Vätebatterier som fungerar i kylan

När de tidigare sågs som enkla kraftkällor, står batterier idag i hjärtat av världens renenergitransformation som en av de snabbast växande teknologierna som formar vår framtid.

Bland batterityper är litiumjonbatterier det föredragna valet för att driva allt från mobiltelefoner till elfordon (EVs).

Litiumjonbatterier dök först upp kommersiellt i början av 1990-talet, men efterfrågan på dem ökade exponentiellt under det senaste decenniet, från bara 0,5 gigawattimmar (GWh) år 2010 till cirka 526 GWh ett decennium senare.

En nästan 90 % minskning av litiumjonbatterikostnader, från ungefär 1 400 USD per kWh år 2010 till 140 USD per kWh år 2023, kombinerat med framsteg i energitäthet och cykellivslängd, har stärkt deras dominans i elfordons‑ och energilagringsapplikationer.

Ett stort problem med uppladdningsbara batterier som litiumjonceller är dock att de inte gillar kyla.

Varför batterier misslyckas i kylan (och hur ingenjörer löser det)

Batterier presterar dåligt i kalla förhållanden. Det beror på deras interna elektrokemiska reaktioner som saktar ner vid under noll grader.

De flesta batterier har tre huvuddelar:

• Elektroder
• Elektrolyt
• Separator

Det finns två elektroder i ett batteri, och båda är gjorda av ledande material. En elektrod, känd som katoden, är ansluten till batteriets positiva ände, och det är här den elektriska strömmen lämnar batteriet under urladdning. Den andra elektroden, känd som anod, är ansluten till batteriets negativa ände, och det är här den elektriska strömmen går in i batteriet under urladdning. 

De två hålls åtskilda med separatorn för att förhindra kortslutning. Mellan dessa elektroder finns en flytande elektrolyt, som innehåller elektriskt laddade partiklar, eller joner. Genom att kombinera med materialen som utgör elektroderna, framkallar elektrolyten kemiska reaktioner som möjliggör att ett batteri genererar en elektrisk ström.

I fallet med litiumjonbatterier är elektrolyten vanligtvis ett litiumsalt i lösning som överför laddningsbärande partiklar (joner) mellan batteriets elektroder. Men när det är kallt, saktar jonerna ner och kan inte korrekt samarbeta med elektroderna, vilket påverkar batteriets förmåga att generera lika mycket ström innan det töms. 

Dessutom, om för mycket litium deponeras på en elektrod, kan det leda till kortslutning och orsaka brand.

Således påverkar kallt väder batteriets livslängd kraftigt. Både effektiviteten och den användbara kapaciteten hos ett batteri minskas avsevärt. En AAA‑undersökning från förra året visade att räckviddsminskningen under vintern och oro för långsammare laddning har bidragit till att farten i EV‑utvecklingen avtar.

För att övervinna detta problem har företag runt om i världen arbetat med nya och bättre batterikemi.

Till exempel det kinesiska batterijättföretaget CATL meddelade den andra generationen av sitt natrium‑jonbatteri, som kan urladdas vid temperaturer så låga som minus 40 °C och har förbättrade säkerhetsåtgärder, med målet att överstiga 200 Wh per kilogram i energitäthet. 

Medan natrium‑jonbatterier sägs vara säkrare och mer motståndskraftiga mot kyla än litiumjonbatterier, har de en lägre energitäthet och högre produktionskostnader.

Samtidigt har ingenjörer vid University of Michigan utvecklat en modifierad tillverkningsprocess¹ för EV‑batterier för att möjliggöra hög räckvidd och snabb laddning i kallt väder.

Teamet skapade kanaler på 50 mikrometer i anoden och applicerade ett 20 nm tjockt lager av ett glasartat material av litiumborat‑karbonat för att förhindra bildning av litiumplätering på batteriets elektroder. Litiumjon‑EV‑batterier tillverkade med dessa modifieringar kan laddas 500 % snabbare vid 14 °F (‑10 °C) och behålla 97 % av sin kapacitet även efter 100 snabbladdningar vid så låga temperaturer.

“För första gången har vi visat en väg för att samtidigt uppnå extrem snabb laddning vid låga temperaturer, utan att offra energitätheten i litiumjonbatteriet.”

