Enerhiya
Patuloy ang Pagsusumikap sa Solid-State Batteries Habang Nakatuon ang mga Mananaliksik sa mga Mahahalagang Bagay
Idagdag ang Securities.io sa mga gusto mong mapagkunan sa Google
Ang solid-state batteries, na ginagamit sa mga smartphone, power tool, at EV, ay naiiba sa mga Li-ion battery sa kanilang paggamit ng mga electrolyte. Habang ang Li-ion battery ay gumagamit ng likidong electrolyte, ang solid-state battery ay gumagamit ng solidong electrolyte.
Sa kaso ng mga Li-ion battery, may separator na nagtatangi sa cathode at anode. Sa solid-state batteries, ang solidong electrolyte ay gumaganap din bilang separator.
Bagaman mga simpleng pagkakaiba lamang ito, binuo ng komunidad na pang-agham at teknolohikal ang solid-state batteries dahil sa kanilang pinahusay na katatagan sa solidong estruktura at mas mataas na kaligtasan. Patuloy silang nag-aaral nito dahil ang mga bateryang ito ay nananatiling buo kahit nasira ang electrolyte.
Ang solid-state battery ay may mas mataas na energy density at halos walang panganib ng pagsabog o sunog. Dahil hindi nito kailangan ng mga safety component, mas maraming espasyo ang magagamit para sa mga aktibong materyales, na nagpapataas ng kapasidad ng baterya. Ang pinahusay na energy density ay nagsisiguro rin na mababa ang pangangailangan para sa mga baterya, na nagreresulta sa optimal na sistema ng baterya para sa EV module at pack.
Para sa mga benepisyong ito, pangunahing naniniwala ang mga eksperto sa merkado na ang solid-state batteries ay magiging game changer sa paggawa ng mga EV na makakakumpitensya sa mga ICEV at, sa huli, mauuna sa karera. Ngunit hindi ito humahadlang sa mga mananaliksik na tuklasin kung paano pa mapapakinabangan ang solid-state batteries. Sa isang ganitong pananaliksik, ipinahayag ng mga siyentipiko ang kaso ng isang high energy density ultra-thin Li metal solid-state battery na pinapagana ng isang Li2CO3-proof na garnet-type solid electrolyte.
Bagaman maaaring tunog teknikal ang lahat ng ito, sa susunod na bahagi, sisilipin natin nang mas malalim kung ano ang layunin ng pananaliksik!
Pagpapagana ng Ultra-Manipis na Lithium Metal Solid-State Battery Platform na may Mataas na Katatagan at Energy Density
Si Propesor Byoungwoo Kang at Dr. Abin Kim mula sa Department of Materials Science and Engineering sa POSTECH ay nakabuo ng solid electrolyte na nagpapagana ng ultra-manipis na lithium metal solid-state battery platform na may mataas na katatagan at energy density.
Ang breakthrough ay nagdala ng mga resulta sa pamamagitan ng paglutas ng isa sa mga pinakakaraniwang alalahanin na kinahaharap ng solid-state batteries. Ano nga ba ang problemang iyon, at paano ito malulutas? Tingnan natin nang mas malalim ito sa ibaba!
Ang Alalahanin sa LLZO
Ang gamet-type na solid electrolyte na ginagamit sa solid-state batteries, na kilala rin bilang Li7La3Zr2O12 o LLZO, ay may mataas na ionic conductivity. Kasabay nito, ito ay lubhang reaktibo at bumubuo ng kontaminasyon na layer (Li2CO3) sa ibabaw nito kapag na-expose sa hangin. Ang layer na ito ay nagdudulot ng ilang kahinaan o hadlang, kabilang ang pagbuo ng resistive barrier sa konstruksyon ng selula, pagbaba ng contact at interfacial properties ng mga electrolyte at reactants, atbp.
Ang inobasyon ay hinarap ang hadlang na ito at binago ito sa pamamagitan ng pagtutok sa likas na mahahalagang aspeto sa halip na maghanap ng panlabas na lunas. Nakabuo ang mga mananaliksik ng air-handleable LLZO (AH-LLZO) technology na sabay na nagpapahusay sa surface at internal properties ng LLZO at pumipigil sa pagbuo ng mga contaminant layer.
Naabot nila ang kanilang layunin sa pamamagitan ng pag-develop ng bagong hydrophobic compound (Li-Al-O) sa parehong surface at loob ng materyal. Ang compound na ito ay pumipigil sa kontaminasyon na kumalat sa loob sa pamamagitan ng pagpapareact ng layer lamang sa moisture ng hangin.
