Maliit na Pagbabago para sa Malaking Pagbabago – Ang mga Tekstura ng Malambot na Metal ba ay Pagsabog sa Baterya?

Ang mga baterya ay laganap. Ang ating makabagong panahon ng teknolohiya ay hindi maaaring umunlad o umunlad nang walang mahusay na ginawa, epektibong mga baterya. Ang mga baterya ay naroroon sa mga Electric Vehicles, mga mobile device, imbakan ng renewable energy, at marami pang iba. 

Kung titingnan natin ang mga numero ng paglago, ang potensyal ay eksponensyal. Sa pagitan ng 2022 at 2030, ang pandaigdigang demand para sa lithium-ion batteries, halimbawa, ay inaasahang tataas halos pitong beses, na aabot sa 4.7 terawatt-hours sa 2030. Ang mga eksperto sa merkado ay iniuugnay ang malaking bahagi ng paglago na ito sa pagtaas ng kasikatan ng mga Electric Vehicles, na lubos na umaasa sa mga Lithium-Ion batteries. Noong 2024, ang mga EV ay kumakatawan sa higit sa 80 porsyento ng pandaigdigang demand para sa Lithium-ion batteries. 

Ang pagsuporta sa pambihirang paglago na ito ay mangangailangan ng pag-scale up ng produksyon ng mga baterya. At ang pag-scale up na ito ay maaaring suportahan lamang ng inobasyon. Ang magandang balita ay ang mga mananaliksik sa buong mundo ay aktibo rito. Patuloy silang nagsusuri ng mga bagong materyales, disenyo, konfigurasyon, at kimika. 

Gayunpaman, mahalaga ring patuloy na suriin kung ang mga pagsasaliksik na ito ay nag-ooptimize ng mga magagamit na mapagkukunan. Sa ganitong pagsusuri, natuklasan ng mga mananaliksik na ang tekstura ng mga metal ay isang bagay na historically na napabayaan. 

Habang ipinaliwanag ang eksaktong kalikasan ng pagkakabale-wala nito, ang UChicago PME Prof. Shirley Meng, ang Liew Family Professor sa Molecular Engineering, ay nagsabi:

“May puwang sa pag-unawa sa orientasyon ng butil, na kilala rin bilang tekstura, kung paano nakakaapekto ang ganitong salik sa pagganap ng rechargeable metal battery.”

Ang solusyon ay nagmula sa Laboratory for Energy Storage and Conversion ni Meng at ang kanilang industry partner, Thermo Fisher Scientific (TMO ). Mas partikular, ito ay nagmula sa isang papel na isinulat nina Meng at ng kanyang mga kapwa mananaliksik. Ang papel ay pinamagatang ‘Grain Selection Growth of Soft Metal in Electrochemical Processes.‘

Pag-eeksperimento Patungo sa Mas Mahusay na Tekstura para sa Mas Mahusay na mga Baterya

Sa terminong ‘tekstura,’ tinutukoy ng mga mananaliksik ang orientasyon ng butil na ay nakahanay sa isang partikular na direksyon sa halip na random na pamamahagi. Ang Plasma-focused ion beam-electron backscatter diffraction (PFIB-EBSD) ay tumutulong sa pagkarakterisa ng tekstura ng metal sa ilalim ng iba’t ibang kondisyon ng electrochemical plating at stripping. 

Sa pag-aaral¹, binigyang-diin ng mga mananaliksik ang kompetisyon ng surface energy at strain energy para sa pagbuo ng tekstura ng mga alkali metal. Lalo pang, sinubukan nilang maunawaan kung paano ang dominasyon ng atomic diffusion at surface energy ng mga alkali metal sa grain selection growth sa panahon ng electrochemical processes ang nagsisilbing susi sa pagpapaliwanag ng kinetic constraints ng solid-state batteries na gumagamit ng metal anodes, partikular sa room temperature. Ang panghuling layunin ng pananaliksik na ito at ng mga insight na nakuha ay makamit ang kanais-nais na mga tekstura sa pamamagitan ng interface engineering upang mapabuti ang plating/stripping efficiency sa mataas na current densities.