– Medförfattare Neil Dasgupta, associerad professor i maskinteknik och materialvetenskap vid U‑M

Andra arbetar med att optimera elektrolytformuleringar och modifiera anodmaterial, bygger specialiserad batteriteknik, införlivar tjockare isolering med inbyggda värmare, föreslår temperaturkontrollerad smart laddning², och presenterar en prediktiv styralgoritm³ för att justera batteritemperaturen, bland andra lösningar.

Mitt i dessa pågående framsteg inom material, elektrolyter och annan teknik för att tackla batteriers utmaningar i kallt väder, utforskar forskare även alternativa energilagringssystem såsom vätebaserade batterier.

Vätebatterier: Hur de fungerar och varför de är viktiga

Väte är en ren energikälla som, när den förbrukas i en bränslecell, bara producerar vatten. Det är en energibärare som kan lagra och leverera energi som genererats från andra källor.

Det mest förekommande kemiska grundämnet i universum, väte kan produceras från naturgas, biomassa och kärnkraft, samt från förnybara källor som vind och sol.

Denna färglösa, luktfria och mycket brandfarliga gas är också en nyckelkomponent i vatten och alla organiska föreningar.
Swipe to scroll →

Väte är faktiskt en nyckelkomponent i solen. Det omvandlas till energi genom kärnfusion i dess kärna. Under enormt tryck och värme smälter väteatomer ihop och bildar helium, vilket frigör enorma mängder energi. Denna energi färdas sedan utåt genom solens lager och strålar ut i rymden som ljus och värme. 

På jorden är väte ett attraktivt bränslealternativ och erbjuder längre batterilivslängd jämfört med litiumjonbatterier. 

För att utvärdera de tekniska och finansiella prestanda för ett vätebatterilagringssystem och ett litiumjonbatteri, bedömde forskare från University of New South Wales (UNSW) två kommersiellt tillgängliga system, LAVO och Tesla Powerwall 2 (TSLA ) ⁴. De fann att det förstnämnda har större energiförluster. 

Dock visade sig vätebatterier ha mindre kapacitetsdegradering och högre energitäthet än litiumjonbatterier, vilket gör att de kan lagra mer energi under längre tid. Deras förmåga att uthärda 18 % fler ladd‑urladdningscykler än Li‑ion‑batteriet gör dem ”lämpliga för avlägsna applikationer som kräver förlängd energilagringsduration.”

En separat studie från University of Science and Technology of China (USTC) utvecklade ett nytt kemiskt batterisystem⁵ för en säkrare, mer hållbar framtid för batteridrivna system.

Medan nuvarande vätebaserade batterier använder H₂ som katod, vilket begränsar deras spänningsintervall och energilagringskapacitet, föreslog USTC‑forskarteamet att använda det som anod. Teamet utvecklade en prototyp med en litiumanod, en fast elektrolyt och ett platinklätt gasdiffusionslager som fungerar som vätekatod.

Teamet rapporterar en teoretisk specifik energi upp till 2 825 Wh/kg, en ~3 V urladdning och 99,7 % rund‑turs‑effektivitet i deras Li‑H‑konfiguration — vilket indikerar stark potential, även om 2 825 Wh/kg‑talet inte är ett realiserat paket‑nivåmått.

För att förbättra kostnadseffektiviteten byggde teamet ett Li‑H‑batteri utan anod. Här hämtas litiumdeposition från litiumsalter under laddning. Den förbättrade versionen möjliggör effektiv litiumplätering och avlägsnande och fungerar stabilt även vid låga vätekoncentrationer, vilket minskar beroendet av högtrycks‑väte‑lagring.

Jämfört med vanliga nickel‑väte‑batterier erbjuder Li‑H‑systemet förbättrad energitäthet och effektivitet, vilket öppnar för framtida utforskning av Li‑H‑batteriteknikens tillämpningar.

Trots de många fördelarna med väte för ren energilagring är lagring av det inte enkelt. Faktum är att lagring är en stor utmaning vid användning av väte.

