva som var riktig og optimalt? 

Forskerne begynte med premisset om at den ideelle teksturen for en batterianode ville være en hvor atomer raskt kan bevege seg langs overflateplanet, siden raskere bevegelse hjelper batterier med å lade og utlades raskere. For å endre hvordan den er teksturert, var det forskjellene i mykt metals overflatespenning som var avgjørende. 

Ifølge professor Minghao Zheng:

“Siden batterier med litium‑ eller natriummetall er avhengige av disse teksturene for foretrukket hastighetskapasitet, lurte teamet på om justering av teksturen på myke metaller kunne forbedre krafttettheten.”

Oppnåelsen av målet avhang i stor grad av effektiv bruk av mikroskopisk teknologi, som involverte sliping innen en plasma‑fokusert ion‑beam‑skannende elektronmikroskop (PFIB‑SEM) med elektron‑backscatter‑diffraksjons (EBSD) kartlegging. Den effektive kombinasjonen av disse to metodene kan hjelpe med å studere teksturen på nye måter. 

Mens hun forklarte nytten av mikroskopteknologien som ble brukt i forskningen, hadde studiens medforfatter Zhao Liu, Senior Market Development Manager i Thermo Fisher Scientific, følgende å si:

“PFIB‑EBSD‑kombinasjonen er godt egnet for denne studien, da PFIB effektivt kan nå området av interesse innen celle‑stabelen, og produserer en høykvalitets overflate med minimale defekter, mens EBSD gir detaljert teksturinformasjon om det myke metallet.”

Bortsett fra sin industripartner, samarbeidet forskerne også med LG Energy Solution’s Frontier Research Laboratory, med mål om å arbeide mot kommersialisering av teknologien. 

Ifølge LG Energy Solutions seniorforsker Jeong Beom Lee vil forskningen bidra til å utvikle neste generasjons batterier for elektriske kjøretøy og energilagringsapplikasjoner. 

Hva forskerne har som mål å gjøre videre?

Fremover har forskerne to klare mål. Først ønsker de å senke trykket som brukes under testing fra 5 megapascal (MPa) til 1 MPa, som er dagens industristandard for kommersielt tilgjengelige batterier. For det andre vil de undersøke påvirkningen av tekstur på natrium, som ifølge Mengs funn har potensial til å bli et billig, lett tilgjengelig alternativ til litium. 

Annen forskning på Li‑ion‑batterimaterialer

Selv om den nåværende forskningen presenterer et gjennombrudd, er lignende forskningsprosjekter ikke uvanlige. En gjennomgang av forskning gjort på slike batterier – publisert i Materials Today – fremhevet at selv om Li-ion batteries har klare fordeler som høy energitetthet, lang sykluseliv og høy effektivitet, pågår forskningen på nye elektrodmaterialer for å presse grensene for kostnad, energitetthet, krafttetthet, sykluseliv og sikkerhet.

Mens forskerne undersøkte de lovende anode‑ og katodematerialalternativene som var tilgjengelige, oppdaget de at mange av dem led av problemer som begrenset elektrisk ledningsevne, langsom Li‑transport, oppløsning eller andre ugunstige interaksjoner med elektrolytt, lav termisk stabilitet, høy volumutvidelse og mekanisk sprøhet. De tilgjengelige løsningene på disse problemene involverte interkalerings‑katoder som ble introdusert på markedet. Imidlertid var hastigheten som konverteringsmaterialteknologien oppnådde kommersialisering, langsom. 

Når vi snakker om kommersialisering og oppskalering, bør vi nå gå videre til selskaper som kan oppnå mye gjennom slik avansert teknologisk forskning. 

1. Samsung

I august 2024, Sør‑Koreas Samsung SDI fullførte en avtale med General Motors om å bygge et felles elektrisk kjøretøy‑batterifabrikk i den amerikanske delstaten Indiana. Gjennom denne avtalen bestemte de to selskapene seg for å i fellesskap bygge et battericelle‑produksjonsanlegg med en årlig produksjonskapasitet på 27 gigawatt‑timer. 

Tidligere, i 2022, valgte Samsung SDI Co., verdens sjette største batteriprodusent, og den nederlandske multinasjonale bilprodusenten Stellantis N.V., delstaten Indiana som lokasjon for en felles elektrisk kjøretøy‑batterifabrikk i USA. 