Isinagawa ng mga mananaliksik ang isang serye ng mga hakbang sa kanilang pagsisikap na maunawaan kung ano ang maaaring perpektong tekstura para sa mga metalikong baterya. Kinilala nila ang tekstura ng malambot na metal sa ilalim ng iba’t ibang kondisyon, bumuo ng isang thermodynamic theory at phase-field model para sa pagbuo ng tekstura, tinukoy ang mga kanais-nais na tekstura para sa pagpapabuti ng plating/stripping efficiency, at – sa huli – nagdisenyo ng isang interfacial layer para sa kanais-nais na paglago ng butil. 

Ano ang Naabot ng Pananaliksik?

Sa mga salita ng UChicago PME Research Assoc. Prof. Minghao Zhang, ang unang may-akda ng bagong pag-aaral, natuklasan ng mga mananaliksik na “ang pagdaragdag ng manipis na patong ng silicon sa pagitan ng lithium metal at ng current collector ay tumutulong sa paglikha ng nais na tekstura.”

Inihinuha ng mga mananaliksik na ang “pagbabago ay nagpaigting ng rate capability ng baterya ng halos sampung beses sa lahat-ng-solid-state batteries na gumagamit ng lithium metal.”

Ngunit ano ang nag-udyok sa mga mananaliksik na matuklasan kung ano ang tama at optimal? 

Sinimulan ng mga mananaliksik sa premise na ang ideal na tekstura para sa isang anode ng baterya ay yaong kung saan ang mga atom ay maaaring mabilis na gumalaw sa kahabaan ng surface plane dahil ang mas mabilis na galaw ay tumutulong sa mas mabilis na pag-charge at pag-discharge ng mga baterya. Upang baguhin ang paraan ng pag-texture, ang mahalaga ay ang mga pagkakaiba sa surface energy ng malambot na metal.

Ayon kay Propesor Minghao Zheng:

“Dahil ang mga baterya na may lithium o sodium metal ay umaasa sa mga teksturang ito para sa paborableng rate capability, nagtanong ang koponan kung ang pag-aayos ng tekstura ng malambot na mga metal ay maaaring magpataas ng power densities.”

Ang pagkamit ng layunin ay lubos na nakasalalay sa epektibong paggamit ng microscopic technology, na kinabibilangan ng milling sa loob ng plasma-focused ion beam-scanning electron microscope (PFIB-SEM) na may electron backscatter diffraction (EBSD) mapping. Ang mahusay na kombinasyon ng dalawang paraan ay makakatulong sa pag-aaral ng tekstura sa mga bagong paraan. 

Habang inilalahad ang kahalagahan ng microscope technology na ginamit sa pananaliksik, sinabi ng co-author ng pag-aaral na si Zhao Liu, Senior Market Development Manager ng Thermo Fisher Scientific:

“Ang kombinasyon ng PFIB-EBSD ay angkop para sa pag-aaral na ito, dahil ang PFIB ay epektibong naa-access ang area ng interes sa loob ng cell stack, na nagpo-produce ng mataas na kalidad na surface na may kaunting depekto, habang ang EBSD ay nagbibigay ng detalyadong impormasyon tungkol sa tekstura ng malambot na metal.”

Bukod sa kanilang industry partner, nakipagtulungan din ang mga mananaliksik sa LG Energy Solution’s Frontier Research Laboratory, na may layuning magtrabaho patungo sa komersyalisasyon ng teknolohiya. 

Ayon kay Jeong Beom Lee, Senior Researcher ng LG Energy Solution, makakatulong ang pananaliksik na ito sa pag-develop ng susunod na henerasyon ng mga baterya para sa mga electric vehicle at mga aplikasyon sa energy storage. 

Ano ang Plano ng mga Mananaliksik na Gawin Pa?

Sa hinaharap, may dalawang malinaw na layunin ang mga mananaliksik. Una, nais nilang pababain ang pressure na ginagamit sa testing mula 5 megapascals (MPa) hanggang 1 MPa, ang kasalukuyang industry standard para sa mga komersyal na baterya. Pangalawa, nais nilang suriin ang epekto ng tekstura sa sodium, na ayon sa mga natuklasan ni Meng, ay may potensyal na maging isang murang, madaling makuhang alternatibo sa lithium. 

