Mizzous 4D‑STEM‑genombrott: Förbättra effektiviteten i fasta batterier

Fastspänningsbatterier är i fokus nuförtiden. De får stadigt ökad uppmärksamhet inom konsumentelektronik och elfordon och utgör den största andelen av den globala marknaden för fasta batterier år 2022.

Forskare uppskattar att tillämpningarna av fasta batterier inom EV‑sektorn kommer att växa exponentiellt under nästa decennium och nå en marknadsstorlek på US$4.3 miljarder år 2032. Det finns skäl till att fasta batterier är redo för exponentiell tillväxt. I princip avser de en batteriteknik som använder en fast elektrolyt istället för flytande elektrolyter, som används i litiumjonteknik. 

Fasta battericeller består av en katod, en separator och en anod. Katoden kan tillverkas med samma föreningar som i ett litiumjonbatteri. Däremot är separatorn vanligtvis gjord av keramik eller fast polymer, som också fungerar som elektrolyt. Anoden är gjord av litium‑metall. 

När de är laddade rör sig litiumpartiklarna inom dessa batterier från katoden genom separatorns atomstruktur och anodenas elektriska kontakt, och bildar ett fast lager av rent litium. Processen säkerställer att anoden enbart består av litiumpartiklar och har en mindre volym än en anod i litiumjonteknik med grafitstruktur. 

Även om dessa batterier fortfarande är i sin utvecklingsfas, lovar de flera förbättringar jämfört med nuvarande batterier, inklusive högre energitäthet, längre livslängd, förbättrad säkerhet och mindre storlek. Den lovande utsikten som fasta batterier erbjuder har gjort området attraktivt för forskare att utforska vidare och se vad som kan göras med det.

En nyligen publicerad nyhetsrelease från ett forskningsprojekt vid University of Minnesota påstår att forskarna “knäcker koden för fasta batterier.” I de följande avsnitten tittar vi på de faktorer som driver detta stora påstående. 

Vad forskarna vid University of Minnesota har uppnått

Forskningsarbetet, med titeln Understanding Cathode–Electrolyte Interphase Formation in Solid State Li-Ion Batteries via 4D-STEM¹, demonstrerar ett enkelt arbetsflöde för att studera bildandet av katod‑elektrolyt‑interfas (CEI) med hjälp av 4D‑scanning transmission electron microscopy (4D‑STEM) utan att behöva montera ett SS‑LIB.

Vid kontaktpunkterna mellan den fasta elektrolyten och den aktiva katodmaterialet i fasta litiumjonbatterier bildas interfaslager som ökar cellimpedansen. Forskarna eliminerar behovet av SS‑LIB‑montering och visar fördelarna med MoCl5:EtOH som ett kemiskt de‑litiatiseringsmedel, tillsammans med kemiskt de‑litiat katodpulver LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2 (NMC) i kontakt med Li10GeP2S12 (LGPS) SE‑pulver, som en SS‑LIB CEI‑surrogat.

Forskarna kartlade sammansättningen och strukturen hos CEI‑lagren med 4D‑STEM, energidispersiv röntgen‑spektroskopi (EDS) och electron pair distribution function analysis (ePDF). Deras resultat tyder på att beläggningar som blockerar anjontransport men tillåter litium‑jon‑ och elektrontransport kan förhindra interfasbildning och minska impedansen i SS‑LIBs. 

När de beskrev beläggningens natur sade Young:

“Beläggningarna måste vara tillräckligt tunna för att förhindra reaktioner men inte så tjocka att de blockerar litium‑jonflödet. Vi strävar efter att behålla de högpresterande egenskaperna hos den fasta elektrolyten och katodmaterialen. Vårt mål är att använda dessa material tillsammans utan att offra deras prestanda för kompatibilitet.”

Allt detta kan låta alltför tekniskt, men det finns ett enklare perspektiv för att förstå forskningsresultatet.

Klicka här för att läsa om ett batterigenombrott som för fasta varianter ett steg närmare verkligheten.

Att hantera problemet med flytande elektrolyt

Litiumjonbatterier förlitar sig på flytande elektrolyter, som kan fatta eld om de skadas eller överhettas. Forskare vid University of Missouri adresserade detta problem genom att utveckla effektiva tekniker för att ersätta vätskor eller gel‑elektrolyter med fasta elektrolyter.