Produsenten hadde som mål å produsere 23 gigawatt‑timer (GWh) av prismatiske battericeller og -moduler per år, i henhold til planen for første halvdel av 2025 for Stellantis’ bilfabrikker i Nord‑Amerika. 

Når det gjelder produksjon av batterier, leverer Samsung SDI en rekke løsninger, inkludert elektriske kjøretøy, energilagringssystemer, mikromobilitet, kraftenheter og IT‑enheter. 

For el‑biler og plug‑in hybrid‑biler (PHEV) produserer selskapet høy‑kapasitets‑, energitetthets‑ og hurtigladingsbatterier med ledende posisjon i masseproduksjon av solid‑state‑batterier. For energilagringsløsninger tilbyr Samsung SDI batteriprodukter som spenner fra husholdningsløsninger og nytte‑, kommersielle og industrielle løsninger integrert med fornybare energikilder til UPS‑løsninger (uavbrutt strømforsyning).

Innen mikromobilitet produserer Samsung SDI batterier for små, lettvektige siste‑kilometer‑transportmidler som e‑kickboards, e‑sykler og e‑sparkesykler. I dette segmentet utnytter selskapet avanserte materialer og komponentteknologier for å lage de beste tilgjengelige batteriene. 

For e‑sykler produserer Samsung SDI batterier med høy energitetthet og sikkerhet. Disse batteriene er tynnere og lettere. 

For elektriske tohjuls‑kjøretøy – som e‑sparkesykler og e‑motorsykler – utvikler Samsung SDI sylindriske batterier. Disse er bygget med høy‑kapasitetsmaterialer, unike strukturelle design og konsistent kvalitet, noe som gjør batteriene trygge og egnet for toppytelse, lang batterilevetid og sikkerhet. 

For kraftenheter har Samsung SDI høy‑output‑ og høy‑kapasitetsbatterier. De leverer også optimale OPE‑batteriløsninger med høy energitetthet, stabil strømoutput og lang batterilevetid. De produserer også batterier med differensiert kapasitet og output. Til slutt produserer Samsung SDI også svært funksjonelle og lang‑levende batterier for IT‑enheter, inkludert smarttelefoner og wearables. 

Sent i januar 2025, kunngjorde Samsung 2024‑s fjerde kvartal og helårsresultater med KRW 16,59 billioner ($11,55 milliarder) i årlig omsetning og KRW 363,3 milliarder i årlig driftsresultat til tross for markedssvakhet. I fjerde kvartal var selskapets omsetning KRW 3,75 billioner, og registrerte en rekordhøy omsetning i ESS‑batterivirksomheten. 

2. LG Energy Solutions

I desember 2024, inngikk LG Energy Solutions samtaler med Indias JSW Energy om å produsere batterier for elektriske kjøretøy og lagring av fornybar energi i et joint venture som vil kreve en investering på over 1,5 milliarder dollar. Ifølge offentlig tilgjengelige rapporter signerte de to selskapene en innledende avtale om å danne et likestilt partnerskap hvor LGES vil bidra med teknologi og utstyr for batteriproduksjon, og JSW vil investere penger, ifølge en av kildene.

Generelt er selskapet kjent for Energy Storage Solution (ESS) batteries og avanserte bilbatterier. ESS‑divisjonen tilbyr høy‑energi‑ og høy‑output‑produkter for strømnett og ulike husholdningsprodukter. Disse batteriene produseres med førsteklasses battericell‑teknologi som er avledet ved å anvende avansert prosesskunnskap om laminering og stabling, en proprietær teknologi fra LG.

Disse batteriene har jevn energiproduksjon, lang batterilevetid og stabil struktur. LG ESS‑batteriene har også forbedret romlig effektivitet gjennom kompakt størrelse. Ved å anvende høy‑kapasitets, ultra‑slanke polymerbattericeller i utviklingen av nett‑ og bolig‑ESS, produserer selskapet slanke produkter som maksimerer plassutnyttelse og krever minimalt installasjonsareal. 

LG Energy Solutions er også den ledende leverandøren av celler, moduler, BMS (Battery Management System) og pakkeprodukter for elektriske kjøretøy‑batterier. Løsningene inkluderer høy‑energitetthets‑batterier som er lettvektige og lades raskt.

De ulike dimensjonene disse batteriene har sikrer maksimal plassutnyttelse ved å løse problemet med begrenset plass i kommersielle kjøretøy. Pouch‑type battericeller kan produseres i ulike lengder og bredder og er gunstige for å øke batterikapasiteten og muliggjøre optimalisering. 

