Säkrare, Billigare och Kraftfullare? Löftet med Aluminiumbatterier

Högkapacitetsbatterier som laddas snabbare och varar längre är nyckeln till att driva framtiden för bärbar elektronik, elfordon och långsiktig energilagring.

Under de senaste decennierna har litiumjonbatterier lett inom detta område. Som en typ av uppladdningsbart batteri laddas och urladdas litiumjonbatterier genom att jonerna rör sig mellan de positiva och negativa elektroderna, dvs. anoder och katoder.

Metallen litium som används i dessa batterier är mjuk, silvrig och mycket reaktiv. Den har den lägsta densiteten av alla metaller och finns i föreningar som mineral, där Chile är dess största producent. Chile har också de största litiumreserverna, följt av Australien och Kina; sistnämnda är också en ledare inom litiumjonbatterier.

Dessa batterier kräver faktiskt enorma mängder vatten och energi för att tillverkas. De är också mycket svåra att återvinna.

Så, medan litiumjonbatterier har bevisat sin prestanda i bärbar konsumentelektronik som smartphones, bärbara datorer och andra handhållna enheter, samt i elfordon och lagringssystem för solenergi, söker marknaden nu material som kan överträffa litiumjon och driva nästa generations enheter, långdistansfordon, elektriska flygplan och lagring på nätnivå.

Detta har lett forskare till aluminium, som visar lovande prestanda för säkrare, billigare och kraftfullare batterier.

Aluminiums potential för att driva batterier framåt 

Arbetet med att utveckla uppladdningsbara aluminiumbatterier har pågått i många decennier men fick betydande uppslag under det senaste decenniet. Ökad uppmärksamhet och forskning har hjälpt Al‑jonbatterier att uppnå exceptionella laddnings- och urladdningshastigheter. 

Alla utvecklingar kring Al‑jonbatterier är betydelsefulla på grund av de överlägsna fördelarna som detta elektropositiva metall ger.

Aluminiums unika egenskaper inkluderar att vara lätt, korrosionsbeständigt och ha hög värmeledningsförmåga. 

Denna mångsidighet har gjort metallen mycket fördelaktig i ett brett spektrum av tillämpningar i olika industrier, särskilt transport. Metallen används i stor utsträckning vid tillverkning av bilar, flygplan och tåg eftersom den är lätt och stark, vilket hjälper till att förbättra bränsleeffektiviteten och minska utsläppen. 

En annan viktig tillämpning av aluminium är inom byggbranschen eftersom den är lätt att bearbeta och har förmågan att stå emot hårda miljöförhållanden. Aluminium används också i stor utsträckning inom förpackning, rymd, kemikalier, militär och elindustri.

Att ha låg densitet och vara en god elektrisk ledare gör aluminium idealiskt för tillverkning av elektriska ledare, enheter som datorer, smartphones och TV-apparater samt för användning i luftledningar.

Viktigare är att aluminium är det mest förekommande metallämnet i jordens skorpa. Som en lågkostnadsmetall kan dess användning i uppladdningsbara batterier avsevärt minska batterikostnaden, särskilt för ekonomiska, storskaliga reservsystem för lagring av förnybar energi.

Litiumjonbatterier är fortfarande för dyra för dessa tillämpningar. Förutom att de är kostsamma innehåller de också en brandfarlig elektrolyt som skapar en säkerhetsrisk. Den mest förekommande metallen på jorden och den näst mest förekommande kommersiellt (efter järn) är ett lämpligt alternativ här.

Förutom att vara billig har aluminium också en hög volymkapacitet, som är fyra gånger större än litiums och sju gånger större än natriums. Detta visar aluminiumens potential att förbättra energitätheten i batterier på volymbasis.

Dessutom är aluminium icke‑brandfarligt, vilket ytterligare stödjer dess användning som elektrod. Användningen av denna metall tar också bort komplexiteten från ett interfaslager som ofta ses i litiumjonssystem. 

Det betyder inte att aluminium är utan brister. Passivationen, korrosionen och väteutvecklingen i aluminiumjonbatterisystem har lett till deras begränsade tillämpning. En annan utmaning för aluminiumjonbatterier är valet av anodmaterial på grund av den höga laddningstätheten hos Al3+-joner, vilket resulterar i tröga diffusionskinetiker och därmed begränsar batteriets hastighetskapacitet. 

