Ny grensesnittstrategi forbedrer ioneflyt i faststoffbatterier

Litium‑ion‑batterier har blitt den globale standarden. I dag er det den mest populære og mest brukte batteritypen, med en anslått markedsstørrelse på omtrent $65 billion i 2023.

Men, selvfølgelig, har de også ulemper, inkludert temperaturfølsomhet, sikkerhetsbekymringer og begrenset levetid.

For å gjøre Li‑ion‑batterier tryggere og kraftigere, blir flytende elektrolytter erstattet med faste for å lage faststoffbatterier, hvis marked er forventet å vokse med en CAGR på 41,6 % mellom 2024 og 2032. 

Et skifte til faststoffbatterier (SSB)

I et batteri er elektrolytten materialet som gjør det mulig for ioner å bevege seg gjennom enheten for å generere strøm.

Dermed er et batteri med en fast elektrolytt et faststoffbatteri, som gir høyere energitetthet, raskere lading, temperaturmotstand, lengre levetid og forbedret sikkerhet.

Til tross for deres potensial, står SSB-er også overfor flere utfordringer, inkludert kompleks produksjon og potensielle sikkerhetsproblemer knyttet til dendritt‑dannelse. I tillegg kan de oppleve interfasial delaminering, som begrenser ytelsen og levetiden. Sammen hindrer disse begrensningene en bred adopsjon av SSB-er. 

For å overvinne disse utfordringene, jobber forskere og selskaper over hele verden aktivt med å videreutvikle teknologien.

For eksempel, Samsung SDI har som mål en energitetthet på 900 Wh/L gjennom sin proprietære faste elektrolytt og anode‑løse teknologier, 40 % høyere enn sine nåværende batterier. 

Kinesiske giganter CATL og BYD gjør også betydelige fremskritt innen SSB‑teknologi, hvor førstnevnte arbeider med et hybrid «komprimert tilstand‑batteri» og sistnevnte forsker på oksid‑ og sulfid‑baserte faste elektrolytter, begge med mål om en energitetthet på 500 Wh/kg.

I EU har Volkswagen inngått partnerskap med QuantumScape (QS ). Batteridelen deres, PowerCo, har også sikret en lisensavtale for masseproduksjon av faststoffceller med en initial kapasitet på 40 GWh årlig, 30 % mer rekkevidde og ultrarask lading.

Nissan planlegger å starte masseproduksjon av sine første faststoffceller før tiåret er over, mens LG sikter mot 2030 for kommersialisering. Solid Power har i mellomtiden inngått partnerskap med Ford (F ), BMW og SK Innovation for å akselerere kommersialiseringen av all‑faststoffbatteriteknologi med fokus på sulfid‑baserte faste elektrolytter for elbiler.

Tidligere denne måneden avduket det tyske multinasjonale bilselskapet Mercedes‑Benz Group AG (tidligere Daimler) avduket den første bilen som drives av et litium‑metall‑SSB på veien. Prototypen SSB ble integrert i en EQS sent i fjor.

SSB-en i et EQS-basert kjøretøy kan øke kjørelengden med 25 %, bemerket selskapet.

Så, selv om det pågår, er kommersialiseringen av SSB-er fortsatt flere år unna. I mellomtiden har et forskerteam fra University of Texas at Dallas oppdaget en måte å øke ytelsen til faststoffbatterier på.

Forbedring av ionisk ledningsevne i SSB-er

Publisert i ACS Energy Letters, beskriver den siste studien oppdagelsen av en forbedret ionisk ledningsevne ved å blande en fast elektrolytt med en annen fast¹.

Denne økte ioniske ledningsevnen skyldes dannelsen av et romladningslag ved grensesnittet, og gir en ny strategi for utvikling av raske ioniske ledere for SSB-er. ‘Romladningslaget’, som et resultat av blanding av små partikler mellom to faste elektrolytter, er en opphopning av elektrisk ladning ved grensesnittet mellom de to materialene.

Det som skjer er at når de faste elektrolyttmaterialene, som er separate, kommer i fysisk kontakt, dannes et lag ved deres grense. Ved grensen samler ladde partikler seg på grunn av forskjeller i den kjemiske potensialen til hvert materiale.

Laget hjelper deretter med å skape kanaler som gjør det lettere for disse ladde partiklene eller ionene å bevege seg over grensesnittet. Ifølge studiens med‑korresponderende forfatter, Dr. Laisuo Su, som er førsteamanuensis i materialvitenskap og ingeniørfag ved Erik Jonsson School of Engineering and Computer Science:

«Tenk deg å blande to ingredienser i en oppskrift og uventet få et resultat som er bedre enn hver enkelt ingrediens alene.» 

