Fastfasbatterier: forskning om fasta elektrolyter och utmaningar för elbilar

Fastfasbatterier: forskning om fasta elektrolyter och utmaningar för elbilar

Litiumjonbatterier dominerar i dagens elbilar, men har begränsningar när det gäller bland annat energitäthet, livslängd och säkerhet.

Dendriter, metalliska utväxter som under vissa förhållanden kan orsaka kortslutning, är en säkerhetsrisk. Brännbara elektrolyter kan också bidra till brandrisk.

Källa: Nobel Prize

Fastfasbatterier använder en fast elektrolyt i stället för en flytande. De kan förbättra energitäthet och säkerhet, men eliminerar inte automatiskt dendriter eller alla andra risker.

Toyota har angett 2027–2028 som mål för kommersialisering av fastfasbatterier. Tekniken är en möjlig del av framtiden för mobilitet.

Utmaningar kvarstår, bland annat för fasta elektrolyter av granattyp, såsom Li7La3Zr2O12, LLZO.

Forskare vid McGill University i Kanada har undersökt en ny LLZO-baserad kompositelektrolyt. Resultaten publicerades i Cell Reports Physical Science under titeln ”4.8‑V all‑solid‑state garnet‑based lithium‑metal batteries with stable interface”.

Fasta elektrolyter

LLZO

Fastfasbatterier behöver en elektrolyt. Skillnaden är att elektrolyten är fast i stället för flytande.

Elektrolyten transporterar joner mellan elektroderna. Vanliga grupper är keramiska elektrolyter, polymerelektrolyter och kompositelektrolyter som kombinerar flera material.

Kompositelektrolyter kan kombinera polymerer med jonledande oorganiska material som LLZO för att underlätta transport av litiumjoner.

Kontakt mellan elektrolyt och elektrod är en viktig utmaning. Hög jonledningsförmåga i materialet räcker inte om gränsytan fungerar dåligt.

Poröst LLZO

Forskarna utformade ett poröst keramiskt ramverk i stället för en konventionell tät struktur.

Kompositelektrolyten består av ett kubiskt Li6.1Al0.3La3Zr2O12-ramverk och polyvinylidenfluorid, PVDF, i en sammanhängande tredimensionell struktur.

På mikroskopisk nivå bildar materialet en komplex tredimensionell struktur med små porer:

Källa: Cell

Strukturen förbättrar kontakten mellan materialen och kan underlätta jontransport och vidhäftning vid elektroden.

Källa: Cell

Stabilare gränsytor och längre livslängd

Fastfasbatterier kan ge hög energitäthet, men deras prestanda beror på material och konstruktion. Tillverkning i stor skala och bibehållen kapacitet under många cykler är fortsatt utmanande.

Forskarna testade därför hur den nya gränsytan klarade upprepade laddnings- och urladdningscykler.

Efter 200 cykler visade mikroskopiska analyser inga tydliga sprickor eller delaminering i den undersökta gränsytan.

Källa: Cell

Prototypen visade lovande motståndskraft mot dendritbildning under de undersökta förhållandena.

Symmetriska litium–litiumceller med kompositelektrolyten kunde cyklas stabilt i 1 000 timmar vid 0,1 respektive 0,5 mA/cm². Detta är ett laboratorietest av gränsytan mot litiummetall, inte ett mått på en färdig elbils batterilivslängd.

Möjliga säkerhetsfördelar

Minskad dendritbildning och mindre användning av brännbara flytande elektrolyter kan förbättra säkerheten. Säkerheten hos färdiga batteripaket måste ändå testas separat.

Den keramiska kompositelektrolyten var 125 μm tjock. Tjocklek och mekaniska egenskaper påverkar möjligheten att uppnå hög energitäthet.

Tillverkningsmetoden bygger på etablerade material och processer, men kostnader, kvalitet och uppskalning behöver utvärderas innan kommersiell produktion kan bedömas.

Källa: Cell

Resultaten är ett forskningsframsteg för stabilitet och gränsytekontakt. De bevisar inte att alla krav på säkerhet, energitäthet och storskalig produktion redan är uppfyllda.

Blir fastfasbatterier dominerande?

Det är ännu osäkert om fastfasbatterier blir den nya standarden för elbilar inom de närmaste åren.

Batterier med flytande elektrolyter utvecklas också. Förbättrade material och strukturer kan minska dendritbildning och förbättra prestanda.