När de förklarade hur deras lösning fungerar sade assisterande professor Matthias Young, som har gemensamma tjänster vid Mizzous College of Engineering och College of Arts and Science, följande:

“När den fasta elektrolyten rör vid katoden reagerar den och bildar ett interfaslager på cirka 100 nanometer – 1 000 gånger tunnare än bredden på ett mänskligt hår. Detta lager blockerar litium‑joner och elektroner från att röra sig fritt, vilket ökar resistansen och försämrar batteriets prestanda.”

Det mest betydelsefulla genombrottet

Forskarteamets mest betydelsefulla prestation var dock deras användning av fyrdimensionell scanning transmission electron microscopy (4D STEM). Det revolutionerande var att de kunde undersöka batteriets atomstruktur utan att demontera det, vilket gav dem en grundläggande förståelse för de kemiska reaktionerna inuti och möjliggjorde bedömning av hur mycket skada interfaslagret orsakade. 

Ur perspektivet hos potentiella användare av dessa batterier har forskningen och dess implikationer stor potential. 

Förväntade verkliga fördelar

Globala biltillverkare är entusiastiska över fasta batterier eftersom de kommer att erbjuda större säkerhet och termisk stabilitet. Den forskning vi just diskuterade är ett genombrott i den riktningen – ett oerhört betydelsefullt steg framåt. Dessutom kan forskningen leda till förbättringar i säkerhet, prestanda, batteriers livslängd, kostnad och deras miljöpåverkan. 

Batterivetenskapsmän världen över är optimistiska att den nya generationen av fasta batterier, som kommer att uppstå som ett resultat av sådan forskning, så småningom kommer att övervinna två nyckelbrister hos konventionella litiumjonbatterier. De nickel‑rika katoderna möjliggör att batteriindustrin använder mindre kobolt i katoden. För det andra gör fasta kemier det möjligt för batteritillverkare att använda litium‑metall i anoden.

Den första faktorn är avgörande för sektorns tillväxt eftersom kobolt är sällsynt, dyrt och svårt att bryta. Det kommer från länder med svaga gruvlagar. Forskare tror att användningen av litium i anoden är betydande eftersom den ökar energitätheten och främjar säkerheten.

När de talade om användningen av litium‑metall sade Helena Braga, docent i ingenjörsfysik vid University of Porto i Portugal och en välkänd forskare som arbetade med Nobelpristagaren John Goodenough på fasta batterier för ett decennium sedan, sade:

“Det är därför vi började den här (fasta) resan från början – så att vi kunde använda litium‑metall.”

Sammanlagt kan denna teknik och forskningsbaserade metod leda till förbättrade batteridesign med förbättrad prestanda och säkerhet, potentiellt påverka konsumentelektronik och elfordon inom 3–7 år.​

Det verkliga värdet av sådan forskning beror dock på hur framgångsrikt företag och verksamheter som tillverkar fasta batterier antar dem och skalar upp dem. I nästa avsnitt diskuterar vi ett sådant företag, Solid Power, Inc. (SLDP ), som specialiserar sig på all‑solid‑state‑batteriteknik med fokus på säkrare och mer effektiva energilagringslösningar.​

Solid Power, Inc. (SLDP ) 

Solid Power positionerar sig som leverantör av all‑solid‑state‑battericell‑teknik som erbjuder viktiga förbättringar jämfört med dagens konventionella flytande litiumjon‑teknik och nästa generations hybridceller, inklusive hög energi, förbättrad säkerhet, längre livslängd och kostnadsbesparingar. 

Solid Powers batterier möjliggör användning av högkapacitets‑elektroder som höghaltigt kisel och litium‑metall för att uppnå hög‑energi‑prestanda. De blir säkrare genom att avlägsna behovet av de reaktiva och flyktiga vätske‑ och gelkomponenterna. Som resultat kan de tåla och leverera under extremt varma temperaturer. Företaget tror att deras batterier kan erbjuda en kostnadsfördel på 15‑35 % jämfört med befintliga litiumjon‑batterier på paketnivå. 

I de kommande avsnitten diskuterar vi de tre varianterna av Solid Powers fasta batterier. 

Silicon EV Cell 

Dessa celler har en höghaltig kisel‑anod som levererar höga laddningshastigheter och lägre temperaturkapacitet. Dessa batterier drivs av företagets proprietära sulfid‑baserade fasta elektrolyter. Slutligen är dess NMC‑katod industri‑standard och kommersiellt mogen. 

Lithium Metal

Solid Power Lithium Metal‑batterier har litium‑metall och hög‑energi‑anod. Denna batterikategori drivs också av Solid Powers proprietära sulfid‑baserade fasta elektrolyter samt industri‑standard och kommersiellt mogna NMC‑katoder. 