Han la til:

«Denne effekten økte bevegelsen av ioner utover hva hver enkelt materiale kunne oppnå alene», la han til.

Dr. Su’s forskning fokuserer på å utvikle revolusjonerende materialer for fornybare energienheter i det oppladbare batteriområdet. I tillegg til en spesiell interesse for elektrolytter, både faste og flytende, samt elektrolytt‑elektrode‑grensesnittet hvor kritiske reaksjoner finner sted, arbeider han med å bygge avanserte verktøy for å overvåke kjemiske og elektrokjemiske reaksjoner som skjer i fornybare energianlegg.

«Denne oppdagelsen antyder en ny måte å designe bedre faste elektrolytter på ved nøye å velge materialer som interagerer på en måte som forbedrer ionisk bevegelse, noe som potensielt kan føre til bedre ytende faststoffbatterier.»

– Dr. Su

Som en del av UTDs Batteries and Energy to Advance Commercialization and National Security (BEACONS)-initiativ, som mottok 30 millioner dollar i finansiering fra Department of Defense ved oppstarten i 2023, har prosjektet som mål å utvikle og kommersialisere ny batteriteknologi og produksjonsprosesser, forbedre innenlandsk tilgjengelighet av kritiske råmaterialer, og utdanne høykvalitetsarbeidere for industrien.

Ifølge studiens med‑korresponderende forfatter, Dr. Kyeongjae Cho, som også er professor i materialvitenskap og ingeniørfag og direktør for BEACONS:

«Faststoffbatteriteknologi er en del av vår forskning på neste generasjons batterikjemi ved BEACONS-senteret, og det forventes å muliggjøre avanserte batterisystemer som forbedrer ytelsen til droner for forsvarsapplikasjoner.»

Litium‑ion‑batterier som for tiden brukes i forbrukerprodukter, inneholder primært flytende elektrolytter, som er brannfarlige og dermed medfører sikkerhetsproblemer.

Ettersom konvensjonelle Li‑ion‑batterier nærmer seg sin teoretiske grense for hvor mye energi de kan lagre, viser SSB‑er, ifølge Su, lovende evne til å generere og lagre mer enn dobbelt så mye kraft som batterier med flytende elektrolytter. Og fordi de ikke er brannfarlige, er de også tryggere.

Å flytte ioner gjennom faste materialer er imidlertid vanskelig, noe som skaper utfordringer i utvikling av faststoffbatterier.

Dermed studerte forskerne ytelsen til to lovende faststoffelektrolytt (SSE)-forbindelser. Dette inkluderer litium‑zirkoniumklorid (Li2ZrCl6) og litium‑yttriumklorid (Li3YCl6). 

Forskerne foreslo deretter en teori om hvorfor blandingen av disse økte ionisk aktivitet. «Grensesnittet dannet unike kanaler for iontransport», sa Su.

Fremover vil forskerne fortsette å studere hvordan sammensetningen og strukturen til grensesnittet resulterer i høyere ionisk ledningsevne.

Løsning av dendrittproblemet i SSB-er

Behovet for batterier med høyere energitetthet har ført til at et annet forskerteam arbeider med det kritiske dendrittproblemet. Opprinnelig ble det antatt at dendritter ikke kunne trenge gjennom den faste elektrolytten. Men, akkurat som andre batteriarkitekturer, er de også et problem for all‑faststoffbatterier.

Et team av ingeniører og materialvitenskapsfolk fra flere institusjoner i Kina har oppdaget² at metalltretthet ved anoden er en av de store årsakene til at SSB-er svikter over tid. Det bidrar også til nedbrytning av grensesnittet og vekst av dendritter. 

Gruppen brukte skanningelektronmikroskopi og fase‑felt‑simuleringer for å studere dendrittvekst i litium‑SSB-er.

Det de fant var at under lading og omlading forårsaket den konstante svellingen og sammentrekningen av litium metalltretthet i anoden, noe som fremmet dendrittvekst. Mer spesifikt ble den konstante ekspansjonen og kontraksjonen funnet å føre til utvikling av mikrohull og sprekker i anoden, som førte til dendrittvekst og nedbrytning, selv ved lave tettheter.

Når det gjelder hva en dendritt er, er det en trelignende struktur som dannes på grunn av kjemiske reaksjoner på anodens overflate.

Anoder i et batteri gjennomgår litium‑belaging og -fjerning under lade‑ og utladesykluser. I denne reversible prosessen blir litiumioner avsatt på anodens (belaging) overflate og fjernet (fjerning) fra den under de normale syklene (lading og utlading) av batteriet.