Iba pang Pananaliksik sa mga Materyales ng Li-ion Battery

Habang ang kasalukuyang pananaliksik ay nagtatanghal ng isang breakthrough, hindi naman bihira ang mga katulad na pagsisikap. Isang review ng pananaliksik na ginawa sa mga ganitong baterya – inilathala sa Materials Today – ay nag-highlight na bagaman ang Li-ion batteries ay may malinaw na mga kalamangan bilang mataas na energy density, mataas na cycle life, at mataas na efficiency na baterya sa kasalukuyan, patuloy ang pananaliksik sa mga bagong electrode materials upang itulak ang mga hangganan ng gastos, energy density, power density, cycle life, at safety.

Habang sinusuri ng mga mananaliksik ang mga pangakong anode at cathode material options na magagamit, natuklasan nila na marami sa mga ito ay nagkakaroon ng mga problema tulad ng limitadong electrical conductivity, mabagal na Li transport, dissolution o iba pang hindi kanais-nais na interaksyon sa electrolyte, mababang thermal stability, mataas na volume expansion, at mekanikal na pagkabrittle. Ang mga magagamit na solusyon sa mga problemang ito ay kinabibilangan ng intercalation cathode na inilunsad sa merkado. Gayunpaman, ang bilis kung saan ang conversion material technology ay nakakamit ang komersyalisasyon ay mabagal. 

Sa usapin ng komersyalisasyon at pag-scale up, dapat na nating ilipat ang pansin sa mga kumpanyang maaaring makamit ang marami sa pamamagitan ng ganitong mataas na antas ng teknolohikal na pananaliksik. 

1. Samsung

Noong Agosto 2024, natapos ng Samsung SDI ng South Korea ang isang kasunduan sa General Motors (GM ) upang magtayo ng isang joint electric vehicle battery factory sa estado ng Indiana, USA. Sa pamamagitan ng kasunduang ito, nagpasya ang dalawang kumpanya na magtayo nang magkasama ng isang plantang gumagawa ng mga baterya na may taunang kapasidad na 27 gigawatt hours. 

Noong 2022, ang Samsung SDI Co., ang ika-anim na pinakamalaking gumagawa ng baterya sa mundo, at ang multinational automaker na nakabase sa Netherlands na Stellantis N.V (STLA ). ay pumili ng estado ng Indiana bilang lokasyon para sa isang joint electric vehicle battery plant sa US. 

Layunin ng tagagawa na mag-produce ng 23 gigawatt hours (GWh) ng prismatic battery cells at modules bawat taon, ayon sa plano para sa unang kalahati ng 2025 para sa mga pabrika ng Stellantis sa North America. 

Pagdating sa produksyon ng mga baterya, nag-aalok ang Samsung SDI ng iba’t ibang solusyon, kabilang ang Electric Vehicles, Energy Storage Systems, Micro Mobility, Power Devices, at IT Devices. 

Para sa mga EV at PHEV, gumagawa ang kumpanya ng mga baterya na may mataas na kapasidad, mataas na energy density, at mabilis na pag-charge na nangunguna sa mass production ng solid-state batteries. Para sa mga solusyon sa energy storage, nag-aalok ang Samsung SDI ng mga produktong baterya mula sa household solutions hanggang sa utility, commercial, at industrial solutions na integrated sa renewable energy sources hanggang sa uninterruptible power supply (UPS) solutions.

Sa Micro-Mobility, nagmamanupaktura ang Samsung SDI ng mga baterya para sa maliliit, magagaan na last-mile transportation tulad ng e-kickboards, e-bikes, at e-scooters. Sa segmentong ito, ginagamit ng kumpanya ang mataas na antas ng mga materyales at component technologies upang makagawa ng pinakamahusay na magagamit na mga baterya. 

Para sa e-bikes, nagmamanupaktura ang Samsung SDI ng mga baterya na may mataas na energy density at kaligtasan. Ang mga bateryang ito ay mas manipis at mas magaan. 

Para sa mga electric two-wheelers—tulad ng e-scooters at e-motorcycles—nagde-develop ang Samsung SDI ng mga cylindrical batteries. Ang mga ito ay binuo gamit ang mga materyales na may mataas na kapasidad, natatanging structural designs, at pare-parehong kalidad, na ginagawang ligtas at angkop para sa top performance, mahabang buhay ng baterya, at kaligtasan. 

