Pagsulong ng 4D STEM ng Mizzou: Pagpapahusay ng Kahusayan ng Solid-State Battery

Ang mga solid-state na baterya ay nasa sentro ng pansin sa mga araw na ito. Ito ay patuloy na kumukuha ng atensyon sa mga consumer electronics at mga electric vehicle, na bumubuo ng pinakamalaking bahagi ng pandaigdigang merkado ng solid-state na baterya noong 2022.

Tinatantiya ng mga mananaliksik na ang mga aplikasyon ng solid-state na baterya sa sektor ng EV ay lalago nang eksponensyal sa susunod na dekada, na maaabot ang laki ng merkado na US$4.3 bilyon pagsapit ng 2032. May mga dahilan kung bakit ang mga solid-state na baterya ay handa para sa eksponensyal na paglago. Sa esensya, tumutukoy ito sa teknolohiyang baterya na gumagamit ng solidong electrolyte imbis na likidong electrolyte, tulad ng ginagamit sa teknolohiyang lithium-ion. US$4.3 billion by 2032.

Ang mga solid-state na selula ay binubuo ng cathode, separator, at anode. Ang cathode ay maaaring gawin gamit ang parehong mga compound tulad ng sa lithium-ion na baterya. Sa kabilang banda, ang separator ay karaniwang gawa sa ceramic o solid polymer, na nagsisilbing electrolyte din. Ang anode ay gawa sa lithium metal. 

Kapag na-charge, ang mga particle ng lithium sa loob ng mga bateryang ito ay gumagalaw mula sa cathode patungo sa atomic na estruktura ng separator at sa electrical contact ng anode, na bumubuo ng solidong layer ng purong lithium. Tinitiyak ng prosesong ito na ang anode ay binubuo lamang ng mga particle ng lithium at may mas maliit na volume kaysa sa anode ng teknolohiyang lithium-ion na may graphite na estruktura. 

Bagaman ang mga bateryang ito ay nasa yugto pa ng pag-unlad, nangangako ito ng maraming pagpapabuti kumpara sa kasalukuyang mga baterya, kabilang ang mas mataas na energy density, mas mahabang buhay, pinahusay na kaligtasan, at mas maliit na sukat. Ang maganda nitong pananaw ay nagbigay ng kaakit-akit na puwang para sa mga siyentipiko na mas lalo pang tuklasin at tingnan kung ano ang maaaring gawin dito.

Isang kamakailang press release mula sa pananaliksik ng University of Minnesota ang nagsasabing ang mga mananaliksik ay “nagsusuri ng code sa solid-state na baterya.” Sa mga susunod na bahagi, titingnan natin ang mga dahilan na nag-uudyok sa matayog na pahayag na ito. 

Ano ang Naabot ng mga Mananaliksik ng University of Minnesota

Ang pananaliksik, na pinamagatang Understanding Cathode–Electrolyte Interphase Formation in Solid State Li-Ion Batteries via 4D-STEM¹, ay nagpapakita ng isang simpleng workflow upang pag-aralan ang pagbuo ng cathode–electrolyte interphase (CEI) gamit ang 4D-scanning transmission electron microscopy (4D-STEM) na hindi nangangailangan ng SS-LIB assembly.

Sa mga punto ng kontak sa pagitan ng solid electrolyte at aktibong materyal ng cathode sa solid-state lithium-ion na baterya, nabubuo ang mga interphase layer na nagpapataas ng impedance ng selula. Inalis ng mga mananaliksik ang pangangailangan para sa SS-LIB assembly at ipinakita ang mga benepisyo ng MoCl5:EtOH bilang kemikal na de-lithiating agent, kasama ang chemically delithiated cathode LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2 (NMC) powder na nasa kontak sa Li10GeP2S12 (LGPS) SE powder, bilang isang SS-LIB CEI surrogate.

Inilatag ng mga mananaliksik ang komposisyon at estruktura ng mga CEI layer gamit ang 4D-STEM, energy dispersive X-ray spectroscopy (EDS), at electron pair distribution function analysis (ePDF). Ipinapahiwatig ng kanilang mga natuklasan na ang mga coating na humaharang sa paggalaw ng anion habang pinapayagan ang paggalaw ng Lithium-ion at electron ay maaaring pigilan ang pagbuo ng interphase at bawasan ang impedance sa SS-LIBs. 