Ba–Ca–Na‑hydrid‑elektrolyten som låser upp låg‑temp‑väte‑lagring

Att lagra väte kräver antingen extremt låga temperaturer (−252,8 °C) eller höga tryck (350 till 700 bar), eller båda. Att lagra det i fast form undviker säkerhetsriskerna med högtrycks‑gastankar, men stöter på materialbegränsningar vid låga temperaturer.

För att tackla detta undersökte forskare från Institute of Science Tokyo (Science Tokyo) hydridjon‑medierad elektrokemisk väte‑lagring, vilket ledde dem till upptäckten av en lovande hydridjon‑ledande fast elektrolyt⁶ från ett barium‑, kalcium‑ och natrium‑hydrid‑system.

Kombination av joner av olika storlekar har rapporterats ge superjonisk ledningsförmåga, och i jakten på detta kombinerade forskarna sina joner: BaH₂‑CaH₂‑NaH.

Den resulterande fasta elektrolyten, anti‑α‑AgI‑typ Ba₀.₅Ca₀.₃₅Na₀.₁₅H₁.₈₅, har en enastående elektrokemisk stabilitet och ledningsförmåga för hydridjoner (H⁻). 

Det är anmärkningsvärt att den elektrokemiska stabiliteten faktiskt möjliggör flexibel koppling med många metall‑hydrid‑elektroder. Så elektrolyten fungerar bra med flera metall‑väte‑elektroder, såsom titanhydrid och magnesiumhydrid (MgH₂), vilket möjliggör högkapacitativ, reversibel väte‑lagring vid låga temperaturer.

I initiala experiment testade forskarna sin elektrolyt i ett system där den placerades mellan TiH₂ (titaniumdihydrid är en förening av titan och väte) och titanreferenselektroder, samt acetylengrupp och molybdenström‑samlar‑elektroder. 

Detta gjorde att forskarna kunde fastställa den fasta elektrolytens stabila potentiella fönster, vilket är det bästa någonsin rapporterade.

En hög H⁻‑ledningsförmåga rapporterades också av forskarna, vilket berodde på elektrolytens kropp‑centrerade kubiska (bcc) struktur. Denna struktur har en lägre packningsdensitet, vilket ger “en öppen väg för jontransport.” Högt polariserbara katjoner i ramen bidrog också till den höga jonledningsförmågan.

Sedan, för att testa sina elektrolyters väte‑lagringskapacitet, producerade forskarna en cell med MgH₂.

MgH₂ är en kemisk förening som studeras för väte‑lagring på grund av dess höga kapacitet och låga kostnad. Detta material kan integreras i ett batteriliknande system där väte lagras och frigörs under laddning och urladdning. Dock har dess användning begränsats av oönskade sido‑reaktioner, dålig väte‑absorptions‑ och desorptions‑reversibilitet, samt behov av temperaturer så höga som 300 °C och uppåt.

Men forskarna lyckades få Mg‑H₂‑celler att fungera som väte‑lagringsenheter, vilket demonstrerade en kapacitet på 2 030 mAh/g vid 90 °C.

Från 300–400 °C till ~90 °C: Ett praktiskt låg‑temp‑vätebatteri

Det nya vätebatteriet från Science Tokyo‑forskarna har övervunnit de låga kapacitets‑ och högtemperatur‑gränser som tidigare metoder hade. Istället för att operera vid 300‑400 °C (572‑752 °F), vilket krävs för nuvarande fasta väte‑lagringsmetoder, fungerar detta batteri vid 90 °C (194 °F).

Batteriet fungerar genom att låta hydridjoner migrera genom en fast elektrolyt, vilket möjliggör att magnesiumhydrid (MgH₂) lagrar och frigör väte upprepade gånger med full kapacitet.

Med denna utveckling erbjuder forskarna ett praktiskt sätt att lagra vätebränsle, vilket banar väg för väte‑drivna fordon och rena energisystem.

“Vi demonstrerade driften av ett Mg‑H₂‑batteri som en säker och effektiv väte‑energilagringsenhet, med hög kapacitet, låg temperatur och reversibel vätegas‑absorption och -frigöring.”

– Biträdande professor Naoki Matsui

Medan vätebatterier med fasta komponenter redan existerar, kräver de höga driftstemperaturer. Det nya vätebatteriet kan dock uppnå den fulla teoretiska lagringskapaciteten för MgH₂‑anoden och hög jonledningsförmåga vid rumstemperatur. Detta beror på den fasta elektrolyten Ba₀.₅Ca₀.₃₅Na₀.₁₅H₁.₈₅.

