Mas Ligtas, Mas Mura, at Mas Malakas? Ang Pangako ng mga Bateryang Aluminyo

Ang mga bateryang may mataas na kapasidad na nagcha-charge nang mas mabilis at tumatagal nang mas matagal ay susi sa pagpapagana ng kinabukasan ng mga portable na elektronik, mga de-kuryenteng sasakyan, at pangmatagalang imbakan ng enerhiya.

Sa nakalipas na ilang dekada, ang mga lithium-ion na baterya ang nangunguna sa larangang ito. Bilang isang uri ng rechargeable na baterya, ang mga lithium-ion na baterya ay nagcha-charge at nagdi-discharge sa pamamagitan ng paggalaw ng mga ion sa pagitan ng mga positibong electrode at negatibong electrode, ibig sabihin, mga anode at cathode.

Ang metal na lithium na ginagamit sa mga bateryang ito ay malambot, pilak, at lubhang reaktibo. Ito ay may pinakamababang densidad sa lahat ng mga metal at matatagpuan sa mga compound bilang mineral, kung saan ang Chile ang pinakamalaking prodyuser nito. Ang Chile rin ang may pinakamalaking reserba ng lithium, sinundan ng Australia at China; ang huli ay isa ring nangunguna sa mga lithium-ion na baterya.

Ang mga bateryang ito ay talagang nangangailangan ng napakalaking dami ng tubig at enerhiya upang gawin. Mahirap din silang i-recycle.

Kaya, habang napatunayan ng mga lithium-ion na baterya ang kanilang pagganap sa mga portable na consumer electronics tulad ng smartphones, laptops, at iba pang handheld na aparato, pati na rin sa mga EV at mga storage system para sa backup ng solar power, naghahanap na ngayon ang merkado ng mga materyales na maaaring higitan ang lithium-ion at magbigay ng kapangyarihan sa susunod na henerasyon ng mga aparato, mga sasakyang may mahabang saklaw, de-kuryenteng eroplano, at imbakan sa antas ng grid.

Ito ay nagdala sa mga mananaliksik sa aluminyo, na nagpapakita ng magagarang pagganap para sa mas ligtas, mas mura, at mas malalakas na baterya.

Potensyal ng Aluminyo sa Pagpapaunlad ng mga Baterya 

Ang mga pagsisikap na bumuo ng rechargeable na mga bateryang aluminyo ay nagaganap na sa loob ng maraming dekada ngunit nakakuha ng malaking atensyon sa nakaraang dekada o higit pa. Ang pagtaas ng atensyon at pananaliksik ay nakatulong sa mga Al-ion na baterya na makamit ang pambihirang bilis sa pag-charge at pag-discharge.

Lahat ng mga pag-unlad na nakapalibot sa mga Al-ion na baterya ay mahalaga dahil sa mga natatanging benepisyo na hatid ng metal na ito.

Ang natatanging katangian ng aluminyo ay kinabibilangan ng pagiging magaan, hindi kinakalawang, at may mataas na thermal conductivity.

Ang pagiging maraming gamit nito ay nagbigay-daan sa metal na ito na maging lubos na kapaki-pakinabang sa malawak na hanay ng mga aplikasyon sa iba’t ibang industriya, partikular sa transportasyon. Ang metal ay malawakang ginagamit sa paggawa ng mga sasakyan, eroplano, at tren dahil ito ay magaan at matibay, na tumutulong sa pagpapabuti ng fuel efficiency at pagbawas ng emisyon.

Isa pang pangunahing aplikasyon ng aluminyo ay sa industriya ng konstruksyon dahil ito ay madaling hubugin at may kakayahang tiisin ang matitinding kondisyon ng kapaligiran. Ang aluminyo ay malawak ding ginagamit sa packaging, aerospace, kemikal, militar, at industriya ng elektrisidad.