Habang inilalarawan ang likas na katangian ng coating, sinabi ni Young:

“Ang mga coating ay kailangang manipis upang maiwasan ang mga reaksyon ngunit hindi dapat sobrang kapal na haharang sa daloy ng lithium-ion. Layunin naming mapanatili ang mga katangian ng mataas na pagganap ng solid electrolyte at mga materyales ng cathode. Ang aming layunin ay magamit ang mga materyales na ito nang magkasama nang hindi isinasakripisyo ang kanilang pagganap para sa pagkakatugma.”

Maaaring tunog napaka-teknikal ang lahat ng ito, ngunit may mas madaling pananaw upang maunawaan ang nagawa ng pananaliksik.

I-click dito upang matuto tungkol sa isang breakthrough sa baterya na nagdadala ng mga solid-state variant nang isang hakbang mas malapit sa realidad.

Pagtugon sa Problema ng Liquid Electrolyte

Ang mga lithium-ion na baterya ay umaasa sa liquid electrolytes, na maaaring mag-apoy kung nasira o sobrang init. Tinugunan ng mga mananaliksik ng University of Missouri ang problemang ito sa pamamagitan ng pag-develop ng mga epektibong teknik upang palitan ang mga liquid o gel electrolytes ng solid electrolytes.

Sa pagpapaliwanag kung paano gumagana ang kanilang solusyon, sinabi ng Assistant Professor Matthias Young, na may joint appointments sa College of Engineering at College of Arts and Science ng Mizzou, ang sumusunod:

“Kapag ang solid electrolyte ay tumama sa cathode, ito ay nagre-react at bumubuo ng interphase layer na may kapal na humigit-kumulang 100 nanometers — 1,000 beses na mas manipis kaysa sa lapad ng isang hibla ng buhok ng tao. Ang layer na ito ay humaharang sa madaling paggalaw ng lithium ions at electrons, na nagpapataas ng resistensya at nakakasira sa pagganap ng baterya.”

Ang Pinakamahalagang Breakthrough

Ang pinakamahalagang nagawa ng koponan ng pananaliksik, gayunpaman, ay ang paggamit nila ng four-dimensional scanning transmission electron microscopy (4D STEM). Ang nagpasimula nito ay ang kakayahang suriin ang atomic na estruktura ng baterya nang hindi ito binubuklat, na nagbigay-daan upang magkaroon sila ng pangunahing pag-unawa sa mga kemikal na reaksyon sa loob at matukoy ang lawak ng pinsalang dulot ng interphase layer.

Mula sa perspektibo ng mga potensyal na gumagamit ng mga bateryang ito, ang pananaliksik at ang mga implikasyon nito ay may malaking potensyal.

Inaasahang Benepisyo sa Tunay na Mundo

Ang mga global na tagagawa ng sasakyan ay nasasabik sa solid-state na baterya dahil mag-aalok ito ng mas mataas na kaligtasan at thermal stability. Ang pananaliksik na tinalakay natin ay isang breakthrough sa direksyong iyon—isang napakahalagang hakbang pasulong. Higit pa rito, maaaring magdulot ang pananaliksik ng mga pagpapabuti sa kaligtasan, pagganap, buhay ng baterya, gastos, at ang kanilang epekto sa kapaligiran.

Ang mga siyentipiko ng baterya sa buong mundo ay optimistiko na ang bagong henerasyon ng solid-state na baterya, na lilitaw bilang resulta ng mga ganitong pananaliksik, ay sa huli ay malalampasan ang dalawang pangunahing kahinaan ng tradisyonal na lithium-ion. Ang nickel-rich na cathodes ay magpapahintulot sa industriya ng baterya na gumamit ng mas kaunting cobalt sa cathode. Pangalawa, ang solid-state na kimika ay magpapahintulot sa mga gumagawa ng baterya na gumamit ng lithium metal sa anode.

Ang unang salik ay mahalaga para sa paglago ng sektor na ito dahil ang cobalt ay bihira, mahal, at mahirap i-mina. Nagmumula ito sa mga bansa na may mahina ang batas sa pagmimina. Naniniwala ang mga mananaliksik na ang lawak ng paggamit ng lithium sa anode ay mahalaga dahil pinapataas nito ang energy density at nagtataguyod ng kaligtasan.

Sa pagtalakay sa paggamit ng lithium metal, Helena Braga, isang associate professor ng engineering physics sa University of Porto sa Portugal at kilalang mananaliksik na nakipagtulungan kay Nobel Prize winner John Goodenough sa solid-state na baterya isang dekada na ang nakalipas, sinabi:

“Ito ang dahilan kung bakit sinimulan namin ang paglalakbay na ito (solid-state) sa simula—upang magamit namin ang lithium metal.”