Trots dessa utmaningar är aluminiumjonbatterier en lovande kandidat för storskalig energilagring på grund av deras höga specifika kapacitet, låga kostnad, lätta vikt, god säkerhet och aluminiumens naturliga riklighet.

Utforska aluminium‑jonbatterier för verklig användning

Utforskningen av aluminium i batterier har pågått ett tag på grund av behovet av nya batterikemi för att möta efterfrågan på hög energi från exempelvis flygplan som ska flyga långa sträckor och storskalig energilagrning. Konventionella batterier håller helt enkelt inte tillräckligt med energi för att driva dessa system.

För ungefär ett decennium sedan visade forskare vid Stanford University för första gången att ett aluminium‑jonbatteri kan vara stabilt och cykla under lång tid. Detta Al‑jonbatteri kunde laddas fullt på en minut och genomgå upp till 7500 laddnings‑/urladdningscykler med liten kapacitetsförlust.

En studie utförd av forskare vid University of Queensland i Australien sent förra året tog under tiden itu med tog itu med det tekniska hindret med en AIB‑komponent¹ kallad den fasta elektrolyttinterfasen.

Ett Al‑jonbatteri, precis som litiumjonbatterier, har en anod, en katod och en elektrolyt som transporterar aluminiumjoner som flödar mellan de positivt laddade elektroderna och de negativt laddade elektroderna. 

Under urladdning rör sig jonerna från anoden till katoden för att generera energi, och vid laddning av batteriet vänder processen för att lagra energi. När det gäller Al‑jonbatterier möter de instabiliteter vid cykling mellan laddning och urladdning på grund av bildandet av dendriter som orsakar kortslutningar, vilket leder till batterifel.

Svaret på detta, enligt forskningen, var att aluminium‑jonbatterier behöver för‑cykling, precis som litiumjonbatterier, för att maximera sin livslängd. Att förstå dessa unika för‑cykelbehov kan leda till bättre designer som gör att ett batteri håller längre och presterar mer pålitligt, vilket för dem närmare verkliga tillämpningar.

I ännu en studie från ett par år sedan använde forskare från Georgia Institute of Technology aluminiumfolie för att skapa batterier som kan möjliggöra att elfordon kör längre sträckor på en enda laddning.

I denna studie tillsatte forskarna små mängder av över 100 olika material till aluminium för att skapa folier med specifika ”mikrostrukturer”. Aluminiumanoden kunde lagra mer litium än traditionella anodmaterial, vilket innebär mer energi och leder till skapandet av högenergitäta batterier.

Dessa forskningar kring aluminiumbatterier har enorm potential att öppna dörren till kraftfullare batteriteknologier för att driva framtiden.

Ny design för att förlänga aluminiumbatteriers livslängd

Med tanke på de många fördelarna med aluminium‑jonbatterier har en ny studie publicerad² i ACS Central Science ägnat sig åt att designa ett kostnadseffektivt och miljövänligt Al‑jonbatteri som kan stödja övergången till hållbar, ren energi.

Med den globala drivkraften mot hållbarhet noterade studien behovet av att utforska rikliga och förnybara resurser för framsteg inom energilagringsbatteriteknologier för att främja hållbar utveckling.

Så vände forskarna sig till uppladdningsbara aluminium‑jonbatterier (AIBs) med icke‑brandfarliga jonvätskielektrolyter baserade på kloroaluminat vid rumstemperatur. Deras breda temperaturanpassningsförmåga, långa cykellivslängd och exceptionella säkerhet gör AIBs mycket lämpliga för system som kan lagra energi i stor skala. 

Men naturligtvis lider traditionella jonvätskelektrolyter i AIBs av betydande svagheter. Med deras nya ramverk syftar forskarna till att övervinna korrosionsproblemet från den vanligaste elektrolyten som används i Al‑jonbatterier. 

Elektrolyten — flytande aluminiumklorid — korroderar inte bara aluminiumanoden utan förvärrar detta tillstånd på grund av dess höga känslighet för fukt. Detta bidrar till dålig stabilitet, vilket resulterar i en minskning av den elektriska prestandan över tid. 

För att ta bort denna begränsning introducerade forskarna ett inert aluminiumfluoridsalt i elektrolyten som innehöll en Al‑jon, vilket förvandlade den till en fast elektrolyt. Den 3D-porösa strukturen hos aluminiumfluoridsaltet gör att aluminiumjoner enkelt kan hoppa över elektrolyten och öka ledningsförmågan. 

