Oordnad rocksalt: Hur hantering av syremobilitet ledde till genombrott inom batteriteknik

Efterfrågan på batterier växer världen över, drivet av deras ökande användning i bilindustrin, den ökande populariteten för bärbar konsumentelektronik och strikta miljöregler. Som ett resultat har den globala batterimarknaden beräknats nå 800 miljarder dollar år 2036, upp från cirka 120 miljarder dollar 2023.

Mot bakgrund av denna förväntade tillväxt utvecklar forskare kontinuerligt nya material och kemikalier för att förbättra kritiska delar av batterier, vilket påverkar egenskaper som energiproduktion, energilagring, effektkapacitet och cyklingskapacitet.

Dessa komponenter inkluderar en katod (positiv elektrod), en anod (negativ elektrod), en elektrolyt (för jontransport mellan elektroder) och en separator.

De flesta batteridrivna enheter idag, såsom elbilar, smartphones och energilagringssystem, bygger på litiumjonbatteriteknik. Litiumjonbatterier kan lagra en enorm mängd energi i kompakta storlekar, laddas snabbt och har lång livslängd.

Men med den växande efterfrågan på batterier med större kapacitet forskas och utvecklas nya teknologier för att förbättra effektiviteten, minska kostnader, öka säkerheten och främja hållbarhet.

Genom åren har kontinuerlig forskning lett till framsteg som erbjuder lovande alternativ till litiumjon- och bly‑syra‑batterier.

Sodiumjonbatterier erbjuder ett mer prisvärt och säkrare alternativ som presterar bättre vid lägre temperaturer. Dessa batterier liknar litiumjonbatterier men använder saltvatten som elektrolyt, vilket gör dem mer lämpliga för energilagring, även om de ännu inte är optimerade. Forskare använder till och med elektrolytgeler för att göra nanotrådar mer motståndskraftiga och lämpliga för batterianvändning.

Fastställda batterier, å andra sidan, använder en fast elektrolyt såsom glas, keramik eller polymer istället för gel eller flytande elektrolyt. Dessa batterier är mycket mer effektiva, väger mindre, laddas snabbare, och används redan i smartphones och pacemakers. Toyota och BMW arbetar för närvarande med att lansera bilar som drivs av fastställda batterier, även om det fortfarande kommer att ta några år.

Nya batteriteknologier inkluderar dessutom litium‑sulfurbatterier, som är kostnadseffektiva men har en hållbarhetsbegränsning, samt koboltfria litiumjonbatterier, som kan hjälpa till att hantera mänskliga rättighetsfrågor i koboltgruvdrift. Dock är alternativ som TAQ fortfarande nya och behöver mer testning.

Zinkbaserade batterier utforskas också, med teknologier som zink‑mangandioxid, zink‑luft, zink‑brom och zinkjonbatterier. De är dock ineffektiva, kan ibland innebära oväntade kemiska omvandlingsreaktioner och är dyra att tillverka, vilket kräver mer forskning.

Allt eftersom världen i allt högre grad förlitar sig på batterier, forskare globalt är fokuserade på att uppnå genombrott i lagringstider, effektutgång, produktionskostnader och omedelbar beredskap.

Senaste batterigenombrottet: Rock Salt‑polyanionkatoder 

Ny forskning har gjort ett framsteg i att öka den praktiska energitätheten i batteriet. Publicerad i Nature Energy sent i förra månaden, studien med titeln “Integrated rocksalt–polyanion cathodes with excess lithium and stabilized cycling,” utfördes av MIT:s avdelning för Nuclear Science and Engineering.

Studien fokuserar på ett nytt katodmaterial som finns i oordnad rock salt, vilket har studerats som ett avancerat katodmaterial för användning i litiumjonbatterier i över ett decennium. 

MIT-forskare såg till att materialet kan skapa högenergi, lågkostnadslagring för elbilar, mobiltelefoner och förnybar energilagring.

Under ledning av Ju Li, professor i Nuclear Engineering vid Tokyo Electric Power Company, upptäckte teamet DRXPS, eller oordnad rock salt‑polyanionisk spinell, som det nya materialet.

Denna nya kategori av delvis oordnad rock salt‑katod, integrerad med polyanjoner, visar sig leverera hög energitäthet vid höga spänningar med förbättrad cyklingsstabilitet. Detta är en stor prestation, med tanke på att det vanligtvis finns en avvägning mellan energitäthet och cyklingsstabilitet i katodmaterial.

“Med detta arbete syftar vi till att tänja på gränserna genom att designa nya katodkemier.”