Tillverkad av barium (Ba), kalcium (Ca) och natriumhydrid (NaH), kan elektrolyten flytta hydridjoner (H⁻) effektivt.

Den har en kristallstruktur (anti‑α‑AgI‑typ), känd för sin superjoniska ledningsförmåga. I denna struktur ockuperar Ba, Ca och Na kropp‑centrerade positioner, medan hydridjoner rör sig genom ansikte‑delande oktaedriska och tetraedriska platser, vilket möjliggör fri migration. 

Detta nya batteri fungerar som ett Li‑Ion‑batteri, men istället för att flytta positivt laddade joner genom elektrolyten, använder det hydridjoner som bär en negativ laddning och kan passera genom dess kristallstruktur.

Batteriet använder magnesiumhydrid (MgH₂) som anod och vätegas (H₂) som katod. 

Under laddning släpper MgH₂‑anoden hydridjoner, som migrerar genom den nya elektrolyten till katoden, där de oxideras för att frigöra vätegas.

Processen vänder sig under urladdning, där vätegasen vid katoden reduceras till hydridjoner, genom en kemisk reaktion, som rör sig genom elektrolyten till anoden, där den reagerar med Mg för att bilda MgH₂. Oxidations‑reduktions‑reaktionen (redox) får den negativt laddade anoden att förlora elektroner, vilka flödar genom en extern krets till katoden med en netto positiv laddning, vilket levererar kraft till anslutna system.

Detta möjliggör att den fasta cellen kan lagra såväl som frigöra H₂ när så behövs vid temperaturer strax under vattnets kokpunkt.

Med denna cell nådde forskarna den fulla teoretiska lagringskapaciteten för MgH₂ över upprepade cykler. Kapaciteten på 2 030 mAh per gram är mycket högre än för litium‑ion‑batterier, som ligger mellan 154 och 203 mAh per gram.

“Dessa egenskaper hos vårt väte‑lagringsbatteri var tidigare oåtkomliga genom konventionella termiska metoder eller flytande elektrolyter, och ger en grund för effektiva väte‑lagringssystem som är lämpliga som energibärare.”

– Takashi Hirose, studiens huvudförfattare och docent vid Kyoto Universitys Institute of Chemical Research (ICR)

Även om batteriet ännu inte är redo för daglig användning, är detta en banbrytande utveckling för väteenergihantering vid mycket lägre temperaturer än tidigare möjligt, vilket banar vägen för mer effektiva och enklare väte‑lagring. 

Detta kan leda till att vätebatterier ersätter de tunga litium‑ion‑batterierna, som försämras och upplever minskad effektivitet över tid, i elbilar.

Dessutom, genom att möjliggöra väte‑lagring utan behov av högtryckssystem, extrem kylning eller höga driftstemperaturer, kan denna nya batteridesign stödja väte som en grön energikälla och påskynda den pågående övergången till grön energi.

Forskarnas nästa steg är att utveckla fasta elektrolyter och elektrodmaterial med ännu högre jonledningsförmåga. De kommer också att arbeta med enhetsdesigner med lägre driftstemperaturer och förbättrad energieffektivitet.

Investering i vätebatteriteknik

Bloom Energy Corporation (BE ) är verksamt inom design och tillverkning av fast‑oxid‑bränsleceller (SOFC). Dess bränslecellssystem levererar el på plats för halvledartillverkning, datacenter, stora verk och andra sektorer. Företaget har installerat totalt 1,5 GW kraft på mer än 1 200 anläggningar globalt. 

Företaget har två produkter: Bloom Electrolyzer för vätetillverkning och Bloom Energy Server för elproduktion.

När det gäller Blooms marknadsprestanda har företaget haft en massiv uppgång i år. Upp 391 % YTD nådde BE‑aktier ett historiskt högsta (ATH) på 125,75 $ bara den här månaden. Med detta har de ett EPS (TTM) på 0,11 och ett P/E (TTM) på 1 013,28.