En ujevn avsetning av li‑ioner på anodens overflate fører imidlertid til at det dannes steder som tiltrekker flere li‑ioner, noe som fører til en kjede av litiumioner som vokser lengre. Den trelignende strukturen trenger deretter gjennom batteriet, bryter ned batteristrukturen og forårsaker kortslutning.

I SSB-er er det et stort kontaktområde mellom litiummetall og den faste elektrolytten. Og hvis det oppstår hulrom i den faste elektrolytten, fyller litiummetallet dem raskt, noe som forårsaker alvorlig dendritt‑dannelse og dyp sprekkutvikling gjennom elektrolytten.

Dermed publiserte Haegyeom Kim, en materialvitenskapsforsker ved Lawrence Berkeley National Laboratory i California, publiserte³ en løsning på dette problemet.

Studien deres beskriver bruk av et dobbelt bufferlag av tinn‑karbon på strøminnsamleren for å hindre dannelse av dendritter i litium, anode‑frie all‑faststoffbatterier (ASSB). I denne SSB‑arkitekturen blir en anode ikke konstruert på forhånd, men dannes under den første lade‑syklusen på strøminnsamleren av li‑ioner fra katoden for å redusere kompleksitet, vekt og kostnad.

Et tidligere papir fra forskere ved Samsung viste muligheten for å bruke sølv‑ og karbonlag som bufferlag i litiumbatterier, med en svært stabil og jevn litium‑belaging og -fjerning‑syklus.

Etter å ha studert hvorfor dette var effektivt, fant Kims team at sølv er svært litofilt, og li‑ionene legger seg jevnt på toppen av laget, selv ved høye konsentrasjoner av litium, noe som gjør litium‑belagingen svært homogen så lenge sølvavsetningen er jevn. 

Forståelsen av karbonens rolle her dannet imidlertid grunnlaget for det nye arbeidet, hvor teamet valgte tinn, som fungerer bedre enn det kostbare sølvet.

For å finne ut karbonens rolle, designet teamet flere tester og brukte fire forskjellige batteri‑halvceller. En med et tinn‑bufferlag, en uten bufferlag, en med tinn på toppen av karbon‑bufferlaget, og en med karbon på toppen av tinn‑bufferlaget.

Lagene ble avsatt på en rustfri ståls strøminnsamler, og bufferlaget med karbon på toppen av tinn viste best ytelse.

«Vi innså at tinn fungerer som et litofilt lag som sølv, så tinn‑posisjoneringen er viktig, da det er der belagingen skjer.»

– Kim

Karbonlaget ble funnet å være litofobt, noe som betyr at li‑ioner hadde problemer med å bevege seg gjennom dette laget, og heller ønsket å gå motsatt vei. Å plassere det på tinnet hindret migrasjon av litium fra det nyutviklede belagingslaget på tinnet og stoppet dendritt‑penetrasjon inn i elektrolytten.

«Det handler ikke bare om de iboende egenskapene til ett enkelt materiale. Hvordan vi kombinerer dem er så viktig, da det kan endre egenskapene til barrierlaget betydelig.»

Teamet jobber nå med nye bufferlag med bedre ytelse, tester over lengre sykluser, og går videre til mer praktiske systemer.

Fjerning av hulrom for å øke levetiden

Et nytt gjennombrudd i å bringe SSB-er ett steg nærmere virkelige anvendelser ble gjort ved å forstå hvorfor tilsetning av små mengder metaller som magnesium til anoden forbedrer batteriytelsen.

Selv om dette ofte gjøres, var det ikke kjent hvorfor dette var tilfelle før nå. 

For dette undersøkte forskere fra University of Houston alt som skjer i SSB-er ved hjelp av operando skanningelektronmikroskopi for å forstå hvorfor de brytes ned og hva som kan gjøres for å bremse prosessen.

«Denne forskningen løser et langvarig mysterium om hvorfor faststoffbatterier noen ganger svikter», sa korresponderende forfatter Yan Yao, Hugh Roy og Lillie Cranz Cullen Distinguished Professor i elektroteknikk og datateknikk og hovedforsker ved Texas Center for Superconductivity.

Deres oppdagelse⁴, ifølge Yao, gjør at SSB-er kan fungere under lavere trykk. Dette kan potensielt redusere behovet for klumpete ekstern innkapsling og forbedre total sikkerhet.

Det som er lært er at over tid dannes små hulrom inne i batteriet som danner et stort gap, noe som får batteriet til å svikte. Gjennom flere forsøk ble det avdekket at bare å tilsette en liten mengde elementer som magnesium (Mg) kan lukke disse rommene og hjelpe batteriet å fortsette å fungere.

«Med bare en liten justering av batterikjemien kan vi dramatisk forbedre ytelsen, spesielt under praktiske forhold som lavt trykk.»