Ang pagkakaroon ng mababang densidad at pagiging mahusay na konduktor ng kuryente ay ginagawang perpekto ang aluminyo para sa paggawa ng mga electrical conductor, mga aparato tulad ng computer, smartphone, at telebisyon, at paggamit sa mga overhead power line.

Higit sa lahat, ang aluminyo ang pinaka-abundant na metal na matatagpuan sa crust ng mundo. Bilang isang mababang-gastos na metal, ang paggamit nito sa rechargeable na mga baterya ay maaaring makabuluhang magpababa ng gastos ng mga baterya, lalo na para sa mga ekonomikong, malakihang backup system para sa imbakan ng renewable na enerhiya.

Ang mga lithium-ion na baterya ay patuloy na masyadong mahal para sa mga aplikasyon na ito. Bukod sa pagiging magastos, ang mga bateryang ito ay may kasamang nasusunog na electrolyte na nagdudulot ng alalahanin sa kaligtasan. Ang pinaka-abundant na metal sa mundo at pangalawang pinaka-abundant na metal sa komersyo (pagkatapos ng bakal) ay nagiging angkop na alternatibo dito.

Bukod sa pagiging mura, ang aluminyo ay may mataas na volumetric capacity, na apat na beses na mas malaki kaysa sa lithium at pitong beses na mas malaki kaysa sa sodium. Ipinapakita nito ang potensyal ng aluminyo na mapabuti ang energy density ng mga baterya sa bawat unit ng volume.

Higit pa rito, ang aluminyo ay hindi nasusunog, na lalo pang sumusuporta sa paggamit nito bilang electrode. Ang paggamit ng metal na ito ay nag-aalis din ng komplikasyon mula sa interphase layer na karaniwang nakikita sa mga lithium-ion system.

Hindi ibig sabihin na ang aluminyo ay walang anumang kakulangan. Ang passivation, corrosion, at hydrogen evolution ng mga aluminum ion battery system ay nagdulot ng limitadong aplikasyon nito. Isa pang hamon para sa mga aluminum ion battery ay ang pagpili ng mga anode material dahil sa mataas na charge density ng mga Al3+ ion, na nagreresulta sa mabagal na diffusion kinetics, na naglilimita sa rate capability ng baterya.

Sa kabila ng mga hamong ito, ang mga aluminum-ion na baterya ay isang magagarang kandidato para sa malakihang imbakan ng enerhiya dahil sa kanilang mataas na specific capacity, mababang gastos, magaan, magandang kaligtasan, at likas na kasaganaan ng aluminyo.

Pagsusuri sa Aluminum-Ion na Baterya para sa Tunay na Paggamit

Ang pagsisiyasat sa aluminyo sa mga baterya ay nagaganap na nang ilang panahon dahil sa pangangailangan para sa mga bagong kimika ng baterya upang matugunan ang pangangailangan para sa mataas na enerhiya ng mga sasakyang panghimpapawid na maglalakbay ng malalayong distansya at utility-scale na imbakan ng enerhiya. Ang mga tradisyonal na baterya ay simpleng hindi nagtataglay ng sapat na enerhiya upang mapatakbo ang mga sistemang ito.

Mga isang dekada na ang nakalilipas, inihayag ng mga mananaliksik sa Stanford University sa unang pagkakataon na ang isang aluminum-ion na baterya ay maaaring maging matatag at mag-cycle nang matagal. Ang Al-ion na bateryang ito ay maaaring ganap na ma-charge sa loob ng isang minuto at makapagdaan ng hanggang 7500 charge/discharge cycle na may kaunting pagbaba ng kapasidad.

Isang pag-aaral na isinagawa ng mga mananaliksik sa University of Queensland, Australia, noong huling bahagi ng nakaraang taon naman ay tinugunan ang teknikal na hadlang gamit ang isang AIB na sangkap¹.

Ang isang Al-ion na baterya, katulad ng mga lithium-ion na baterya, ay may anode, cathode, at electrolyte, na nagdadala ng mga aluminum ion na dumadaloy sa pagitan ng mga positibong electrode at negatibong electrode.