Sa kabuuan, ang teknolohiyang ito at ang teknikang batay sa pananaliksik ay maaaring magdulot ng pinahusay na disenyo ng baterya na may mas mataas na pagganap at kaligtasan, na posibleng makaapekto sa consumer electronics at EVs sa loob ng 3-7 taon.

Gayunpaman, ang tunay na halaga ng ganitong pananaliksik ay nakasalalay sa kung gaano matagumpay na tatanggapin at i-scale ng mga kumpanya at negosyo na gumagawa ng solid-state na baterya ang mga ito. Sa susunod na bahagi, tatalakayin natin ang isang kumpanya, Solid Power, Inc. (SLDP ), na nagdadalubhasa sa all-solid-state battery technology, na nakatuon sa mas ligtas at mas epektibong solusyon sa pag-iimbak ng enerhiya.

Solid Power, Inc. (SLDP ) 

Itinatakda ng Solid Power ang sarili bilang tagapagbigay ng all-solid-state battery cell technology na nag-aalok ng mahahalagang pagpapabuti kumpara sa kasalukuyang conventional liquid-based lithium-ion technology at susunod na henerasyon ng hybrid cells, kabilang ang mataas na enerhiya, pinahusay na kaligtasan, mas mahabang buhay, at pagtitipid sa gastos.

Ang mga baterya ng Solid Power ay nagpapahintulot ng paggamit ng mga electrode na may mas mataas na kapasidad tulad ng high-content silicon at lithium metal upang makamit ang mataas na pagganap sa enerhiya. Nagiging mas ligtas ito sa pamamagitan ng pag-alis ng pangangailangan para sa reaktibo at volatile na liquid at gel components. Bilang resulta, kaya nitong tiisin at maghatid sa napakainit na temperatura. Naniniwala ang kumpanya na ang kanilang mga baterya ay maaaring magbigay ng 15-35% na kalamangan sa gastos kumpara sa umiiral na lithium-ion sa antas ng pack.

Sa mga susunod na bahagi, tatalakayin natin ang tatlong uri ng solid-state na baterya ng Solid Power.

Silicon EV Cell 

Ang mga selulang ito ay may high-content silicon anode na nagbibigay ng mataas na charge rates at mas mababang kakayahan sa temperatura. Ang mga bateryang ito ay pinapagana ng proprietary sulfide-based solid electrolytes ng kumpanya. Sa huli, ang NMC cathode nito ay industry-standard at komersyal na mature.

Lithium Metal

Ang mga Solid Power Lithium Metal na baterya ay may kasamang lithium metal at high-energy anode. Ang kategoryang ito ng mga baterya ay pinapagana rin ng proprietary sulfide-based solid electrolytes ng Solid Power at industry-standard at komersyal na mature na NMC cathodes.

Conversion Reaction Cell 

Sa wakas, narito na ang kategorya ng conversion reaction cell na mga baterya na may kasamang lithium metal, high-energy anode, sulfide-based solid electrolytes na napakababang gastos, at high specific energy conversion-type cathode.

Ang teknolohiya ng baterya ng Solid Power ay may sulfide-based solid electrolytes bilang isa sa pinakamakapangyarihang pundasyon nito. Tinitiyak ng teknolohiyang ito ang ganap na pagtanggal ng nasusunog na liquid electrolyte at polymer separator layer sa tradisyonal na lithium-ion na baterya at pinapalitan ito ng solid layer na, kahit manipis, ay nagsisilbing hadlang upang hindi magdikit ang anode at cathode, na magdudulot ng short sa baterya. Nagsisilbi rin itong conductive electrolyte. Ang sulfide-based solid electrolyte ng Solid Power ay may pinakamagandang kombinasyon ng conductivity, manufacturability, at cell-level performance.

Ang pangunahing sulfide-based solid electrolyte technology ng Solid Power ay gumagamit ng mga materyales na sagana sa kalikasan. Inaasahan ng kumpanya na i-scale ang produksyon ng electrolyte upang mapagana ang 800,000 electrified na sasakyan sa pamamagitan ng mga all-solid-state battery cell nito taun-taon pagsapit ng 2028.

SLDP: Mga Pinakabagong Update

Noong Disyembre 2024, inanunsyo ng Solid Power ang pagpapalawig ng kanilang partnership sa Ford hanggang 2025. Ang ikatlong amendment sa joint development agreement ay sumasalamin sa patuloy na pangako sa pagitan ng Solid Power at Ford upang itulak pasulong ang mga hangganan ng pagganap ng baterya ng electric vehicle.

