Arbetet fortsätter med fastämnesbatterier medan forskare fokuserar på grunderna

Fastämnesbatterier, som används i smartphones, verktyg och elbilar, skiljer sig från litiumjonbatterier genom sitt användande av elektrolyter. Medan ett litiumjonbatteri använder en flytande elektrolyt, använder ett fastämnesbatteri en fast elektrolyt. 

I fallet med litiumjonbatterier finns en separator som håller katoden och anoden åtskilda. I fastämnesbatterier fungerar den fasta elektrolyten också som separator. 

Även om detta bara är skillnadsegenskaper har den vetenskapliga och teknologiska gemenskapen utvecklat fastämnesbatterier eftersom de har förbättrad stabilitet med en fast struktur och ökad säkerhet. Man fortsätter att arbeta med dem eftersom dessa batterier behåller sin form även om elektrolyten skadas.

Ett fastämnesbatteri har en högre energitäthet och löper knappt någon risk för explosion eller brand. Eftersom det inte kräver stöd av säkerhetskomponenter finns mer utrymme för att införa aktiva material, vilket ökar batterikapaciteten. Den förbättrade energitätheten säkerställer också att behovet av batterier förblir lågt, vilket resulterar i ett optimalt EV-batterisystem för modulen och paketet. 

För dessa fördelar tror marknadsexperter främst att fastämnesbatterier kommer att bli en spelväxlare som får elbilar att konkurrera med förbränningsmotorfordon och så småningom gå i täten. Men det hindrar inte forskare från att utforska hur fastämnesbatterier kan göras ännu mer användbara. I en sådan forskning, har forskare föreslagit ett högenergitäthets ultratunt litiummetallfastämnesbatteri möjliggjort av en Li2CO3‑tålig granat‑typ solid elektrolyt. 

Även om allt detta kan låta alltför tekniskt, kommer vi i nästa avsnitt att gå djupare in i att förstå vad forskningen avser att uppnå!

Möjliggör en ultratunn litiummetall fastämnesbatteriplattform med hög stabilitet och energitäthet

Professor Byoungwoo Kang och Dr Abin Kim från institutionen för materialvetenskap och -teknik vid POSTECH utvecklade en fast elektrolyt som möjliggör en ultratunn litiummetall fastämnesbatteriplattform med hög stabilitet och energitäthet.

Genombrottet uppnåddes genom att lösa en av de vanligaste orsakerna till oro för fastämnesbatterier. Vad var det problemet, och hur kunde det lösas? Låt oss titta närmare på det nedan!

LLZO‑problemet

Den garnet‑typiska fasta elektrolyten som används i fastämnesbatterier, även känd som Li7La3Zr2O12 eller LLZO, har hög jonledningsförmåga. Samtidigt är den mycket reaktiv och bildar ett föroreningsskikt (Li2CO3) på ytan när den utsätts för luft. Detta skikt medför flera nackdelar eller hinder, inklusive bildandet av en resistiv barriär i cellkonstruktionen, minskning av kontakt‑ och gränssnittsegenskaperna för elektrolyterna och reaktanter, etc.

Innovationen tog itu med detta hinder och vände på det genom att fokusera på de inneboende grundläggande faktorerna snarare än att söka en extern lösning. Forskarna utvecklade en luft‑hanterbar LLZO (AH‑LLZO)‑teknik som samtidigt kan förbättra ytan och de interna egenskaperna hos LLZO och förhindra bildandet av föroreningsskikt.

De nådde sitt mål genom att utveckla en ny hydrofob förening (Li‑Al‑O) både på ytan och inuti materialet. Denna förening hindrade föroreningarna från att spridas internt genom att låta skiktet endast reagera med luftfuktighet.

Detta lager som en lösning med förbättrade kontakt‑ och vätningsegenskaper ledde även till utvecklingen av ultratunna litium fastämnesbatterier, ungefär en tiondel av tjockleken på ett mänskligt hår.

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

Varför anses forskningen vara ett genombrott?

Resultaten har lett till ett scenario där det är möjligt att framställa ultratunna litiummetallager, vilket resulterar i ett lågt kapacitetsförhållande mellan anod och katod, omkring 0.176 i fastämnesbatterier.

Experimentet möjliggör också en betydande minskning av mängden litiummetall som används, vilket minskar batteriets totala vikt och volym och avsevärt förbättrar energitätheten.

Om det implementeras skulle forskningen och dess resultat möjliggöra lagring i luft utan behov av särskild hantering eller anläggningar. Förutom att förenkla hela processen leder innovationen till produktion av garnet‑typiska fasta elektrolyter med mer praktisk användbarhet.