Sa panahon ng discharge, ang mga ion ay lumilipat mula sa anode papunta sa cathode upang lumikha ng enerhiya, at kapag nagcha-charge ang baterya, ang proseso ay bumabaliktad upang mag-imbak ng enerhiya. Pagdating sa mga Al-ion na baterya, nakararanas sila ng mga instability kapag nag-cycling sa pagitan ng pag-charge at pag-discharge dahil sa pagbuo ng mga dendrite na nagdudulot ng short circuit, na humahantong sa pagkabigo ng baterya.

Ang sagot dito, ayon sa pananaliksik, ay na ang mga aluminium-ion na baterya ay nangangailangan ng pre-cycling, katulad ng mga lithium-ion na baterya, upang mapalaki ang kanilang buhay. Ang pag-unawa sa mga natatanging pangangailangan ng pre-cycling na ito ay maaaring magdala ng mas magagandang disenyo na magpapahintulot sa baterya na tumagal nang mas matagal at mag-perform nang mas maaasahan, kaya’t mas mapapalapit ito sa mga totoong aplikasyon.

Sa isa pang pananaliksik mula ilang taon na ang nakalilipas, ginamit ng mga mananaliksik mula sa Georgia Institute of Technology ang aluminum foil upang lumikha ng mga baterya na maaaring magbigay-daan sa mga EV na makakaya ang mas mahabang distansya sa isang charge.

Sa pag-aaral na ito, nagdagdag ang mga mananaliksik ng maliliit na dami ng higit sa 100 iba’t ibang materyales sa aluminyo upang lumikha ng mga foil na may tiyak na “microstructures.” Ang aluminum anode ay nakapag-imbak ng mas maraming lithium kaysa sa tradisyonal na mga anode material, na nangangahulugang mas maraming enerhiya, na nagbubunga ng paglikha ng mga baterya na may mataas na energy density.

Ang mga pananaliksik na ito sa mga aluminum na baterya ay may napakalaking potensyal sa pagbubukas ng pinto tungo sa mas makapangyarihang teknolohiya ng baterya upang paganahin ang hinaharap.

Bagong Disenyo para Palawakin ang Buhay ng mga Aluminum na Baterya

Dahil sa maraming benepisyo ng mga aluminum-ion na baterya, kamakailan lamang, isang bagong pag-aaral na inilathala² sa ACS Central Science ang nagdisenyo ng isang cost-effective at environment-friendly na Al-ion na baterya na makakatulong suportahan ang paglipat sa napapanatiling, malinis na enerhiya.

Sa pandaigdigang pagsulong patungo sa sustainability, binigyang-diin ng pag-aaral ang pangangailangan na tuklasin ang mga saganang at renewable na mapagkukunan para sa pag-unlad ng mga teknolohiya ng baterya sa imbakan ng enerhiya upang itaguyod ang sustainable development.

Kaya, lumipat ang mga mananaliksik sa rechargeable na aluminum-ion na baterya (AIBs) na may nonflammable na room-temperature chloroaluminate-based ionic liquid electrolytes. Ang kanilang malawak na kakayahang mag-adjust sa temperatura, mahabang cycle life, at pambihirang kaligtasan ay ginagawang lubos na angkop ang AIBs para sa mga sistemang kayang mag-imbak ng enerhiya sa malaking sukat.

Ngunit, siyempre, ang tradisyonal na ionic liquid electrolytes sa AIBs ay nagtataglay ng mga kapansin-pansing kahinaan. Sa kanilang bagong balangkas, layunin ng mga mananaliksik na mapagtagumpayan ang problema ng corrosion mula sa pinaka-karaniwang electrolyte na ginagamit sa mga Al-ion na baterya.

Ang electrolyte — liquid aluminum chloride — ay hindi lamang nagkorope sa aluminum anode kundi nagpapalala pa sa kondisyon dahil sa mataas nitong sensitivity sa moisture. Ito ay nag-aambag sa mahinang katatagan, na nagreresulta sa pagbaba ng electrical performance sa paglipas ng panahon.