Para sa power devices, may mga high-output, high-capacity na baterya ang Samsung SDI. Nagbibigay din ito ng optimum OPE battery solutions na may mataas na energy density, stable power output, at mahabang buhay ng baterya. Gumagawa rin ito ng mga baterya na may differentiated capacity at output. Sa huli, gumagawa rin ang Samsung SDI ng mga baterya na may mataas na functionality at mahabang buhay para sa mga IT devices, kabilang ang smartphones at wearables. 

Noong huling bahagi ng Enero 2025, inanunsyo ng Samsung ang mga resulta para sa ika-4 na quarter ng 2024 at buong taon na may KRW 16.59 trillion ($11.55 bilyon) na taunang kita at KRW 363.3 bilyong operating profit sa gitna ng pagbagal ng merkado. Sa ika-4 na quarter, umabot ang kita ng kumpanya sa KRW 3.75 trillion, na nagtakda ng record-high na kita sa ESS battery business.

2. LG Energy Solutions

Noong Disyembre 2024, nakipag-usap ang LG Energy Solutions sa India’s JSW Energy (JSWENERGY.BO ) upang gumawa ng mga baterya para sa mga electric vehicle at renewable energy storage sa isang joint venture na kakailanganin ng pamumuhunan na higit sa $1.5 bilyon. Ayon sa mga ulat na pampubliko, pumirma ang dalawang kumpanya ng paunang kasunduan upang bumuo ng pantay na partnership kung saan mag-aambag ang LGES ng teknolohiya at kagamitan para sa paggawa ng mga baterya, at mag-iinvest ang JSW ng pera, ayon sa isang source.

Sa pangkalahatan, kilala ang kumpanya para sa Energy Storage Solution (ESS) batteries at advanced automotive batteries. Ang ESS division ay nag-aalok ng high-energy at high-output na mga produkto para sa power grids at iba’t ibang household products. Ang mga bateryang ito ay ginagawa gamit ang first-rate battery cell technology na nakuha sa pamamagitan ng advanced process know-how ng lamination at stacking, isang proprietary technology ng LG.

Ang mga bateryang ito ay may uniform na energy output, mahabang buhay ng baterya, at stable na istruktura. Ang mga LG ESS batteries ay may pinabuting spatial efficiency dahil sa compact size. Sa pamamagitan ng pag-aapply ng high-capacity, ultra-slim polymer battery cells sa pag-develop ng grid at residential ESS, gumagawa ang kumpanya ng mga manipis na produkto na nagmamaksimisa ng paggamit ng espasyo at nangangailangan ng minimal na installation area. 

Ang LG Energy Solutions ay isa rin sa pinangunahan na provider ng cells, modules, BMS (Battery Management System), at pack products para sa mga baterya ng electric vehicle. Kabilang sa mga solusyon ang mga baterya na may mataas na energy density na magaan at mabilis mag-charge.

Ang iba’t ibang dimensyon ng mga bateryang ito ay nagsisiguro ng pag-maximize ng espasyo sa pamamagitan ng paglutas sa problema ng limitadong espasyo sa mga commercial vehicles. Ang pouch-type battery cells ay maaaring gawin sa iba’t ibang haba at lapad at nakakatulong sa pagpapahusay ng kapasidad ng baterya at pag-optimize. 

Sa huling linggo ng Enero 2025, inanunsyo ng LG Energy Solution ang kanilang ika-4 na quarter at buong-taong kinita. Para sa buong taon, iniulat ng kumpanya ang KRW 25.6 trillion na consolidated revenue at KRW 575.4 bilyong operating profit, isang pagbaba ng 24.1 porsyento at 73.4 porsyento taon-taon, ayon sa pagkakabanggit. Ang operating profit margin ay 2.2 porsyento, kasama ang epekto ng IRA tax credit.

Ang Hinaharap ng mga Baterya

Ang hinaharap ng teknolohiya ng baterya at pamamahala ng baterya ay magtutuon sa pagpapabuti sa maraming larangan. Hahanapin nito ang mas mataas na specific energy at energy density (mas maraming enerhiya na naka-imbak kada volume/weight), mas mahabang buhay, mas kaunting flammability, mas kaunting oras na kailangan para ganap na ma-charge ang baterya, at mababang levelized cost of energy (LOCE). 