I den siste uken i januar 2025 kunngjorde LG Energy Solution sine resultater for fjerde kvartal og helåret. For hele året rapporterte selskapet KRW 25,6 billioner i konsolidert omsetning og KRW 575,4 milliarder i driftsresultat, en år‑til‑år‑nedgang på henholdsvis 24,1 % og 73,4 %. Driftsmarginen var 2,2 % inkludert IRA‑skattefradragseffekten.

Fremtiden for batterier

Fremtiden for batteriteknologi og batteristyring vil forsøke forbedringer på flere områder. Den vil søke forbedret spesifikk energi og energitetthet (mer energi lagret per volum/vekt), lengre levetid, mindre brennbarhet, kortere ladetid for batteriet, og redusert nivåert energikostnad (LOCE). 

Forskere har undersøkt teknologisk utvikling for Li‑ion‑batterier i perioden 2019‑2030. De nevnte fire typer sannsynlige teknologiløsninger: konvensjonell Li‑ion, Gr‑Si‑anode eller Hi‑Ni‑katode, solid‑state‑batterier, og litium‑svovel/lukt. Tallene antyder at de nye batteriteknologiene alle vil overgå konvensjonell Li‑ion i løpet av det neste tiåret. 

Fremveksten av nye batteriteknologier vil revurdere valget av katode‑ og anodematerialer. For eksempel har et batteri med LFP‑katode lavere energitetthet enn et med NMC. Valg av katodemateriale er viktig siden det i betydelig grad påvirker den spesifikke energien på fullcelle‑nivå.

Valg av anodemateriale er også avgjørende. Anodemateriale, vanligvis grafitt, gir plass for litiumioner når batteriet er ladet. Antallet lagrede litiumioner er direkte knyttet til hvor mye elektrisk energi som lagres.

Forskere ser en gradvis overgang i katodeteknologi, fra en typisk Ni‑prosent på 50 % mot 80 % og 90 % for henholdsvis NMC‑ og NCA‑batterier. For å møte kapasiteten som tilbys av hi‑Ni‑prosentkatoder, vokser bruken av en liten mengde silisiumoksider eller rent silisium i grafitt‑anoder, ifølge rapporter, i popularitet blant celleprodusenter.

De fem nye batteriteknologiene som forventes å omdefinere fremtiden, omfatter NanoBolt litium‑tungsten‑batterier, sink‑mangan‑oksid‑batterier, organosilikon‑elektrolytt‑batterier, gull‑nanotråd‑gel‑elektrolytt‑batterier og TankTwo String Cell™‑batterier. 

NanoBolt litium‑tungsten‑batterier, for eksempel, lader raskere og lagrer mer energi. Sink‑mangan‑oksid‑batterier kan fungere effektivt som et alternativ til litium‑ion‑ og bly‑syrebatterier, spesielt for storskalalagring av energi for å støtte nasjonale strømnett. 

Kjemiprofessorene ved University of Wisconsin‑Madison, Robert Hamers og Robert West, har utviklet organosilikon‑ (OS) baserte flytende løsningsmidler som kan konstrueres på molekylært nivå for industrielle, militære og forbruker‑Li‑ion‑batterimarkeder.

Mens de eksperimenterte med geler, som ikke er like brennbare som væsker, forsøkte forskere ved University of California, Irvine, å belegge gull‑nanotråder med mangandioksid og deretter dekke dem med elektrolyttgel.

Selv om nanotråder vanligvis er for delikate til bruk i batterier, har disse løsningene blitt robuste, og den resulterende elektroden, oppdaget forskerne, gjennomgikk 200 000 sykluser uten å miste evnen til å holde en ladning. Dette sammenlignes med 6 000 sykluser i et konvensjonelt batteri.

String Cell™‑batteriet inneholdt en samling av små, uavhengige, selvorganiserende celler. Hver string‑celle besto av et plastdeksel dekket med et ledende materiale som gjorde det mulig å raskt og enkelt danne kontakt med andre. En intern prosesseringsenhet styrte tilkoblingene i den elektrokjemiske cellen.

For å legge til rette for rask lading av en el‑bil, ble de små kulene i batteriet sugd ut og byttet med oppladede celler på service‑stasjonen. På stasjonen kunne cellene lades opp i lavbelastningsperioder.

Med alle disse løsningene til disposisjon venter flere batterigjennombrudd på oss i fremtiden.