Ett exempel är CATL:s batterier med bikakeliknande struktur , som också utvecklas för hög energitäthet och säkerhet.

Bättre förståelse av batterimaterial på mikro- och nanonivå kan förbättra prestanda. Ingen enskild struktur har dock visats undanröja dendritrisken för alla batterier.

Investeringar i batteriteknik

Litiumbatterier har möjliggjort bärbar elektronik och bidragit till elektrifieringen av transporter.

Batterier kan också stödja elsystem med mer förnybar energi. Elektrifiering av flyg kräver bland annat tillräcklig energitäthet; inget av detta följer automatiskt av en enskild laboratoriestudie.

Batterirelaterade företag kan handlas via olika mäklare. Här på Securities.io finns jämförelser för bland annat USA, Kanada, Australien, Storbritannien, flera andra länder.

Den som vill sprida investeringarna över flera batterirelaterade företag kan även undersöka ETF:er som Amplify Lithium & Battery Technology ETF (BATT), Global X:s Lithium & Battery Tech ETF (LIT)eller WisdomTree Battery Solutions UCITS ETF . Fonderna har olika innehav, avgifter och risker. Diversifiering garanterar ingen avkastning.

Företag som utvecklar fastfasbatterier

QuantumScape (QS ) utvecklar fastfasbatterier med litiummetall och har länge arbetat mot kommersialisering.

Företagets konstruktion beskrivs som anodfri i det ursprungliga, urladdade tillståndet.

Vid laddning bildas en anod av litiummetall på strömkollektorn. Anodfri betyder därför inte att batteriet saknar anod under drift. Konstruktionen kan förbättra energitäthet, men kräver fungerande material och tillverkning.

Källa: QuantumScape

Vi har även beskrivit anodfria natriumbatterier i artikeln ”Anodfria fastfasbatterier med natrium kan minska beroendet av litiumtriangeln”.

QuantumScapes tidsplaner för storskalig produktion har flyttats fram, vilket har påverkat investerarnas förväntningar.

Företaget rapporterade flera utvecklingssteg under 2023 och 2024:

• Jämnare tillverkningsresultat och bättre produktionskvalitet.
• Förbättrad cellkonstruktion med mindre interna marginaler, tunnare strömkollektorer och smalare ram.
• Leverans av celler med hög katodbelastning till partner inom bilindustrin.
• Utveckling av QSE-5, företagets planerade första kommersiella cell. Utvecklingsprov och planerade kundprojekt är inte samma sak som en färdig produkt i massproduktion.

QuantumScape har rapporterat lovande resultat, men det går inte att slå fast att företaget har den mest mogna tekniken bland alla utvecklare.

Källa: QuantumScape

Avtalet med Volkswagens PowerCo

QuantumScape har ett samarbete med Volkswagen, en av världens stora biltillverkare .

I juli 2024ingick QuantumScape och Volkswagens batteribolag PowerCo ett avtal om industrialisering av QuantumScapes fastfasbatteriteknik.

Under förutsättning att avtalade tekniska milstolpar uppnås kan licensen ge PowerCo rätt att tillverka upp till 40 GWh per år, med möjlighet till ytterligare 40 GWh. Detta är licensierad möjlig kapacitet, inte redan etablerad produktion.

Licensen är icke-exklusiv och royaltybaserad, vilket gör det möjligt för QuantumScape att samarbeta med andra kunder.

Avtalet omfattar en förskottsbetalning på 130 miljoner dollar som ska avräknas mot framtida royalty. Betalningen är villkorad av att angivna milstolpar uppnås.

QuantumScape bedömde att avtalet kunde förlänga bolagets finansieringshorisont med omkring 18 månader, in i 2028. Det var en prognos med förutsättningar, inte en garanti.

Ytterligare finansieringstid kan stödja utveckling och uppskalning, men garanterar inte kommersiella intäkter eller lönsamhet.

En framtida marknadsposition beror på prestanda, kostnader, tillverkningskvalitet och konkurrens från bland annat CATL, BYD och Panasonic.

PowerCo-avtalet visar industriellt intresse för tekniken. De tekniska och kommersiella villkoren måste ändå uppfyllas.

Källa: QuantumScape

Toyotas mål för 2027–2028 och andra företags planer visar att utvecklingen fortsätter. Tidsplanerna bevisar inte att tekniken redan är mogen för bred kommersiell användning.