När han talade om framtiden sade professor Byoungwoo Kang:

“Vi kommer att fortsätta arbeta med ultratunna litiummetall fastämnesbatterier som kan uppnå hög säkerhet och hög energitäthet.”

Forskningen visar att fokus på grunderna kan hjälpa oss att omvandla en produkts nackdelar till dess styrkor. Företag och kommersiella aktörer investerar i forskning och resurser för att göra fastämnesbatterier mer lämpliga och fördelaktiga för framtida bilar. I de följande avsnitten tittar vi på sådana företag och deras innovationer.

#1. Solid Power

Ett företag som gör exceptionellt arbete inom detta område är Solid Power (SLDP ). Dess helt fasta batterier erbjuder hög energi, förbättrad säkerhet, längre livslängd och betydande kostnadsfördelar. 

Det möjliggör användning av högkapacitets elektroder som höghaltigt kisel och litiummetall samtidigt som säkerhetsstandarderna förbättras genom att ta bort de reaktiva och flyktiga vätske‑ och gelkomponenterna.

Resultatet är tydligt i batterier som kan stå emot och fungera effektivt vid extremt höga temperaturer. Företaget påstår att dess produkter har en kostnadsfördel på 15‑35 % jämfört med Li‑ion‑paket.

Solid Powers helt fasta batteriportfölj inkluderar tre huvudprodukter: silicon‑EV‑celler, litiummetallceller och konversionsreaktionsceller.

Silicon EV Cell

Den har en höghaltig kiselanod, vilket ger höga laddningshastigheter och lägre temperaturkapacitet. Solid Powers proprietära sulfidbaserade fasta elektrolyter driver lösningen. Den använder branschstandard, kommersiellt mogna NMC‑katoder.

Lithium Metal

Produkten får sitt namn från sina högenergiska litiummetallanoder. Den har något bättre kapacitet än Silicon‑EV‑cellen, som har en specifikation på 390 Wh/kg, medan litiummetallcellen har 440 Wh/kg.

Conversion Reaction Cell

Bland alla produkter i Solid Powers portfölj har den den högsta prestandakapaciteten på 560 Wh/kg. Dess unikhet ligger i den ultralåga kostnaden och den högspecifika energikonverteringstypen av katod.

Basert i Colorado, USA, tror Solid Power starkt på sina batteriers transformerande kapacitet. Företaget tror att dess helt fasta battericeller skulle uppfylla OEM‑ers volym‑ och kostnadskrav.

I sin senaste tillgängliga investeringspresentation, företaget (Nasdaq: SLDP) påstår att det är den enda börsnoterade renodlade utvecklaren av äkta fastämnesbatterier som hittills har samlat in US$700 million till datum. Företaget bygger på en mer än ett decennium lång FoU‑investeringshistorik, vilket har resulterat i nästan 50 globala patentfamiljer och tre branschledande utvecklingspartners (BMW, Ford, SK On).

#2. QuantumScape

QuantumScape (QS ), en annan stor aktör inom området, påstår sig ha ett uppdrag att ‘förvandla energilagring med fastämnes litium‑metall‑batteriteknik.’ De hävdar också att de möjliggör ‘större energitäthet, snabbare laddning och förbättrad säkerhet’ – de tre grundläggande kvaliteter som POSTECH‑forskningen också fokuserar på. 

En av QuantumScapes mest anmärkningsvärda funktioner är att de har utvecklat branschens första anodlösa celldesign, vilket ger hög energitäthet med lägre materialkostnader och förenklad tillverkning.

QuantumScapes teknikplattform använder en mängd olika katodkemier för att avsevärt förbättra energitätheterna i dagens nickel‑mangan‑kobolt (NMC) och litium‑järnfosfat (LFP)‑baserade battericeller. Deras insatser säkerställer optimering för olika energilagringsapplikationer och håller fältet redo att utnyttja framtida framsteg inom katodkemin.

En annan unik försäljningspunkt för företaget är dess separator‑material, som är gjort av keramik som erbjuder hög ledningsförmåga, stabilitet mot litiummetall, motstånd mot dendritbildning och låg gränssnittsimpedans. En ytterligare fördel med att använda keramik är den förbättrade säkerheten eftersom den är icke‑brännbar och därmed säkrare än konventionella polymerseparatorer som består av kolväten och är mer benägna att brinna.