Upang alisin ang limitasyong ito, nagpakilala ang mga mananaliksik ng inert na aluminum fluoride salt sa electrolyte na naglalaman ng Al-ion, na nagbago nito sa solid-state electrolyte. Ang 3D porous structure ng aluminum fluoride salt ay nagpapahintulot sa mga aluminum ion na madaling tumalon sa electrolyte at dagdagan ang conductivity.

Gumamit din ang mga mananaliksik ng fluoroethylene carbonate bilang interface additive. Ang manipis na solid coating nito sa mga electrode ay tumulong maiwasan ang pagbuo ng mga kristal ng aluminyo at, bilang resulta, pinrotektahan ang kalusugan ng baterya mula sa pagkasira.

Sa dalawang komponenteng ito, nagawang mapabuti ng koponan ang moisture resistance ng kanilang baterya pati na rin ang thermal at physical stability nito. Pinahintulutan nito ang solid-state Al-ion na baterya na tiisin ang temperatura hanggang 392 degrees Fahrenheit (o 200 degrees Celsius). Nakatayo rin ito laban sa paulit-ulit na hampas ng matulis na bagay.

Pagdating sa buhay ng bateryang ito, natuklasan ng pag-aaral na ito ay lubos na mahaba. Ang solid-state Aluminum-ion na baterya ay tumagal ng hanggang 10,000 cycle ng charge at discharge habang nakaranas ng pagkawala na mas mababa sa isang porsyento ng orihinal nitong kapasidad.

Higit pa rito, ang karamihan ng aluminum fluoride na ginamit ay maaaring ma-recover sa pamamagitan ng simpleng paghuhugas. Ang AlF3 ay maaaring i-recycle sa ibang baterya na may bahagyang nabawas na performance, na lalong nagpapababa ng gastos sa produksyon ng baterya.

“Ang bagong disenyo ng Al-ion na baterya na ito ay nagpapakita ng potensyal para sa isang pangmatagalang, cost-effective, at mataas na kaligtasang sistema ng imbakan ng enerhiya. Ang kakayahang i-recover at i-recycle ang mga pangunahing materyales ay ginagawang mas sustainable ang teknolohiya.”

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

Ang bagong baterya ay nagpapataas ng praktikalidad ng mga Al-ion na baterya sa pamamagitan ng pagpapababa ng kanilang gastos sa paggawa at pagpapahaba ng kanilang buhay, ngunit kinakailangan pa ng karagdagang pagpapabuti sa energy density, electrolyte stability, at life cycle para sa komersyalisasyon ng bateryang ito.

I-click dito upang malaman ang tungkol sa isang pag-aaral na nagbuwag ng mga mito tungkol sa pagtanda ng baterya.

Pangunahing Manlalaro sa Merkado ng mga Baterya

Ang pag-usbong ng mga pangakong susunod na henerasyon ng teknolohiya ng baterya ay nag-aalok ng makabuluhang pagpapabuti sa energy density, kaligtasan, gastos, at haba ng buhay kumpara sa kasalukuyang mga lithium-ion na baterya. At inaasahang magbabago ito sa pangangailangan sa enerhiya, na pinapalakas ng mga inobasyon na tumutugon sa mga limitasyon ng kasalukuyang teknolohiya.

Kaya, tingnan na natin ngayon ang mga kumpanya na nagtutulak sa mga hangganan ng teknolohiya ng baterya at maaaring makakita ng malaking paglago sa mga darating na taon.

1. QuantumScape

Habang ang mundo ay naghahanap ng mga alternatibo, ang mga lithium-based na baterya ay patuloy na nangunguna sa ngayon. Sa kontekstong ito, ang QuantumScape Corporation (QS ) ay kabilang sa mga nangungunang kumpanya ng baterya na nagde-develop ng solid-state lithium-metal battery technology para sa mga EV at iba pang aplikasyon.