Forskarna använde också fluoroetylenglykolkarbonat som ett gränssnittstillsats. Ett tunt fast lager av detta på elektroderna hjälpte till att förhindra bildandet av aluminiumkristaller och skyddade därmed batteriets hälsa från försämring.

Med dessa två komponenter kunde teamet förbättra batteriets fuktmotstånd samt dess termiska och fysiska stabilitet. Detta gjorde att det fasta Al‑jonbatteriet kunde tåla temperaturer upp till 392 grader Fahrenheit (eller 200 grader Celsius). Det stod också emot upprepade stötar från ett vasst föremål.

När det gäller detta batteris livslängd fann studien att den var exceptionellt lång. Det fasta aluminium‑jonbatteriet klarade upp till 10 000 laddnings‑ och urladdningscykler samtidigt som det förlorade mindre än en procent av sin ursprungliga kapacitet. 

Dessutom kan det mesta av det använda aluminiumfluoriden återvinnas med en enkel tvätt. AlF3 kan sedan återvinnas i ett annat batteri med endast något minskad prestanda, vilket ytterligare minskar produktionskostnaderna för batteriet.

“Denna nya Al‑jonbatteridesign visar potentialen för ett långvarigt, kostnadseffektivt och högsäker energilagringssystem. Förmågan att återvinna och återanvända nyckelmaterial gör teknologin mer hållbar.”

– Wei Wang, State Key Laboratory of Advanced Metallurgy, University of Science and Technology Beijing, China

Det nya batteriet ökar praktikaliteten för Al‑jonbatterier genom att minska deras tillverkningskostnad och förlänga deras livslängd, men ytterligare förbättringar behövs fortfarande i energitäthet, elektrolyttstabilitet och livscykel för att kommersialisera detta batteri.

Klicka här för att läsa om en studie som avfärdade myter om batteriåldrande.

Stora aktörer på batterimarknaden

Framväxten av lovande nästa generations batteriteknologier erbjuder betydande förbättringar i energitäthet, säkerhet, kostnad och livslängd jämfört med nuvarande litiumjonbatterier. De förväntas förändra energibehoven, drivna av innovationer som adresserar begränsningarna i nuvarande teknologier. 

Så låt oss nu titta på företag som driver gränserna för batteriteknik och som kan förvänta sig enorm tillväxt under de kommande åren.

1. QuantumScape

Medan världen utforskar alternativ fortsätter litiumbaserade batterier att leda för närvarande. Mot denna bakgrund är QuantumScape Corporation (QS ) bland de ledande batteriföretagen som utvecklar fast‑tillstånd litium‑metallbatteriteknik för elfordon och andra tillämpningar. 

Med traditionella litiumjonbatterier som närmar sig sin gräns har företaget utvecklat det de kallar den första anodfria celldesignen i branschen för att leverera hög energitäthet, minskade materialkostnader och förenklad produktion. 

Till skillnad från konventionella litiumjonbatterier som har en polymerseparator använder QuantumScape en fast‑tillstånd separator. Detta möjliggör ersättning av kol‑ eller kiselanod med en litium‑metallanod, som är mer energität och därmed lagrar en större mängd energi i samma volym. I QuantumScapes design tillverkas batteriet anodfritt och i urladdat tillstånd.

Enligt QuantumScape har deras 24‑lagers A0‑prototypscellen genomfört över 1 000 fulla laddnings‑/urladdningscykel‑ekvivalenter med över 95 % energibevarande. I oktober presenterade företaget sin planerade första kommersiella produkt, QSE‑5, för fordonsapplikationer. QSE‑5 B‑sample‑cellen, vars lågvolymproduktion har påbörjats, har en uppmätt cellenergi på 21,6 Watt‑timmar (Wh). QSE‑5‑cellerna kan laddas från 10 % till 80 % på ungefär 12 minuter.

Med ett börsvärde på 2,62 miljarder handlas QuantumScape-aktier för närvarande till $5,13, ner 1,16 % år‑till‑datum. Dess EPS (TTM) är -0,95 och P/E‑kvoten (TTM) är -5,38.

För det senast rapporterade kvartalets finansiella resultat, dvs. Q3 2024, hade företaget $17,9 miljoner i kapitalutgifter medan dess GAAP‑driftskostnader uppgick till $130,2 miljoner och GAAP‑nettoförtapet var $119,7 miljoner. Likviditeten i slutet av kvartalet var $841 miljoner.

QuantumScape har också samarbetat med Volkswagens batteritillverkare PowerCo för att föra deras QSE‑5‑teknik till massproduktion.

Under denna period rapporterade företaget att de framgångsrikt implementerat sin nya separatorproduktions‑teknik kallad Raptor. I december meddelade företaget sedan lanseringen av Cobra, vilket QuantumScape säger kommer att sätta dem på rätt spår för att leverera högvolymprover av QSE‑5 i år. Cobra ses också som ett stort steg mot kommersialiseringen av deras fast‑tillståndsbatterier för elfordon.

2. Solid Power

Grundat 2011 spinades Solid Power (SLDP ) ut från University of Colorado Boulder med finansiering från DARPA. Under åren har de säkrat kontrakt från Air Force och tecknat ett avtal med Department of Energy.

2018 hade företaget sin första runda av aktiebaserad finansiering, och 2021 annonserade de en investeringsrunda på $135 miljoner ledd av BMW Group, Ford Motor Company (F ) och Volta Energy Technologies. 

Både Ford och BMW Group har sedan dess utökat sina befintliga gemensamma utvecklingsavtal med Solid Power för att säkra alla fast‑tillståndsbatterier för sina framtida elfordon. Året innan hade Solid Power producerat 320 Wh/kg 20 Ah litium‑metallceller som de rapporterade överträffade den kommersiellt tillgängliga specifika energin hos litiumjonbatterier.

Företaget är involverat i utvecklingen av nästa generations helt fasta batteriteknik, som de säger har potential att revolutionera framtida mobila kraftmarknader. Deras fokus ligger särskilt på sulfidbaserade fasta elektrolyter för elfordon, med ett kostnadsmål på $85/kWh. Målet är att skala upp elektrolytproduktionen för att driva 800 000 elfordon med sina battericeller årligen till 2028.

Med ett börsvärde på 268,77 miljoner handlas Solid Power-aktier för närvarande till $1,50, ner 21,16 % år‑till‑datum. Företaget började bara handlas på Nasdaq i slutet av december 2021. Dess EPS (TTM) är -0,47 och P/E‑kvoten (TTM) är -3,14.

För sina senast rapporterade finansiella resultat, Q3 2024, levererade Solid Power $4,7 miljoner i intäkter, vilket var en minskning med $1,7 miljoner jämfört med samma kvartal föregående år. Denna intäktsminskning berodde främst på slutförandet av deras milstolpar med BMW. Dess driftskostnader för perioden var högre på grund av ökade produktionskostnader, utvecklingskostnad för cell och elektrolyt, skalning av verksamheten och genomföranden. Dess likviditetssituation förblev dock stark då SolidPower avslutade kvartalet med $348,1 miljoner i total likviditet.

Under denna period började företaget arbeta i sitt elektrolyt‑innovationscenter (EIC) för att förbättra tillverkningsprocesserna för sin för‑pilot‑elektrolyt.

Senast meddelade Solid Power att de har säkrat upp till $50 miljoner i finansiering från USA:s energidepartement för kontinuerlig produktion av sulfidbaserade fasta elektrolytmaterial. Som en del av ett stödavtal kommer Solid Power att bidra med $60 miljoner av egna medel för att stödja utrustningsinstallation, vilket förväntas stärka företagets tillverkningsskala.

Slutsats 

Litiumjonbatterier fortsätter att dominera i många vanliga konsumentelektronikprodukter, elfordon och energilagringssystem (ESS). Den ökande användningen av dessa batterier beror på deras höga energitäthet och mogna industriella tillverkningssystem, men om vi vill integrera rikliga och förnybara energikällor i elnätet måste vi hitta bättre lösningar.

Långtidslagring av sol- och vindkraft kräver stora batterier, men Li‑ion‑batterier är kostnadsprohibitiva för detta uppdrag. Dessutom innebär deras brandfarlighet en betydande säkerhetsrisk. En potentiell ersättning för pålitliga, storskaliga energilagringssystem är uppladdningsbara Al‑ion‑batterier, som erbjuder ett lovande alternativ med lägre kostnad, förbättrad säkerhet och hög volymkapacitet. 

Med framsteg inom elektrolyttstabilitet och batterilivslängd kan aluminium‑jonbatterier spela en nyckelroll i storskalig energilagring, elfordon och mer. Även om utmaningar kvarstår för deras kommersiella genomförbarhet, för närvarande forskning närmar dessa batterier verkliga tillämpningar och kan snart tillgodose framtida samhällsbehov av hög energitäthet och prisvärda batterier.

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