Conversion Reaction Cell 

Slutligen kommer vi till konversionsreaktions‑cellen, en batterikategori som har litium‑metall, hög‑energi‑anod, sulfid‑baserade fasta elektrolyter till ultralågt pris och en hög specifik energi‑konversions‑typ katod. 

Solid Powers batteriteknik har sulfid‑baserade fasta elektrolyter som en av dess mest formidabla grundvalar. Teknologin säkerställer fullständig borttagning av den brandfarliga flytande elektrolyten och polymerseparatorn i ett traditionellt litiumjonbatteri och ersätter den med ett fast lager som, trots sin tunna tjocklek, fungerar som en barriär för att hindra anoden och katoden från att röra vid varandra, vilket skulle kortsluta batteriet. Det fungerar också som en ledande elektrolyt. Solid Powers sulfid‑baserade fasta elektrolyt har den bästa kombinationen av ledningsförmåga, tillverkningsbarhet och cell‑nivå‑prestanda. 

Solid Powers kärnteknologi för sulfid‑baserade fasta elektrolyter använder jordabundant material. Företaget förväntar sig att skala sin elektrolytproduktion för att driva 800 000 elektrifierade fordon med sina all‑solid‑state‑battericeller årligen till år 2028.

SLDP: Latest Updates

I december 2024 meddelade Solid Power förlängningen av sitt partnerskap med Ford fram till 2025. Det tredje tillägget till joint development‑avtalet speglade det pågående engagemanget mellan Solid Power och Ford att driva gränserna för elfordons‑batteriprestanda framåt. 

Rapporter pekade på förlängningen av partnerskapet som ett betydelsefullt steg för Solid Powers arbete mot kommersialisering av deras fasta batteriteknik. Det utökade partnerskapet med Ford, en ledande global biltillverkare, underströk den potentiella påverkan av Solid Powers teknik på fordonsindustrin.

I januari 2025 gick företaget in i ett betydande finansiellt avtal med USA:s energidepartement (DOE). Företaget meddelade att de hade säkrat upp till 50 miljoner USD i finansiering för att förbättra sin produktionskapacitet av sulfid‑baserat fast elektrolytmaterial, avgörande för nästa generations batterier.

Finansieringen kom som en del av ett Assistance Agreement med ikraftträdandedatum 1 januari 2025, vilket föreskrev att Solid Power skulle bidra med 60 miljoner USD av sina egna medel som en del av kostnadsdelningsarrangemanget. Investeringen var avsedd att stödja installation av utrustning som behövs för kontinuerlig produktion, vilket förväntas stärka företagets tillverkningsskala.

Som en del av avtalet var Solid Power obligerad att följa specifika rapporteringskrav och efterlevnadsförpliktelser. DOE:s stöd underströk vikten av att driva fram batteriteknik för energilagring och elfordon, sektorer som är kritiska för övergången till en låg‑koldioxid‑ekonomi.

Partnerskapet med DOE var ett strategiskt steg för att påskynda kommersialiseringen av fasta batterier, som lovar högre energitäthet, förbättrad säkerhet och längre livslängd jämfört med konventionella litiumjonbatterier.

På den finansiella fronten levererade Solid Power $20,1 miljoner i intäkter under 2024, en ökning med $2,7 miljoner jämfört med 2023. Driftskostnaderna var $125,5 miljoner 2024, upp från $108,0 miljoner 2023, drivet av ökade forsknings‑ och utvecklingskostnader för att förbättra prestandan hos deras elektrolyt‑ och cell‑design, elektrolytproduktion, utrustningsinköp som stödjer SK On‑avtalen samt skalning av verksamheten, inklusive etablering av koreanska operationer. Rörelsesförlusten för 2024 var $105,3 miljoner, medan nettförlusten var $96,5 miljoner, eller $0,54 per aktie.

“År 2025 kommer Solid Power fortsätta driva utvecklingen av ASSB‑teknik framåt genom att förbättra elektrolyt‑prestanda via återkoppling från vårt cellutvecklingsteam, uppfylla partner‑krav och kundförfrågningar, fortsätta innovera både elektrolyt‑ och cellteknologier samt upprätthålla finansiell disciplin samtidigt som vi strategiskt investerar i utveckling och kapacitet.”