Binanggit ng mga ulat na ang pagpapalawig ng partnership ay isang mahalagang hakbang para sa gawain ng Solid Power patungo sa komersyalisasyon ng solid-state battery technology nito. Ang pinalawig na partnership sa Ford, isang nangungunang global automaker, ay nagpatibay sa potensyal na epekto ng teknolohiya ng Solid Power sa industriya ng automotive.

Noong Enero 2025, pumasok ang kumpanya sa isang makabuluhang kasunduan sa pananalapi sa U.S. Department of Energy (DOE). Inanunsyo ng kumpanya na nakakuha ito ng hanggang $50 milyon na pondo upang mapabuti ang kakayahan nitong mag-produce ng sulfide-based solid electrolyte material, na mahalaga para sa susunod na henerasyon ng mga baterya.

Ang pondo ay bahagi ng isang Assistance Agreement na may epektibong petsa noong Enero 1, 2025, na nagtakda na mag-aambag ang Solid Power ng $60 milyon mula sa sarili nitong pondo bilang bahagi ng cost-sharing arrangement. Ang pamumuhunan ay naglalayong suportahan ang pag-install ng kagamitan na kinakailangan para sa tuloy-tuloy na produksyon, na inaasahang magpapatibay sa sukat ng pagmamanupaktura ng kumpanya.

Bilang bahagi ng kasunduan, ang Solid Power ay kinakailangang sumunod sa mga tiyak na reporting requirements at compliance obligations. Ang suporta ng DOE ay nagpatibay sa kahalagahan ng pagpapabuti ng teknolohiya ng baterya para sa energy storage at electric vehicles, mga sektor na kritikal para sa paglipat sa low-carbon na ekonomiya.

Ang partnership ng kumpanya sa DOE ay isang estratehikong hakbang sa pagpapabilis ng komersyalisasyon ng solid-state na baterya, na nangangako ng mas mataas na energy density, pinahusay na kaligtasan, at mas mahabang buhay kumpara sa tradisyonal na lithium-ion na baterya.

Sa panig ng pananalapi, naabot ng Solid Power ang $20.1 milyon na kita noong 2024, isang pagtaas ng $2.7 milyon kumpara sa 2023. Ang operating expenses ay $125.5 milyon noong 2024, tumaas mula $108.0 milyon noong 2023, dulot ng pagtaas ng gastos sa research and development upang mapabuti ang pagganap ng electrolyte at disenyo ng selula, produksyon ng electrolyte, pagbili ng kagamitan na sumusuporta sa mga kasunduan ng SK On, at pag-scale ng operasyon, kabilang ang pagtatatag ng operasyon sa Korea. Ang operating loss para sa 2024 ay $105.3 milyon, habang ang net loss ay $96.5 milyon, o $0.54 kada share.

“Sa 2025, ipagpapatuloy ng Solid Power ang pagpapalawak ng pag-unlad ng ASSB technology sa pamamagitan ng pagpapabuti ng performance ng electrolyte batay sa feedback mula sa aming cell development team, pagtupad sa mga pangangailangan ng partner at kahilingan ng customer, patuloy na pag-innovate sa parehong electrolyte at cell technologies, at pagpapanatili ng financial discipline habang estratehikong nag-iinvest sa development at capabilities.”

– John Van Scoter, President at Chief Executive Officer ng Solid Power

Solid-State Battery: Pagtanaw sa Hinaharap

Ang hinaharap ng solid-state na baterya ay mukhang kapanapanabik, puno ng potensyal para sa inobasyon. Halimbawa, noong 2024, ang mga mananaliksik mula sa Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) ay nag-develop ng bagong lithium metal battery na maaaring i-charge at i-discharge nang hindi bababa sa 6,000 beses — higit sa anumang ibang pouch battery cell — at maaaring i-recharge sa loob ng ilang minuto.

Ayon kay Xin Li, Associate Professor ng Materials Science sa SEAS at senior author ng papel na nagdetalye ng pananaliksik at inilathala sa Nature Materials:

“Ang mga lithium metal anode na baterya ay itinuturing na holy grail ng mga baterya dahil may sampung beses na kapasidad kumpara sa komersyal na graphite anodes at maaaring lubos na pataasin ang saklaw ng pagmamaneho ng mga electric vehicle.”

Sa kanilang pananaliksik, pinigilan nina Li at ng kanyang koponan ang pagbuo ng dendrite sa pamamagitan ng paggamit ng micron-sized silicon particles sa anode upang higpitan ang lithiation reaction at mapadali ang homogeneous plating ng makapal na layer ng lithium metal. Kapag ang mga lithium ion ay lumipat mula sa cathode patungo sa anode habang nagcha-charge, ang lithiation reaction ay naging constrained sa mababaw na ibabaw, at ang mga ion ay dumikit sa ibabaw ng silicon particle nang hindi lumusob pa. 