QuantumScape arbetar med ett mål på 800–1 000 Wh/L med sina fastämnes litium‑metallceller.

Finansiellt stöds QuantumScape (NYSE: QS) av mer än US$2 billion i kapitalinvesteringar. Företaget har över 300 patent och patentansökningar i sin portfölj.

Framtiden för fastämnesbatterier

Fastämnesbatterier är inte längre en framtidsteknik eftersom framtiden redan har kommit. Många banbrytande forskningsprojekt från toppklassiga institut driver dess utveckling varje dag.

I januari 2024 presenterade forskare från Harvard School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) exempelvis ett fastämnesbatteri med litiummetall som kan leverera 6 000 ladd‑/urladdningscykler – betydligt mer än någon annan påse‑battericell på marknaden.

Forskningen liknar den vi citerade i början av vår artikel, då Harvard‑forskarna också hanterade det välkända problemet med dendriter som bildas på anodens yta.

Förutom de specialiserade företagen vi har diskuterat, inklusive Solid Power och QuantumScape, finns även stora aktörer inom detta område. Till exempel, i oktober 2023, meddelade Toyota och Idemitsu Kosan ett partnerskap för att utveckla fastämnesbatterier för elbilar.

Visionen som drev detta samarbete var, för att säga det milt, ambitiös. Följande stod i pressmeddelandet:

“Genom detta samarbete, de två företagen som leder världen inom områden inklusive materialutveckling relaterad till helt fasta batterier, strävar efter att säkerställa en framgångsrik kommersialisering av helt fasta batterier år 2027‑28 – som annonserades vid Toyota Technical Workshop i juni 2023 – följt av storskalig massproduktion.”

Ett annat företag som bestämde sig för att ta ett stort steg inom detta område var Honda. Företaget har varit aktivt inom detta område under en längre tid. I januari 2024 sade Honda‑representanter att de siktade på en 50 % viktminskning – eller, med andra ord, en 50 % ökning av energitätheten per vikt.

Honda‑VD Toshihiro Mibe förklarade att om Honda ville skapa en bil som kostar 30 000 $, kunde de överväga fastämnesbatterier eftersom batterikostnaderna skulle minska, räckvidden skulle öka och kylsystemet kunde förenklas.

Dock står globala ansträngningar för att göra fastämnesbatterier mer robusta och säkra fortfarande inför vissa utmaningar. Målet är att optimera dess grundläggande egenskaper, inklusive säkerhet, stabilitet, energiprestanda och elektrokemisk lagringseffektivitet. Hindren inkluderar däremot långsiktig prestanda, ekonomisk hållbarhet och exakt leverans av specifika effektstandarder.

Om vi går djupare ser vi att utmaningarna också inkluderar otillräcklig cykelprestanda i nuvarande fastämnesbatterier (SSB) på grund av materialnedbrytning i anoder, katoder och elektrolyter. United States Council for Automotive Research har satt ett batterilivsmål på 10 år med 1000 cykler vid 80 % djup urladdning.

Det som hindrar fastämnesbatterier från att ofta nå detta mål är bildandet av rymdlager, vilket leder till långsam gränssnittskinetik och hög impedans, samt tillväxten av dendriter som orsakar kortslutningar och säkerhetsrisker.

Det finns dock lösningar på dessa utmaningar. Tillverkare måste fokusera på att producera högenergitäta SSB‑batterier och förbättringar. Dessa produkter har nämligen hög termisk stabilitet, vilket eliminerar säkerhetsproblem även vid temperaturer över 200 °C, medan flytande elektrolyter kan utgöra hot redan vid strax över 70 °C. Fastämneselektrolyter kan erbjuda läckfri drift och ge större elektrokemisk stabilitet än sina flytande motsvarigheter.

Fastämneselektrolyter är också mer önskvärda eftersom de kan minska kapacitetsförlust och interna kortslutningar. Deras höga jonledningsförmåga och låga elektronledningsförmåga säkerställer dessutom att fordon laddas snabbare.

Enligt QuantumScapes uppskattningar kan ett fordon som får cirka 350 miles räckvidd på en enda laddning med en av dagens främsta traditionella litium‑jonceller med en energitäthet på ~700 Wh/L, få mellan 400 och 500 miles räckvidd med QuantumScapes fastämnesceller.

Sammanfattningsvis är fastämnesbatterier avgörande för framtida mobilitet. De bör vara effektiva, säkra, kostnadseffektiva och långlivade.

Klicka här för att lära dig varför det är värt att köpa en elbil nu trots att fastämnesbatterier är på horisonten.