Ang layer bilang solusyon na may pinahusay na contact at wettability properties ay nagbunga rin ng pag-develop ng ultra-manipis na lithium solid-state batteries, na halos isang-sampung bahagi ng kapal ng buhok ng tao.
I-click dito para sa listahan ng sampung pinakamahusay na battery stocks na maaaring pag-investan.
Bakit Itinuturing na Breakthrough ang Pananaliksik?
Ang mga resulta ay nagdala sa isang senaryo kung saan posible nang maghanda ng ultra-manipis na lithium metal layers, na nagreresulta sa napakababang capacity ratio ng anode sa cathode, mga 0.176 sa solid-state batteries.
Pinapayagan din ng eksperimento ang malaking pagbawas sa dami ng lithium metal na ginagamit, na nagbabawas ng kabuuang bigat at volume ng baterya at lubos na nagpapabuti ng energy density.
Kung maisasakatuparan, ang pananaliksik at mga natuklasan nito ay magpapahintulot ng imbakan sa hangin nang hindi kailangan ng espesyal na paghawak o pasilidad. Bukod sa pagpapasimple ng buong proseso, nagdudulot ang inobasyon ng produksyon ng garnet-type solid electrolytes na may mas praktikal na gamit.
“Patuloy naming pagtatrabahuan ang ultra-manipis na lithium metal solid-state batteries na maaaring makamit ang mataas na kaligtasan at mataas na energy density.”
Ipinapakita ng pananaliksik na ang pagtutok sa mga mahahalaga ay makakatulong na gawing lakas ang mga kahinaan ng isang produkto. Ang mga negosyo at komersyal na entidad ay nag-iinvest sa pananaliksik at mga mapagkukunan upang gawing mas angkop at kapaki-pakinabang ang solid-state batteries para sa mga susunod na sasakyan. Sa mga susunod na bahagi, titingnan natin ang mga kumpanyang ito at ang kanilang mga inobasyon.
#1. Solid Power
Isang kumpanya na gumagawa ng kahanga-hangang trabaho sa larangang ito ay ang Solid Power (SLDP ). Ang kanilang all-solid-state batteries ay nag-aalok ng mataas na enerhiya, pinahusay na kaligtasan, mas mahabang buhay, at malaking benepisyo sa gastos.
Pinapayagan nito ang paggamit ng mas mataas na kapasidad na electrodes tulad ng high-content silicon at lithium metal habang pinapahusay ang mga pamantayan ng kaligtasan sa pamamagitan ng pagtanggal ng reaktibo at volatile na liquid at gel components.
Makikita ang resulta sa mga baterya na kayang tiisin at mag-perform nang mahusay sa napakainit na temperatura. Inaangkin ng kumpanya na ang kanilang mga produkto ay may 15-35% na kalamangan sa gastos kumpara sa Li-ion packs.
Kasama sa portfolio ng all-solid-state battery ng Solid Power ang tatlong pangunahing produkto: silicon EV Cells, Lithium Metal cells, at Conversion Reaction Cells.
Silicon EV Cell
Mayroon itong high-content silicon anode, na nagreresulta sa mataas na charge rates at mas mababang temperature capabilities. Ang proprietary sulfide-based solid electrolytes ng Solid Power ang nagbibigay ng kapangyarihan sa solusyon. Gumagamit ito ng industry-standard, commercially mature na NMC Cathodes.
Lithium Metal
Ang produkto ay nagmula sa pangalan nito dahil sa high-energy Lithium metal anodes. Mayroon itong bahagyang mas mataas na kapasidad kaysa sa Silicon EV cell, na may espesipikasyon na 390 Wh/kg, samantalang ang Lithium metal cell ay may 440 Wh/kg.
Conversion Reaction Cell
Sa lahat ng produkto sa portfolio ng Solid Power, ito ang may pinakamataas na performance capacity na 560 Wh/kg. Ang kakaiba nito ay ang ultra-low-cost at high-specific energy conversion-type cathode.
Base sa Colorado, United States, matibay ang paniniwala ng Solid Power sa kakayahang mag-transform ng kanilang mga baterya. Naniniwala ito na ang kanilang all-solid-state battery cells ay matutugunan ang volume at cost requirements ng mga OEM.
SLDP Tsart ng Presyo
Sa pinakabagong available na investment deck, ang kumpanya (Nasdaq: SLDP) ay nag-aangkin na sila lamang ang publicly traded pure-play true solid-state battery developer na nakalikom ng US$700 milyon hanggang ngayon. Ang kumpanya ay umuunlad dahil sa higit isang dekadang kasaysayan ng pamumuhunan sa R&D, na nagbunga ng halos 50 global patent families at tatlong industry-leading development partners (BMW, Ford, SK On).
