Hur Princetons teknik för fast‑tillståndsbatterier kan förändra energilagring

Det ultimata batteriet

När batterier har blivit grunden för elfordons drivlinor har deras prestanda och säkerhetsprofil förbättrats. Hittills har detta uppnåtts med varianter av litiumbatterier, antingen litium‑jon (lithium‑nickel‑mangan NMC & lithium‑nickel‑kobalt‑aluminium NCA) eller litium‑järn‑fosfat (LFP) batterier. Det var en transformerande teknik som med rätta tilldelade sina uppfinnare Nobelpriset i kemi 2019 (följ länken för historien om litium‑jon‑uppfinningen).

Fram till nu förväntades dessa batterier fortsätta dominera batterimarknaden, tack vare deras extremt höga energitäthet.

Källa: S&P Global

Det finns dock en gräns för hur mycket energi klassiska litium‑jon‑batterier kan lagra. Detta är anledningen till att forskare tittar på andra alternativ, varav ett av de mest lovande är fast‑tillståndsbatterier.

Fast‑tillståndsbatterier förväntas vara säkrare, ha högre energitäthet och vara mer hållbara än traditionella litium‑jon‑batterier. De är dock mycket svåra att tillverka pålitligt i stor skala på ett kostnadseffektivt sätt, vilket har bromsat deras antagande.

Detta kan förändras, och nya insikter om vad som får fast‑tillståndsbatterier att misslyckas kommer från forskare vid Princeton University, Purdue University, University of Michigan och Brookhaven National Laboratory.

De publicerade sina senaste upptäckter i två vetenskapliga artiklar i Advanced Energy Materials¹ och ACS Energy Letters², respektive, med titlarna “Litiumkinetik i Ag–C poröst interlager i reservoarfri fast‑tillståndsbatterier” & “Filamentinducerad fel i litium‑reservoirfria fast‑tillståndsbatterier”.

De analyserade också den nuvarande tekniknivån inom batterivetenskapen gällande anodfria batterier och publicerade den i Nature Materials³, med titeln “Elektro‑kemo‑mekanik för anodfria fast‑tillståndsbatterier”.

Anodfri fast‑tillståndsbatteri

Idén med fast‑tillståndsbatterier är att ersätta den flytande elektrolyten i litium‑jon med ett lager av fast metall. Detta är den största källan till effektivitetstillväxt, eftersom elektrolyter är tunga och voluminösa.

Källa: University Of Chicago

Detta förbättrar också säkerhetsprofilen, eftersom elektrolytlösningsmedel vanligtvis är brandfarliga, vilket skapar sällsynta men spektakulära batteribränder som har gett en dålig ryktning till tidiga elfordon.

Ett annat steg har nyligen utforskats av forskare, att helt ta bort halva batteriet. Batterier består av en katod och en anod, var och en med olika elektrisk laddning.

Anodfria batterier avstår helt från behovet av en anod,

“Istället flödar jonerna från den positiva katoden direkt till strömsamlaren i batteriets motsatta ände. Jonerna pläteras sedan på själva strömsamlaren och bildar ett tunt metallskikt när batteriet laddas.”

Källa: Princeton University

I sin analys av anodfri teknik idag menar Princeton-forskarna att det största hindret för att driva tekniken framåt är en bristande förståelse för den mekaniska effekten av laddnings‑ och urladdningscykeln, mer än kemiska reaktioner.

Mekanismerna som styr laddnings‑ och urladdningscykler i anodfria batterier kontrolleras i stor utsträckning av elektro‑kemo‑mekaniska fenomen vid fast‑till‑fast‑gränssnitt, och det finns viktiga mekanistiska skillnader jämfört med konventionella litium‑excess‑batterier.

Utmaningar med fast‑tillstånd

I ett klassiskt batteri är anslutningen till elektroderna (anod och katod) relativt enkel, eftersom elektrolyten är i flytande form. I ett fast‑tillståndsbatteri måste den fasta metallen hålla perfekt kontakt med strömsamlaren.

Om detta inte är helt jämnt blir områden med god kontakt heta punkter, medan områden med dålig kontakt bildar hålrum.

För att förstå varför detta sker måste forskarna ha en fullständig förståelse för den komplexa processen som sker under batteriets laddning och urladdning. Detta är inte bara ett kemiskt fenomen, utan också ett mekaniskt, där materialet förändras något i form över tid.

I den första artikeln, de upptäckte att tryck kan spela en viktig roll i hur den fasta metallen reagerar.

Problem med lågt tryck

Skannande elektronmikroskopi visar hur litium får ökad ytkontakt när trycket ökar. Det innebär att för lågt tryck inte räcker för att förbättra den ojämna kontakten som orsakas av dessa ytirregulariteter.

Källa: ACS Publication

I slutändan ledde den ojämna pläteringen till bildandet av skarpa metallfilament som, likt små nålar, kunde tränga igenom den fasta elektrolyten och orsaka kortslutning i batteriet.

Problem med högt tryck

Även om högt tryck kan skapa enhetlig plätering och avlägsnande är det ingen magisk lösning.

Forskarna fann att det pressade elektrolyten och strömsamlaren så intensivt ihop att eventuella ojämnheter på någon av dem förstärktes tills den mekaniska påfrestningen orsakade sprickor.

Källa: ACS Publication

Med hjälp av röntgentomografi lyckades forskarna kartlägga dessa sprickor som bildas under högt tryck.

När stapeltrycket ökas från 2 till 10 MPa växer hela sprickvolymen. Många sprickor sträcker sig till motelektrodens sida (Figur 3b–e och S10), och en enda litiumdendrit som når motelektroden kan orsaka kortslutning.

Källa: ACS Publication

Sammanfattningsvis blir målet för batteriindustrin att hitta den perfekta balansen mellan tillräckligt lågt tryck och effektiv kontakt.

“Den heliga graalen i detta område blir att ta reda på hur man upprätthåller fast kontakt vid lågt tryck eftersom tillverkning av en defektfri elektrolyt i praktiken är omöjlig. Om vi vill förverkliga potentialen i dessa batterier måste vi lösa kontaktproblemet.”
Pr. Kelsey Hatzell – Associate professor of mechanical and aerospace engineering

Förbättrad plätering

Att uppnå mer enhetlig plätering är ämnet för den andra artikeln som publicerades av Pr Hatzells team och deras samarbetspartner vid andra universitet och laboratorier.

De fann att ett tunt lager av beläggning mellan strömsamlaren och elektrolyten underlättar bättre jontransport. De testade flera designalternativ för denna beläggning.

Till slut fann de att det bästa alternativet var interlager gjorda av kol- och silvernanopartiklar. Silvret i dessa interlager bildade legeringar med joner under batteriets laddning och urladdning, vilket möjliggjorde jämn plätering och avlägsnande från strömsamlaren.

Detaljerna i hur silverpartiklarna tillverkas spelar dock en stor roll. När man använder större nanopartiklar på 200 nm bildade de spindliga, ojämna metallstrukturer på strömsamlaren. Detta minskade kapaciteten och ledde till batterifel efter flera laddningscykler.

Källa: Advanced Energy Materials

“Endast några få grupper har undersökt de faktiska processerna som sker i dessa interlager. Bland andra fynd demonstrerade vi att stabiliteten i dessa system är kopplad till metallens morfologi när den pläteras och avlägsnas från strömsamlaren.”
Se Hwan Park – Postdoctoral researcher at Princeton University

50 nm silverpartiklar presterade mycket bättre, skapade tätare och mer enhetliga strukturer, vilket ledde till batterier med större stabilitet och högre effektutgång.

“Dessa fynd kan informera strategin för tillverkning av dessa interlager.

Genom att minska storleken på silverpartiklarna kan vi säkerställa att vi bara får fördelarna med silvret i interlagret, vilket i sin tur kan göra att vi uppnår god kontakt och enhetlig plätering även vid lågt tryck.

”
Se Hwan Park – Postdoctoral researcher at Princeton University

Bygga bättre fast‑tillståndsbatterier

Under en lång tid har konceptet med fast‑tillståndsbatterier kämpat för att lämna laboratoriet och nå fabriksgolvet, med produktion i skala.

Detta förändras nu, med länder som Kina, Japan och Sydkorea som har kortsiktiga planer på att ta fast‑tillståndsbatterier till marknaden.

Till exempel:

• Samsung SDI (006400.KS) har lovat att börja massproducera fast‑tillståndsbatterier år 2027
• Hyundai (HYMTF) siktar på massproduktion år 2030
• Toyota (TM ) har ett mål för massproduktion år 2028, vilket uppdaterar det tidigare målet 2030.

“Utmaningen blir att gå från forskning till verkligheten på bara några år. Förhoppningsvis kan det arbete vi gör nu på MUSIC (Mechano‑Chemical Understanding of Solid Ion Conductors) ligga till grund för utveckling och implementering av dessa nästa generations batterier i en meningsfullt stor skala.”
Pr. Kelsey Hatzell – Associate professor of mechanical and aerospace engineering

Investera i avancerad batteriteknik

Batterier står i centrum för elektrifieringstrenden, som i sig är ett enormt flerbiljonprojekt som syftar till att avlägsna fossila bränslen från våra energikällor.

Du kan investera i batterirelaterade företag via många mäklare, och här på securities.io hittar du våra rekommendationer för de bästa mäklarna i USA, Kanada, Australien, Storbritannien samt många andra länder.

Om du inte är intresserad av att välja enskilda batteriföretag kan du även titta på batteri‑ETF:er som Amplify Lithium & Battery Technology ETF (BATT), Global X:s Lithium & Battery Tech ETF (LIT) eller WisdomTree Battery Solutions UCITS ETF, som ger en mer diversifierad exponering för att dra nytta av den växande batteriindustrin.

Fast‑tillståndsbatteri Företag

QuantumScape

Sedan grundandet 2010 har det kaliforniska företaget QuantumScape varit en framstående startup inom området för fast‑tillståndsbatterier, anmärkningsvärt genom sitt tidiga inträde i fältet och sin oberoende från större batteritillverkare som också satsar på fast‑tillståndsteknik, såsom CATL (300750.SZ), Samsung eller LG Energy Solution (373220.KS).

Källa: QuantumScape

En unik egenskap hos QuantumScape‑batterier, som på den tiden ansågs revolutionerande, är att de använder en anodfri design. Den möjliggör cirka 15 minuters snabbladdning (10‑80 % vid 45 °C) och separatorn är icke‑brandfarlig och icke‑brännbar.

Källa: QuantumScape

Detta placerar också QuantumScape‑batterier i en egen liga när det gäller energitäthet och laddningshastighet, och de överträffar kraftigt ledare som Tesla (både deras egen design och de som tillverkats av CATL).

Källa: QuantumScape

Dessa anmärkningsvärda prestanda har dock regelbundet hindrats av svårigheter att skala upp produktionen. Det har också tvingat företaget att bränna igenom sin kassareserv, vilket lett till utspädning av tidigare investerare och en nedgång i aktiekursen.

Detta verkar förändras, sedan avtalet 2024 med PowerCo, Volkswagen Groups batteridivision, om ett licensavtal för design och massproduktion av QuantumScape‑batterier av PowerCo.

Enligt det icke‑exklusiva licensavtalet kan PowerCo producera upp till 40 GWh per år av elfordonsbatterier, med möjlighet att expandera till 80 GWh per år.

Den plötsliga uppskalningen av QuantumScapes produktion verkar vara kopplad till Cobra, företagets nästa generations utrustning för separatorer i fast‑tillståndsbatterier, ett genombrott inom keramikproduktion.

Sammanfattningsvis bör Cobra integreras i produktionen år 2025 och den första färdiga elbilen som använder QuantumScape‑batterier bör produceras år 2026.

Källa: QuantumScape

Detta kan vara en vändpunkt för företaget, som 16 år efter grundandet går från en lovande startup med intressant immateriell egendom till att generera växande intäkter genom ett partnerskap med en av världens största biltillverkare.

Under tiden bör investerare fortfarande förvänta sig viss volatilitet i aktiekursen, men med ett ljus i slutet av produktutvecklingstunneln.

Senaste om QuantumScape

Studierreferens:

^{1. Se Hwan Park, et al. (2025) Filamentinducerad fel i litium‑reservoirfria fast‑tillståndsbatterier. ACS Energy Letters. 22 februari 2025  https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acsenergylett.5c00004} 

^{2. Se Hwan Park, et al. (2024). Litiumkinetik i Ag–C poröst interlager i reservoarfri fast‑tillståndsbatterier.Advanced Energy Materials. 19 december 2024 https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/aenm.202405129} 

^{3. Stephanie Elizabeth Sandoval, et al. (2025). Elektro‑kemo‑mekanik för anodfria fast‑tillståndsbatterierNature Materials. 2 januari 2025 https://www.nature.com/articles/s41563-024-02055-z}