– Yimeng Huang, artikelns första författare, en postdoktor vid NSE

Hur kan den nya materialfamiljen uppnå både hög energitäthet och god cyklingsstabilitet? Svaret ligger i integrationen av två nyckelkatodmaterial — rock salt och polyanionisk olivin. Genom att kombinera dem kunde man få båda deras fördelar.

En annan faktor här är mangan (Mn), ett hårt, silvrigt metall som finns i överflöd på jorden och är mycket billigare än andra element som för närvarande används i dagens katoder. 

Till exempel är mangan ungefär trettio gånger billigare än kobolt (Co) och fem gånger billigare än nickel (Ni), som båda vanligtvis används i batterier. Dessutom spelar mangan en avgörande roll för att uppnå högre energitätheter. 

“(Att ha ett sådant) material som är mycket mer jordabundant är en enorm fördel.”

– Li, professor i materialvetenskap och ingenjörskonst

Denna fördel, enligt forskarna, är av stort värde för en koldioxidfri framtid som kräver infrastruktur för förnybar energi. 

Batterier kan spela en viktig roll i denna övergång, med potential att avkarbonisera transport genom elbilar och hantera intermittensen i sol- och vindkraft. Eftersom dessa förnybara energikällor inte är tillgängliga dygnet runt, är energilagring avgörande för att leverera kraft under tider då dessa källor inte är tillgängliga, såsom på natten eller under mulna och lugna dagar.

Forskarnas påpekar också att material som kobolt och nickel är relativt sällsynta och dyra. Att använda dem för att snabbt skala upp elektrisk lagringskapacitet kan leda till stora kostnadsökningar och potentiellt betydande materialbrist. Enligt Li:

“Om vi vill ha en sann elektrifiering av energiproduktion, transport och mer, behöver vi jordabundanta batterier för att lagra intermittent fotovoltaisk och vindkraft. Jag tror att detta är ett av stegen mot den drömmen.”

Att övervinna hindret med syremobilitet i nuvarande material

Finansierad av Honda Research Institute USA Inc. och Molecular Foundry vid Lawrence Berkeley National Laboratory, tog studien itu med en av de största utmaningarna som oordnade rock salt‑katoder står inför.

Som nämnts tidigare har materialet studerats för sin extremt höga kapacitet. Jämfört med traditionella katodmaterial, som har en kapacitet mellan 190 och 200 milliampere‑timmar per gram, har detta material upp till 350 milliampere‑timmar per gram.

Dock, trots att den erbjuder mycket hög kapacitet, är materialet inte särskilt stabilt. Detta beror delvis på syreredox, en process som utnyttjar elektronisk densitet nära syreatomer i katodmaterial. 

Syreredox aktiveras när katoden laddas till höga spänningar, vilket gör syret mobilt, vilket sedan leder till reaktioner med elektrolyten och materialnedbrytning. Detta gör materialet oanvändbart efter långvarig cykling.

För att övervinna dessa utmaningar introducerade forskarna ett annat element i materialet: fosfor (P), ett mjukt, vaxartat fast ämne som fungerar som lim, håller syret på plats och minskar materialnedbrytning. 

Men att bara tillsätta fosfor räcker inte i sig. Det är rätt mängd fosfor som är den viktigaste innovationen här. Att tillsätta exakt rätt mängd P “bildade så kallade polyanjoner med sina närliggande syreatomer i en katjonbristande rock salt‑struktur som kan låsa fast dem,” sade Li.

Den starka kovalenta bindningen mellan syre och fosfor gör det möjligt för forskarna att sätta stopp för syretransporten. På detta sätt har de kunnat utnyttja den kapacitet som syret bidrar med och samtidigt, uppnå god stabilitet.

Att ha denna förmåga att ladda batterier till högre spänningar är viktigt eftersom det möjliggör enklare system för att hantera deras lagrade energi.

“Man kan säga att energikvaliteten är högre. Ju högre spänning per cell, desto mindre behöver man koppla dem i serie i batteripaketet, och desto enklare blir batterihanteringssystemet.”

– Li

Denna studie är bara början, då teamet nu kommer att utforska olika förhållanden av mangan, litium, syre och fosfor, samt olika kombinationer av andra polyanionbildande element som kisel, svavel och bor.

Framöver kommer forskarna också att undersöka nya sätt att tillverka materialet, med särskilt fokus på skalbarhet och morfologi. Den nuvarande studien använder högenergi‑bollmaling för mekanokemisk syntes, vilket ger ojämn morfologi och partiklar på cirka 150 nanometer, ett litet medelvärde. Dessutom är deras nuvarande metod inte riktigt skalbar. 

Så forskarna försöker nu alternativa syntesmetoder för att uppnå en mer enhetlig morfologi och större partiklar. Detta skulle hjälpa till att öka materialets volymetriska energitäthet och kan till och med göra det möjligt att prova vissa beläggningsmetoder som kan förbättra batteriets prestanda. Framtida metoder måste också vara industriellt skalbara.

En annan fråga är ledningsförmågan, som ökades genom att tillsätta en betydande mängd kol till det oordnade rock salt‑materialet. Faktum är att kol utgjorde 20 procent av katodpastans vikt, eftersom materialet i sig inte är en bra ledare. 

Så naturligtvis, forskare kommer vidare att undersöka att minska kolinnehållet i elektroden. Om de kan uppnå detta utan att kompromissa med batteriets prestanda, kan de öka den praktiska energitätheten genom att införliva en högre andel aktivt material i batteriet.

För detta ändamål överväger de att använda kolnanorör, vilket kan minska kolinnehållet till endast en eller två procent av vikten, vilket möjliggör en betydande ökning av det aktiva katodmaterialet. Den nuvarande studien använde dock Super P, en ledande kol bestående av nanokulor, som är mindre effektiv.

En annan förbättring innebär att använda tjocka elektroder, vilket ytterligare skulle öka batteriets praktiska energitäthet.

När teamet optimerar materialkompositionen, utvecklar tjockare elektroder, uppnår bättre morfologi för enhetliga beläggningar, minskar kolinnehållet och antar skalbara syntesmetoder, ser de DRXPS‑katodfamiljen som mycket lovande för tillämpningar i elbilar, nätlagring och konsumentelektronik.

Företag som driver utvecklingen inom batterier

Många företag hjälper till att driva fältet framåt, och ännu fler kan dra nytta av dessa utvecklingar. 

Umicore (UMICY) är ett sådant företag som är involverat i batterimaterial, särskilt i katodteknologier, med fokus på hållbara och avancerade material. Samtidigt är Lithium Americas Corp. (LAC) en litiumleverantör, och Vale (VALE) en ledande global producent av järn och mangan. Nu ska vi titta på några andra framstående namn:

#1. Albemarle Corporation (ALB)

En stor litiumproducent, Albemarle, har utvecklat batteriteknologier med ökad energitäthet för att minska vikt och förlänga räckvidd. Det är en av världens största producenter av litium för elbilsbatterier. Företagets erbjudanden för att möta efterfrågan på ren energi inkluderar katodlösningar, anodlösningar, elektrolytlösningar och batterihöljen.

Med ett börsvärde på $9.84 billion, Albemarles aktie handlas för närvarande till $83.66, ner 41.6% YTD. Den har ett EPS (TTM) på -4.73, ett P/E (TTM) på -17.67 och en utdelningsavkastning på 1.94%. Under Q2 2024 rapporterade företaget nettoomsättning på $1.4 bln och justerad EBITDA på $386 mln. Kassaflödet från verksamheten var $363 mln, upp från $289 mln YoY.  Albemarle levererade också över $150 mln i produktivitetsfördelar.

#2. QuantumScape (QS)

QuantumScape är en utvecklare av fast tillstånd litium‑metall batterier, med målet att omvandla energilagring. Företaget har utvecklat branschens första anodlösa celldesign, vilket sänker materialkostnaderna och levererar hög energitäthet. I år, QuantumScape gick i partnerskap med Volkswagens batteriföretag, PowerCo, och gav dem en licens att massproducera battericeller baserade på QuantumScapes teknikplattform.

Slutsats

Med tanke på den breda användningen och marknadsstorleken för batterier forskas och utvecklas nya och avancerade batteriteknologier intensivt. Som vi såg i den senaste studien uppvisade det nya katodmaterialet “höga gravimetriska energitätheter över 1,100 Wh kg−1 och >70% retention över 100 cykler,” vilket öppnar dörren för batterikatoder gjorda av jordabundanta element som Mn och Fe.

Eftersom litiumjonbatterier ses som en avgörande del av den rena energiövergången, säkerställer studier som denna deras fortsatta tillväxt och prisreduktion genom att utveckla “prisvärda, högpresterande katodmaterial.” 

Detta pekar på en lovande framtid för energilagring, med potential att möta växande globala efterfrågan samtidigt som miljöpåverkan minimeras.

Klicka här för en lista över de tio bästa batteriaktierna att investera i.