– John Van Scoter, President och verkställande direktör för Solid Power

Solid‑State Battery: Looking into the Future

Framtiden för fasta batterier ser spännande ut, fylld med innovationspotential. År 2024 utvecklade forskare från Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) ett nytt litium‑metall‑batteri som kunde laddas och urladdas minst 6 000 gånger – mer än någon annan fick‑battericell – och som kunde laddas på några minuter.

Enligt Xin Li, docent i materialvetenskap vid SEAS och seniorförfattare till artikeln som detaljerade forskningen och publicerades i Nature Materials:

“Litium‑metall‑anodbatterier betraktas som batteriernas heliga graal eftersom de har tio gånger kapaciteten hos kommersiella grafit‑anoder och kan avsevärt öka räckvidden för elfordon.”

I sin forskning stoppade Li och hans team dendritbildning genom att använda mikron‑stora kiselpartiklar i anoden för att begränsa litieringsreaktionen och underlätta homogen plätering av ett tjockt lager av litium‑metall. När litium‑joner rörde sig från katoden till anoden under laddning, var litieringsreaktionen begränsad vid den grunda ytan, och jonerna fästs på kiselytans yta utan att tränga djupare. 

“I vår design omsluts litium‑metallen av kiselytan, som ett hårt chokladskal runt en hasselnötskärna i en chokladtryffel.”

– Li

De belagda partiklarna bildade en homogen yta, vilket säkerställde en jämn fördelning av strömtätheten och förhindrade dendrittillväxt. Och eftersom plätering och avplätering kunde ske snabbt på en jämn yta, kunde batteriet laddas på endast cirka 10 minuter. 

Forskarna utvecklade en frimärks‑stor pouches‑cellversion av batteriet, 10‑20 gånger större än myntcellen som vanligtvis tillverkas i universitetslabbet. Batteriet behöll 80 % av sin kapacitet efter 6 000 cykler och överträffade andra pouches‑celler i samma liga. Under processen avslöjade forskarna dussintals andra material som potentiellt kan ge liknande prestanda. Enligt Li:

“Tidigare forskning har funnit att andra material, inklusive silver, kan fungera som bra material i anoden för fasta batterier.”

För att göra processen universell publicerade ett forskarlag en artikel om benchmarking the reproducibility of all-solid-state battery cell performance.² Forskarna observerade att interlaboratorie‑jämförbarheten och reproducerbarheten av cyklingsprestanda för alla fasta battericeller var dåligt förstådda på grund av avsaknaden av standardiserade uppställningar och monteringsparametrar.

Forskarna föreslog en uppsättning parametrar för rapportering av cyklingsresultat för fasta batterier och förespråkade rapportering av data i triplikat. Till exempel var en initial öppen krets‑spänning på 2,5‑2,7 V vs. Li⁺/Li en god indikator på lyckad cykling för celler som använder dessa elektroaktiva material.

Standardisering av tillverkning av fasta batterier är avgörande eftersom deras användningsområden är mångsidiga. Medan EV‑tillverkare är bland de mest intresserade av att utveckla effektiva fasta batterier, rapporterade även NASA‑forskare framsteg med utvecklingen av ett innovativt batteripaket som var lättare, säkrare och presterade bättre än batterier som vanligtvis används i fordon och stora elektroniska enheter idag. 

NASA‑forskare experimenterade med innovativa nya material som inte tidigare använts i batterier. Teamet insåg tidigt att fast‑state‑arkitektur gjorde det möjligt att förändra batterikonstru­ktion och förpackning, vilket minskade vikten samtidigt som energilagringskapaciteten ökade. De demonstrerade att fasta batterier kunde driva objekt med en enorm kapacitet på 500 watt‑timmar per kilogram – dubbelt så mycket som en elbil.

“Detta design eliminerar inte bara 30‑40 % av batteriets vikt, utan gör det också möjligt för oss att dubbla eller till och med tredubbla den energi den kan lagra, långt över vad litiumjon‑batterier som betraktas som state‑of‑the‑art kan leverera.”

– Rocco Viggiano, huvudutredare för SABERS

SABERS är en akronym för NASA:s utsedda aktivitet, ‘Solid‑state Architecture Batteries for Enhanced Rechargeability and Safety.’

Som namnet antyder kommer framtiden för fasta batterier att blomstra på dessa aspekter av snabb återuppladdning och säkerhet. Tillverkare kommer i ökande grad att söka utveckla batterier som laddas snabbare utan att processen blir osäker.

Klicka här för en lista över de 5 bästa aktierna inom fasta batterier.