– Første forfatter Lihong Zhao, førsteamanuensis i elektroteknikk og datateknikk ved UH

SSB-er trenger høyt ekstern stablingspress for å holde seg intakte under drift, men som Zhao bemerket, «ved nøye justering av batterikjemien kan vi betydelig senke trykket som trengs for å holde den stabil».

Forskere fra University of Missouri brukte i mellomtiden fire‑dimensjonal skanningstransmisjonselektronmikroskopi (4D STEM) for å vurdere batteriets atomstruktur.

Det de fant var at når den faste elektrolytten berører katoden, reagerer den og danner et interfasialt lag på 100 nm, som blokkerer li‑ioner og elektroner fra å bevege seg lett, og dermed begrenser batteriytelsen.

Forskningsgruppen planlegger nå å teste om tynne film‑materialer dannet ved en damp‑fase‑deponeringsprosess (oMLD) kan gi en beskyttende belegg «tynn nok til å forhindre reaksjoner» mellom den faste elektrolytten og katodematerialene, «men ikke så tykk at den blokkerer litium‑ion‑flyt».

Bruk av AI for å støtte SSB-forskning og -utvikling

Med kunstig intelligens som transformerer industrier, er det fornuftig at forskere også bruker dens hjelp til å løse problemet med SSB‑forskning og -utvikling, som er ressurs‑ og tidskrevende.

Det komplekse kjemiske miljøet i SSB gjør faktisk ytelsesforutsigelse vanskelig og forsinker storskala industrialisering. 

I en studie⁵ fra forrige uke påpekte ingeniører fra Soochow University og Nanjing University, Kina, AI‑potensialet for å muliggjøre effektiv materialscreening og ytelsesforutsigelse. Den siste fremgangen i bruk av maskinlærings‑ (ML) algoritmer, bemerket de, kan brukes til å grave i omfattende materialdatabaser og akselerere oppdagelsen av høy‑ytelses materialer egnet for SSB‑er.

Den raske utviklingen av AI‑teknologi gir, ifølge studien, nye ideer for å takle de største utfordringene med SSB‑er, som er anode‑grensesnittet, katode‑grensesnittet, syntese og oppdagelse av elektrolytter, og batteriproduksjon.

Forskere fra Skoltech og AIRI Institute utnyttet også nevrale nettverk og fant dem i stand til å identifisere lovende materialer for den faste elektrolytten samt dens beskyttende belegg.

«Vi demonstrerte at graf‑nevrale nettverk kan identifisere nye faststoffbatterimaterialer med høy ionisk mobilitet og gjøre det flere størrelsesordener raskere enn tradisjonelle kvantekjemi‑metoder», sa hovedforfatter Artem Dembitskiy, og potensielt akselererer utviklingen av nye batterimaterialer.

Ved å bruke den maskinlærings‑akselererte tilnærmingen identifiserte forskerne forbindelsene Li3AlF6 og Li2ZnCl4 som lovende beleggmaterialer for den superioniske litium‑lederen Li10GeP2S12.

Investering i SSB‑teknologi

Når det gjelder investering i et selskap som aktivt fremmer faststoffbatteriteknologi, Toyota (TM ) tilbyr solid potensial. 

Den japanske bilprodusenten har inngått partnerskap med Panasonic for å danne et joint venture kalt Prime Planet Energy & Solutions, med fokus på sulfid‑baserte faste elektrolytter. Selskapet planlegger å starte produksjon neste år, med masseproduksjon forventet først i 2030, med mål om 1 000 km rekkevidde, 10‑minutters hurtiglading, og en årlig kapasitetsmål på 9 GWh.

Det har også inngått partnerskap med Idemitsu Kosan for masseproduksjon av sulfid‑baserte elektrolytter innen 2027–2028.

Toyota Motor Corp (TM )

Toyotas forhold til faststoffbatterier begynte for nesten to tiår siden med etableringen av en Batteriforskningsavdeling, som har som formål å utvikle neste generasjons batterier for hybrid‑ og el‑kjøretøy.

Når det gjelder markedsytelsen til Toyota Motors, har den vært ganske sterk, med aksjene som for tiden handles til $183,60. Selv om de er ned 4,87 % år‑til‑dato, er de opp over 17 % siden april‑bunnen. Bare i fjor, i mars, oversteg selskapets aksjekurs $255 og nådde et nytt toppnivå.

Med en markedsverdi på $292,4 milliarder, er Toyotas EPS (TTM) 24,01, og P/E (TTM) er 7,71. Den tilbyr også en attraktiv utbytteavkastning på 3,27 %.

Selskapets finansielle resultater for Q1 2025 viste<span style="font-weight: