Natrium & väte fasttillståndsbatterier utmanar litium

Att gå bortom litiumjon

Med elektrifieringen av alla former av transport, med början av bilar och snart även lastbilar, fartyg och möjligen till och med flygplan, har batterilagring blivit den nyckelteknologin för årtiondet.

Den dominerades initialt av litiumjonsteknik, tack vare erfarenheten av att tillverka den för små elektronikprodukter och litiums inneboende elektriska egenskaper.

Dock medför litiumjonsteknik några viktiga problem som kan begränsa dess antagande:

• Den är dyrare och sällsyntare än andra metaller, vilket potentiellt begränsar dess användning till ultrahögtäta batterier eller premiumprodukter.
• Den tenderar att bilda metall‑dendriter som kan orsaka katastrofala fel och batteribränder.
• Den fungerar dåligt i fryspunkter, vilket gör den olämplig för kalla klimat och fast lagring i kalla regioner.

Av alla dessa skäl har forskare och batteritillverkare utforskat alternativa kemier. En av dessa är att använda natrium, en av komponenterna i ultrarikligt & billigt havssalt.

Sodiamjonbatterier närmar sig snart massproduktionsstadiet, med företaget CATL (300750.SZ) i spetsen för detta område.

“Det handlar inte om natrium kontra litium. Vi behöver båda. När vi tänker på morgondagens energilagringslösningar bör vi föreställa oss att samma gigafabrik kan producera produkter baserade på både litium‑ och natriumkemier,”

Shirley Meng– Professor in Molecular Engineering at the UChicago PME. 

Ändå förväntas både litiumjon‑ och natriumjonbatterier vara ett steg mot en överlägsen batteriteknik: fastställda batterier.

Fasttillståndstekniken fokuserade först på litium, men expanderar nu mot nya riktningar. Till exempel diskuterade vi tidigare möjligheten med ett anodfritt fasttillståndsbatteri baserat på natrium.

En ny studie avslöjade att en metastabil form av natriums fast elektrolyt kan användas för att skapa fasttillståndsnatriumbatterier som inte bara är mer energitäta utan också behåller prestanda även vid under nollgrader.

Detta arbete utfördes av forskare vid University of California, University of Chicago och National Taiwan University of Science and Technology, och publicerades i tidskriften Joule¹ under titeln “Metastabila natrium closo‑hydridoborater för alla fasttillståndsbatterier med tjocka katoder”.

Utmaningar med fasttillståndselektrolyter

I ett ”normalt” batteri är katoden och anoden separerade av en flytande elektrolyt. Denna elektrolyt är mycket användbar, men också mycket tung och den främsta orsaken till brand i felaktiga batterier.

Det är därför som ersättning med ett lager av fast material gör batteriet inte bara mycket tätare, utan också säkrare. Att hålla denna fasta elektrolyt stabil och utan svullnad vid laddning eller urladdning (vilket kan orsaka sprickor) har dock varit ett problem.

Natriums fasta elektrolyter har ett extra problem, eftersom de visar begränsad jonledningsförmåga vid rumstemperatur.

Ett alternativ kan vara att använda material som natriumhydridoborat, känt för att ha mycket hög jonledningsförmåga. Men för det måste dess metastabila form upprätthållas i ett batteri i skala.

“Denna metastabila struktur av natriumhydridoborat har en mycket hög jonledningsförmåga, minst en storleksordning högre än den som rapporterats i litteraturen, och tre till fyra storleksordningar högre än själva föregångaren.”

Shirley Meng– Professor in Molecular Engineering at the UChicago PME. 

Stabilisering av natriums fasttillståndselektrolyter

När man producerar ett batteri med natriumhydridoborat tenderar materialet att gå mot en stabil struktur vid kylning, vilket separerar NaBH4 från Na2B12H12‑molekyler.

En metastabil form existerar vid hög temperatur, där de två kristallerna blandas, vilket möjliggör mycket snabbare rörelse av natrium i batteriet och ger starkare elektrisk kapacitet.

Källa: Joule

Vid snabb kylning förblir materialet i en metastabil form, kristallen behåller sin struktur istället för att återgå till en stabil form. Denna typ av snabb kylning, även kallad härdning, är en viktig metod som används i tillverkning, särskilt inom metallurgi för stål och andra metaller.

Källa: Joule

Känd teknik för skalbarhet

Det var redan känt att för att stabilisera en kemisk struktur är härdning (snabb kylning) ofta en användbar metod. Detta hade dock aldrig demonstrerats i en fasttillståndselektrolyt förrän nu.

Faktum att detta är en allmänt accepterad praxis kan avsevärt hjälpa till att göra tekniken skalbar och antagen av batteritillverkare.

“Eftersom denna teknik är etablerad kan vi bättre skala upp i framtiden.

Om du föreslår något nytt eller om det finns ett behov av att förändra eller etablera processer, kommer industrin att vara mer motvillig att acceptera det.

Sam Oh – A*STAR Institute of Materials Research and Engineering i Singapore.

Tjock elektrod & kalla temperaturer

De flesta fasttillståndsdesigner försöker konstruera en ultratunn katod för att maximera kontaktytan och begränsa mängden ”dött” material som inte lagrar energi.

Härdning löser detta problem genom att skapa permanenta porer där natriumjonen kan cirkulera.

“Genom att kombinera den metastabila fasen med en O3‑typ katod som har belagts med en kloridbaserad fast elektrolyt kan man skapa tjocka, högytbelastade katoder som placerar denna nya design bortom tidigare natriumbatterier.”

Sam Oh – A*STAR Institute of Materials Research and Engineering i Singapore.

Detta skapar en intressant designpotential, eftersom en tjockare elektrod i detta specifika fall bör förbättra batteriet istället för att försämra det.

“Ju tjockare katoden är, desto bättre blir den teoretiska energitätheten i batteriet – mängden energi som hålls inom ett specifikt område – förbättras,”

Sam Oh – A*STAR Institute of Materials Research and Engineering i Singapore.

När katoden testades fann forskarna att prestandan hölls vid rumstemperatur och även under fryspunkten – en märkbar fördel för drift i kalla klimat jämfört med konventionella flytande elektrolyt‑Li‑ion – även om en bredare, systemnivåfördel gentemot kommersiella Li‑ion ännu inte har demonstrerats.

Väte som laddningsbärare

När vi diskuterar väte i relation till transport och grön energi hänvisar vi vanligtvis till dihydrogen (H2) och dess förbränning eller oxidation i dedikerade motorer eller bränsleceller.

Men väte kan också ha potential som en nyckelkomponent i framtida batterier, som ersättning för litium eller natrium. I så fall används hydrid (H-) istället.

Eftersom väte är universums mest abundanta element kan detta göra det särskilt användbart för en värld som strävar efter att vara helt elektrifierad och drivas av grön energi och batterier.

Kinesiska forskare vid University of Chinese Academy of Sciences, University of Science and Technology of China (USTC), Jilin University och People’s Republic of China State Key Laboratory of Catalysis har i den prestigefyllda vetenskapliga tidskriften Nature² presenterat konceptet med ett fasttillståndshydridjonbatteri, under titeln “Ett rumstemperaturuppladdningsbart fasttillståndshydridjonbatteri”.

Hydridjoner

Batterier använder en negativ laddningsbärare för att transportera elektroner mellan anod och katod. I teorin är hydridjoner (H−) mer energirika, polariserbara och reaktiva än katjoner som litium eller natrium.

Väte är också den minsta atomen, vilket gör den särskilt lätt – en viktig faktor för batterier som används i transport.

Trots dessa välkända fördelar har hydridjoner hittills inte använts i batterier, eftersom ingen elektrolyt har kunnat erbjuda kombinationen av snabb jonrörelse, termisk stabilitet och elektrodkompatibilitet som sådana system kräver.

Kombinera ledningsförmåga med stabilitet

Forskarna syntetiserade ett nytt kärna‑skal‑komposithydrid, 3CeH₃@BaH₂, där ett tunt BaH₂-skal omsluter CeH₃. Denna struktur utnyttjar den höga hydridjonledningsförmågan hos CeH₃ och stabiliteten hos BaH₂.

Genom att använda detta skal‑komposit som byggsten skapade forskarna en CeH₂|3CeH₃@BaH₂|NaAlH₄ helt fasttillståndshydridjonprototyp. NaAlH₄, ett klassiskt väte lagringsmaterial, användes som den aktiva komponenten i katoden.

Avlägsna dendriter för alltid?

Förutom hög energikapacitet har hydridjoner en annan stor fördel: till skillnad från metalliska katjoner kan de inte samlas med varandra för att bilda dendriter, den grundläggande orsaken till de flesta batterifel efter för många laddnings‑ och urladdningscykler, vilket orsakar kortslutningar och bränder.

Så det kan vara vägen till säker, effektiv och hållbar energilagring.

Dock är denna teknik mycket mindre mogen än litiumbatterier eller ens natriumbatterier, och framsteg behövs i hållbarheten för denna design.

För närvarande lyckades forskarna skapa en hög energitäthet på 984 mAh/g vid rumstemperatur. Men batterikapaciteten minskade till 402 mAh/g efter bara 20 cykler.

Framtiden för fasttillståndsbatterier

På kort sikt kommer batterier som använder litiumjonsteknik sannolikt att förbli grunden för grön energi och elbilar.

På medellång sikt kan fasttillståndsbatterier eller natrium (och fasttillståndsnatrium) ersätta litiumjonens dominans, särskilt om de lyckas erbjuda tillräckligt hög energitäthet till ett lägre pris.

Fasttillståndsbatteriers snabba laddning kan också vara ett argument för förare som är tveksamma till att byta till elbilar eller för kommersiella tillämpningar.

Hållbarhet och tolerans för kalla temperaturer kommer också att vara en faktor i ekvationen, med potentiellt ett brett spektrum av parallella batterikemier som samexisterar under 2030‑talet, med vissa specialiserade batterier för elbilar i kalla klimat.

Du kan läsa mer om dessa ämnen i våra följande artiklar:

• • “Ultra‑hållbara batterier: Varför nästa generations teknik kommer att hålla i årtionden, inte bara år”
  • “Honeycomb‑batteri som potentiellt kan överträffa fasttillståndsbatterier”
  • “Framtiden för mobilitet – Batteriteknik”

Swipe to scroll →

Fasttillstånd Batteriföretag

QuantumScape

Sedan grundandet 2010 har det kaliforniska QuantumScape varit en framstående startup inom fasttillståndsbatterier, anmärkningsvärd för sin tidiga satsning på området och sin oberoende från större batteritillverkare som också driver fasttillståndsteknik, som CATL (300750.SZ), Samsung eller LG Energy Solution (373220.KS).

Källa: QuantumScape

En unik egenskap hos QuantumScape‑batterier, som vid lanseringen ansågs revolutionerande, är att de använder en anodfri design.

Den möjliggör ~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 sina likvida medel, vilket lett till tidigare investerares utspädning och en nedgång i aktiekurserna.

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

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

Den plötsliga uppskalningen av QuantumScape‑produktionen är kopplad till Cobra, företagets nästa generations utrustning för fasttillståndsbatteriseparatorer, ett genombrott inom keramikproduktion.

Övergripande bör Cobra integreras i produktionen 2025, och den första färdiga elbilen som använder QuantumScape‑batterier bör produceras 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.

Relationen med PowerCo blir närmare 2025, med fasttillståndsbatterier som används i en Ducati‑motorcykel, och eftersom PowerCo kommer att tillhandahålla upp till 131 miljoner USD i nya betalningar under de kommande två åren när det gemensamma uppskalningsteamet uppnår vissa milstolpar.

“Detta utökade avtal är en tydlig signal om den växande strategiska, tekniska och finansiella samordningen mellan de två företagen.

Det speglar vår gemensamma förtroende för QSE‑5 som en banbrytande plattform för batteribranschen.

Dr. Siva Sivaram – VD och president för QuantumScape.

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

(Du kan också kolla andra batteriföretag i USA och utomlands i vår artikel Topp 10 batteriaktier att investera i”).

Studie refererad

<sup>1. Jin An Sam Oh, et al. Metastabila natrium closo‑hydridoborater för alla fasttillståndsbatterier med tjocka katoder. Joule. 102130. 16 september 2025. https://www.cell.com/joule/abstract/S2542-4351(25)00311-3 
2. Jirong Cui, et al. Ett rumstemperaturuppladdningsbart fasttillståndshydridjonbatteri. Nature. 17 september 2025. https://doi.org/10.1038/s41586-025-09561-3</sup>