Sa paglapit ng mga legacy lithium-ion na baterya sa kanilang limitasyon, nakabuo ang kumpanya ng tinatawag nitong unang anode-free cell design sa industriya upang maghatid ng mataas na energy density, nabawasang gastos sa materyales, at pinasimpleng produksyon.

Hindi tulad ng mga tradisyonal na lithium-ion na baterya na may polymer separator, gumagamit ang QuantumScape ng solid-state separator. Pinapayagan nito ang pagpapalit ng carbon o silicon anode ng lithium-metal anode, na mas mataas ang energy density at samakatuwid ay nag-iimbak ng mas malaking dami ng enerhiya sa parehong volume. Sa disenyo ng QuantumScape, ang baterya ay ginagawa nang anode-free at nasa discharged state.

Ayon sa QuantumScape, ang 24-layer A0 prototype cell nito ay nakumpleto na ang higit sa 1,000 full charge-discharge cycle equivalents na may higit sa 95% energy retention. Noong Oktubre, inilunsad ng kumpanya ang planadong unang komersyal na produkto, QSE-5, para sa mga aplikasyon sa automotive. Ang QSE-5 B-sample cell, na nagsimula na ang low-volume production, ay may sinusukat na cell energy na 21.6 Watts-hours (Wh). Ang mga QSE-5 cell ay maaaring mag-charge mula 10% hanggang 80% sa loob ng humigit-kumulang 12 minuto.

Sa market cap na 2.62 bilyon, ang mga QuantumScape shares ay kasalukuyang nagte-trade sa $5.13, bumaba ng 1.16% YTD. Ang EPS (TTM) nito ay -0.95, at ang P/E (TTM) ratio ay -5.38.

Para sa huling iniulat na financial results ng quarter, i.e., Q3 2024, ang kumpanya ay nagkaroon ng $17.9 milyon sa capital expenditures habang ang GAAP operating expenses ay $130.2 milyon at ang GAAP net loss ay $119.7 milyon. Ang liquidity sa katapusan ng quarter ay $841 milyon.

Nakipag-partner din ang QuantumScape sa PowerCo, ang battery manufacturer ng Volkswagen, upang dalhin ang teknolohiyang QSE-5 sa mass production.

Sa panahong ito, iniulat ng kumpanya na matagumpay nitong naipatupad ang bagong separator production technology na tinatawag na Raptor. Pagkatapos, noong Disyembre, inanunsyo ng kumpanya ang paglabas ng Cobra, na ayon sa QuantumScape ay maglalagay nito sa tamang landas upang maghatid ng mas mataas na volume ng mga QSE-5 sample ngayong taon. Ang Cobra ay itinuturing din bilang isang malaking hakbang patungo sa komersyalisasyon ng solid-state na mga baterya nito para sa mga EV.

2. Solid Power

Itinatag noong 2011, ang Solid Power (SLDP ) ay nagmula sa University of Colorado Boulder na may pondo mula sa DARPA. Sa paglipas ng mga taon, nakuha nito ang mga kontrata mula sa Air Force at lumagda ng kasunduan sa Department of Energy.

Noong 2018, nagkaroon ang kumpanya ng unang round ng equity-based financing, at noong 2021, inanunsyo nito ang $135 milyong investment round na pinamunuan ng BMW Group, Ford Motor Company (F ), at Volta Energy Technologies.

Parehong pinalawak ng Ford at ng BMW Group ang kanilang umiiral na joint development agreements sa Solid Power upang matiyak ang lahat ng solid-state na baterya para sa kanilang mga susunod na EV. Sa taon bago iyon, nakagawa ang Solid Power ng 320 Wh/kg 20Ah lithium metal cells na iniulat nilang humihigit sa commercially available na lithium-ion specific energy.