När det gäller företagets finansiella ställning rapporterade Bloom en omsättning på 401,2 miljoner $ för Q2 2025, upp 19,5 % jämfört med samma kvartal föregående år. Bruttomarginalen var 26,7 % och den icke‑GAAP‑bruttomarginalen 28,2 % medan rörelseförlusten var 3,5 miljoner $ under perioden.

“När onsite‑kraft blir alltmer självklart, med den snabba AI‑tillväxten, har det aldrig funnits ett bättre marknadspull för Bloom‑produkterna. Till skillnad från alternativ är våra produkter skräddarsydda för den digitala revolutionen.”

– Grundare och VD KR Sridhar

Efter samarbete med Oracle (ORCL ) för att leverera onsite‑kraft till deras AI‑datacenter, har Bloom Energy nu gått in i partnerskap med Brookfield (NYSE: BAM), som kommer att investera upp till 5 miljarder $ för att distribuera deras bränslecellsteknik. Tillsammans skapar de ”en ny blueprint för att driva AI i stor skala”.

Senaste nyheter och utveckling kring Bloom Energy Corporation (BE)‑aktier

Slutsats

Med sin höga energieffektivitet, höga energitäthet och långa cykel‑livslängd har litium‑ion‑batterier blivit ett populärt val för elfordon såväl som energilagring. Men naturligtvis innebär kallt väder en stor utmaning för dessa batterier, vilket leder till minskad kapacitet och effektivitet. 

När forskare och företag världen över utvecklar nästa generations batteridesign, har väte fått ökad uppmärksamhet som energibärare och framtidens bränsle.

Det nya vätebatteriet med fast elektrolyt markerar ett milstolpe med sin förmåga att lagra och frigöra väte vid extremt låga temperaturer, fyra gånger kallare än tidigare modeller. Genom att möjliggöra stabil drift och full teoretisk kapacitet kan detta genombrott möjliggöra skapandet av tätare, längre‑livade batterier för EV, vilket avsevärt förbättrar deras prestanda i extrema klimat.

Klicka här för en lista över de bästa batteriaktierna.

Referenser:

1. Cho, T. H., Chen, Y., Liao, D. W., Kazyak, E., Penley, D., Jangid, M. K., & Dasgupta, N. P. (2025). Möjliggör 6C‑snabbladdning av litium‑jon‑batterier vid under noll‑grader via gränssnitts‑ingenjörskonst och 3D‑arkitekturer. Joule, 9(5), 101881. https://doi.org/10.1016/j.joule.2025.101881
2. Ruan, G., & Dahleh, M. A. (2025). Temperaturkontrollerad smart laddning för elfordon i kalla klimat. arXiv. https://doi.org/10.48550/arXiv.2501.01105
3. Lu, Z., Tu, H., Fang, H., Wang, Y., & Mou, S. (2024). Integrerad optimal snabbladdning och aktiv termisk hantering av litium‑jon‑batterier i extrema omgivningstemperaturer. arXiv. https://doi.org/10.48550/arXiv.2404.04358
4. Hassan, M. U., Bremner, S., Menictas, C., & Kay, M. (2024). Utvärdering av väte‑ och litium‑jon‑batterier i takmonterade sol‑PV‑system. Journal of Energy Storage, 86(Part A), 111182. https://doi.org/10.1016/j.est.2024.111182
5. Liu, Z., Ma, Y., Khan, N. A., Jiang, T., Zhu, Z., Li, K., Zhang, K., Liu, S., Xie, Z., Yuan, Y., Wang, M., Zheng, X., Sun, J., Wang, W., Meng, Y., Xu, Y., Chuai, M., Yang, J., & Chen, W. (2025). Uppladdningsbara litium‑väte‑gaskbatterier. Angewandte Chemie International Edition, 64(7), e202419663. https://doi.org/10.1002/anie.202419663
6. Hirose, T., Matsui, N., Itoh, T., Hinuma, Y., Ikeda, K., Gotoh, K., Jiang, G., Suzuki, K., Hirayama, M., & Kanno, R. (2025). Hög kapacitet, reversibel väte‑lagring med H⁻‑ledande fasta elektrolyter. Science, 389(6766), 1252–1255. https://doi.org/10.1126/science.adw1996