Sinuri ng mga mananaliksik ang trajectory ng teknolohiya ng Li-ion batteries para sa panahon 2019-2030. Binanggit nila ang apat na uri ng posibleng teknolohikal na setup: conventional Li-ion, Gr-Si Anode o Hi-Ni Cathode, solid-state batteries, at lithium-sulfur/air. Ipinapakita ng mga numero na ang mga bagong teknolohiya ng baterya ay nakatakdang higitan ang conventional Li-ion sa susunod na dekada. 

Ang pag-usbong ng mga bagong teknolohiya ng baterya ay magrerebyu sa pagpili ng mga materyales ng cathode at anode. Halimbawa, ang baterya na gumagamit ng LFP cathode ay may mas mababang energy density kumpara sa gumagamit ng NMC. Mahalaga ang pagpili ng materyal ng cathode dahil malaki ang epekto nito sa specific energy sa antas ng buong selula.

Mahalaga rin ang pagpili ng materyal ng Anode. Ang materyal ng anode, karaniwang graphite, ay nagbibigay ng puwang para sa mga lithium ion na manatili kapag ang baterya ay na-charge. Ang dami ng lithium ion na naka-imbak ay direktang konektado sa kung gaano karaming electrical energy ang naka-imbak.

Nakikita ng mga mananaliksik ang unti-unting paglipat sa Cathode Technology, mula sa tipikal na 50% Ni patungo sa 80% at 90% para sa NMC at NCA batteries. Upang mag-perform ayon sa pangangailangan ng kapasidad na ibinibigay ng hi-Ni percentage cathodes, ang pagdagdag ng maliit na halaga ng Silicon oxides o purong Silicon sa graphite anodes ay lumalago sa kagustuhan ng mga tagagawa ng selula, ayon sa mga ulat. 

Ang limang bagong teknolohiya ng baterya na inaasahang magbabago sa hinaharap ay kinabibilangan ng NanoBolt lithium tungsten batteries, Zinc-manganese oxide batteries, Organosilicon electrolyte batteries, Gold nanowire gel electrolyte batteries, at TankTwo String Cell™ batteries. 

Ang NanoBolt lithium tungsten batteries, halimbawa, ay nagcha-charge nang mas mabilis at nag-iimbak ng mas maraming enerhiya. Ang Zinc-Manganese oxide batteries ay maaaring magtrabaho nang epektibo bilang alternatibo sa lithium-ion at lead-acid batteries, lalo na para sa malakihang energy storage upang suportahan ang mga pambansang grid ng kuryente. 

Ang mga propesor ng kimika ng University of Wisconsin-Madison na sina Robert Hamers at Robert West ay nakabuo ng organosilicon (OS) based liquid solvents na maaaring i-engineer sa antas ng molekular para sa industriyal, militar, at consumer Li-ion battery markets.

Habang nag-eeksperimento sa mga gel, na hindi kasing kombustible ng mga likido, sinubukan ng mga mananaliksik sa University of California, Irvine, na balutin ang gold nanowires ng manganese dioxide at pagkatapos ay takpan ito ng electrolyte gel.

Bagaman ang mga nanowire ay karaniwang masyadong delikado para magamit sa mga baterya, ang mga solusyong ito ay naging matibay, at natuklasan ng mga mananaliksik na ang resulting electrode ay nakapasa sa 200,000 cycles nang hindi nawawalan ng kakayahang mag-hold ng charge. Ito ay ikumpara sa 6,000 cycles sa isang conventional battery.

Ang String Cell™ battery ay naglalaman ng koleksyon ng maliliit na independent self-organizing cells. Bawat string cell ay binubuo ng isang plastic enclosure na may conductive material na nagpapahintulot na mabilis at madaling makipag-ugnayan sa iba. Isang internal processing unit ang kumokontrol sa mga koneksyon sa electrochemical cell.

Upang mapadali ang mabilis na pag-charge ng isang EV, ang maliliit na bola na nasa loob ng baterya ay sinipsip palabas at pinalitan ng mga na-recharge na selula sa service station. Sa istasyon, ang mga selula ay maaaring i-recharge sa off-peak na oras.

Sa lahat ng mga solusyong ito na nasa ating kamay, maraming breakthrough sa baterya ang naghihintay sa atin sa hinaharap.