“Sa aming disenyo, ang lithium metal ay napapalibutan ng silicon particle, tulad ng matigas na chocolate shell sa paligid ng hazelnut core sa isang chocolate truffle.”

– Li

Ang mga coated particle ay bumuo ng homogenous na ibabaw, na nagtitiyak ng pantay na pamamahagi ng current density at pumipigil sa pag-usbong ng dendrites. At dahil ang plating at stripping ay maaaring mangyari nang mabilis sa isang pantay na ibabaw, ang baterya ay maaaring mag-recharge sa halos 10 minuto.

Nabuo ng mga mananaliksik ang isang postage stamp-sized pouch cell na bersyon ng baterya, 10 hanggang 20 beses na mas malaki kaysa sa coin cell na ginagawa sa karamihan ng mga laboratoryo ng unibersidad. Napanatili ng baterya ang 80% ng kapasidad nito pagkatapos ng 6,000 cycles, na humigit pa sa ibang pouch cell batteries na kabilang sa parehong liga. Sa proseso, ibinunyag ng mga mananaliksik ang dose-dosenang iba pang materyales na maaaring posibleng magbigay ng katulad na pagganap. Ayon kay Li:

“Natuklasan ng mga nakaraang pag-aaral na ang ibang materyales, kabilang ang silver, ay maaaring magsilbing magagandang materyales sa anode para sa solid-state na baterya.”

Upang gawing pangkalahatan ang proseso, isang pangkat ng mga mananaliksik ang naglathala ng papel tungkol sa benchmarking the reproducibility of all-solid-state battery cell performance.² Napansin ng mga mananaliksik na ang interlaboratory comparability at reproducibility ng all-solid-state battery cell cycling performance ay hindi maayos na nauunawaan dahil sa kakulangan ng standardized set-ups at assembly parameters.

Nagmungkahi ang mga mananaliksik ng isang hanay ng mga parameter para sa pag-uulat ng all-solid-state battery cycling results at nagtaguyod ng pag-uulat ng data nang tatlong ulit. Halimbawa, ang isang initial open circuit voltage na 2.5 at 2.7 V laban sa Li+/Li ay isang magandang predictor ng matagumpay na cycling para sa mga selula na gumagamit ng mga electroactive material na ito.

Ang standardisasyon ng paggawa ng solid-state battery ay mahalaga dahil ang paggamit nito ay iba-iba. Habang ang mga EV manufacturer ay isa sa mga pinaka-interesado sa pag-develop ng epektibong solid-state batteries, kahit ang NASA researchers ay nag-ulat ng pag-unlad sa pag-develop ng isang makabagong battery pack na mas magaan, mas ligtas, at mas mahusay kaysa sa mga baterya na karaniwang ginagamit sa mga sasakyan at malalaking elektronikong kagamitan ngayon.

Ang mga NASA researcher ay nag-eksperimento gamit ang mga makabagong bagong materyales na hindi pa nagamit sa mga baterya. Maagang napagtanto ng koponan na ang solid-state architecture ay nagbigay-daan sa kanila na baguhin ang konstruksyon at packaging ng baterya, na nagbabawas ng timbang habang pinapataas ang kapasidad ng imbakan ng enerhiya. Ipinakita nila na ang solid-state na baterya ay maaaring magbigay ng kapangyarihan sa mga bagay na may napakalaking kapasidad na 500 watt-hours per kilogram—dalawang beses ng sa isang electric car.

“Hindi lamang tinatanggal ng disenyo na ito ang 30 hanggang 40 porsyento ng timbang ng baterya, kundi pinapayagan din tayo na doblehin o kahit triplehin ang enerhiya na maaari nitong i-imbak, na lagpas sa kakayahan ng mga lithium-ion na baterya na itinuring na state of the art.”

– Rocco Viggiano, principal investigator ng SABERS

Ang SABERS ay isang akronim para sa itinalagang aktibidad ng NASA, ‘Solid-state Architecture Batteries for Enhanced Rechargeability and Safety.’

Tulad ng sinasabi ng pangalan, ang hinaharap ng solid-state na baterya ay uunlad sa mga aspeto ng mabilis na rechargeability at kaligtasan. Ang mga tagagawa ay lalong maghahanap ng pag-develop ng mga baterya na mas mabilis mag-recharge nang hindi nagiging hindi ligtas ang proseso.

I-click dito para sa listahan ng 5 pinakamahusay na solid-state battery stocks.