Ang kumpanya ay kasangkot sa pag-develop ng susunod na henerasyon ng all-solid-state battery technology, na ayon sa kanila ay may potensyal na baguhin ang mga hinaharap na mobile power market. Ang pokus nito ay partikular sa sulfide-based solid electrolytes para sa mga EV, na may target na gastos na $85/kWh. Ang layunin ay i-scale ang produksyon ng electrolyte upang magbigay ng enerhiya sa 800,000 EV gamit ang mga baterya nito taun-taon pagsapit ng 2028.

Sa market cap na 268.77 milyon, ang mga Solid Power shares ay kasalukuyang nagte-trade sa $1.50, bumaba ng 21.16% YTD. Ang kumpanya ay nagsimulang mag-trade sa Nasdaq noong huling bahagi ng Disyembre 2021. Ang EPS (TTM) nito ay -0.47, at ang P/E (TTM) ratio ay -3.14.

Para sa pinakahuling iniulat na financial results, Q3 2024, naghatid ang Solid Power ng $4.7 milyon na kita, na isang pagbaba ng $1.7 milyon kumpara sa parehong quarter noong nakaraang taon. Ang pagbaba ng kita ay pangunahing dulot ng pagkumpleto ng mga milestone nito kasama ang BMW. Ang operating expenses para sa panahong ito ay tumaas dahil sa pagtaas ng production costs, development cost ng cell at electrolyte, operation scaling, at iba pang gawain. Ang posisyon ng liquidity, gayunpaman, ay nanatiling matatag dahil nagtapos ang SolidPower sa quarter na may $348.1 milyon na kabuuang liquidity.

Sa panahong ito, nagsimulang magtrabaho ang kumpanya sa kanyang electrolyte innovation center (EIC) upang mapabuti ang mga proseso ng paggawa ng pre-pilot electrolyte.

Kamakailan lamang, inanunsyo ng Solid Power na nakakuha ito ng hanggang $50 milyon na pondo mula sa U.S. Department of Energy para sa patuloy na produksyon ng sulfide-based solid electrolyte materials. Bilang bahagi ng isang Assistance Agreement, mag-aambag ang Solid Power ng $60 milyon mula sa sarili nitong pondo upang suportahan ang pag-install ng kagamitan, na inaasahang magpapalakas sa manufacturing scale ng kumpanya.

Konklusyon 

Patuloy na namamayani ang mga lithium-ion na baterya sa maraming pangkaraniwang consumer electronics, electric vehicles, at energy storage systems (ESSs). Ang patuloy na pag-adopt ng mga bateryang ito ay dahil sa kanilang mataas na energy density at mature na industrial preparation systems, ngunit kung nais nating isama ang saganang at renewable na mga mapagkukunan ng enerhiya sa power grid, kailangan nating makahanap ng mas magagandang solusyon.

Ang pangmatagalang imbakan ng solar at wind power ay nangangailangan ng malalaking baterya, ngunit ang mga Li-ion na baterya ay napakamahal para sa gawaing ito. Higit pa rito, ang kanilang pagiging nasusunog ay nagdudulot ng malaking panganib sa kaligtasan. Isang posibleng pamalit para sa maaasahang, malakihang energy storage system ay ang rechargeable na Al-ion na baterya, na nag-aalok ng magagarang alternatibo sa pamamagitan ng mas mababang gastos, pinabuting kaligtasan, at mataas na volumetric capacity.

Sa pag-unlad ng electrolyte stability at buhay ng baterya, maaaring gumanap ang aluminum-ion na mga baterya ng mahalagang papel sa malakihang energy storage, EVs, at higit pa. Bagaman may mga hamon pa sa kanilang komersyal na kakayahan, ang patuloy na pananaliksik ay nagdadala sa mga bateryang ito nang mas malapit sa mga totoong aplikasyon at maaaring sa lalong madaling panahon ay magsilbi sa pangangailangan ng lipunan para sa mataas na energy density at abot-kayang mga baterya.

I-click dito para sa listahan ng mga nangungunang battery stocks na maaaring pag-invest-an.