#2. QuantumScape
Ang QuantumScape (QS ), isa pang pangunahing manlalaro sa larangan, ay nagdeklara na nasa misyon silang ‘baguhin ang energy storage gamit ang solid-state lithium-metal battery technology.’ Inaangkin din nila na pinapagana nila ang ‘mas mataas na energy density, mas mabilis na pag-charge, at pinahusay na kaligtasan’ – ang tatlong mahahalagang batayang katangian na tinututukan din ng pananaliksik ng POSTECH.
Isa sa mga pinaka-kapansin-pansing tampok ng QuantumScape ay ang pag-develop nila ng unang anode-less cell design sa industriya, na nagreresulta sa mataas na energy density na may mababang gastos sa materyales at pinasimpleng manufacturing.
Gumagamit ang Quantumscape technology platform ng iba’t ibang cathode chemistries upang lubos na mapabuti ang energy densities ng mga kasalukuyang Nickel Manganese Cobalt (NMC) at Lithium Iron Phosphate (LFP)-based na baterya. Ang kanilang pagsisikap ay nagsisiguro ng optimization para sa iba’t ibang aplikasyon ng energy storage at pinananatiling handa ang larangan na samantalahin ang mga susunod na pag-unlad sa cathode chemistry.
Isa pang USP ng kumpanya ay ang separator material nito, na gawa sa ceramic na nag-aalok ng mataas na conductivity, katatagan sa lithium metal, resistensya sa pagbuo ng dendrite, at mababang interfacial impedance. Ang isa pang benepisyo ng paggamit ng ceramic ay ang pinahusay na kaligtasan dahil ito ay hindi nasusunog at – samakatuwid – mas ligtas kaysa sa tradisyonal na polymer separators na binubuo ng hydrocarbons at mas madaling masunog.
Ang QuantumScape ay nagtatrabaho na maabot ang target na 800–1,000 Wh/L sa kanilang solid-state lithium-metal cells.
SLDP Tsart ng Presyo
Sa pananalapi, ang QuantumScape (NYSE: QS) ay sinusuportahan ng higit sa US$2 bilyong kapital na pamumuhunan. Mayroon itong higit sa 300 patents at patent applications.
Ang Hinaharap ng Solid-State Batteries
Ang solid-state batteries ay hindi na teknolohiya ng hinaharap dahil ang hinaharap ay narito na. Maraming cutting-edge na pananaliksik mula sa mga best-in-class na institusyon ang nagpapaunlad ng layunin nito araw-araw.
Halimbawa, noong Enero 2024, mga mananaliksik mula sa Harvard School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) ay nagpakita ng solid-state battery na may lithium metal na kayang maghatid ng 6,000 charge/discharge cycles — na mas malaki kaysa sa anumang ibang pouch battery cell sa merkado.
Ang pananaliksik ay katulad ng nabanggit natin sa simula ng artikulo, dahil ang mga Harvard researcher ay humarap din sa kilalang problema ng pagbuo ng dendrites sa ibabaw ng anode.
Bukod sa mga espesyal na negosyo na tinalakay natin, kabilang ang Solid Power at QuantumScape, may mga malalaking kumpanya rin na kasali sa larangang ito. Halimbawa, noong Oktubre 2023, inanunsyo ng Toyota at Idemitsu Kosan ang isang partnership upang mag-develop ng solid-state batteries para sa mga EV.
Ang bisyon na nagpasimula ng kolaborasyong ito ay ambisyoso, upang sabihin ang totoo. Ito ay sinabi sa press release:
Sa pamamagitan ng kolaborasyong ito, ang dalawang kumpanya, na nangunguna sa mundo sa mga larangan kabilang ang material development na may kaugnayan sa all-solid-state batteries, ay naglalayong matiyak ang matagumpay na komersyalisasyon ng all-solid-state batteries sa 2027-28—tulad ng inanunsyo sa Toyota Technical Workshop noong Hunyo 2023—kasunod ang full-scale mass production.
Isa pang kumpanya na nagpasya na gumawa ng malaking hakbang sa larangang ito ay ang Honda. Ang kumpanya ay aktibo sa espasyong ito nang matagal na. Noong Enero 2024, sinabi ng mga awtoridad ng Honda na nagtatarget sila ng 50% na pagbawas sa timbang—o, sa ibang salita, 50% na pagtaas sa energy density batay sa timbang.
Ipinaliwanag ng Honda CEO na si Toshihiro Mibe na kung nais ng Honda na lumikha ng kotse na nagkakahalaga ng $30,000, maaari nilang isaalang-alang ang solid-state batteries dahil bababa ang gastos sa baterya, tataas ang saklaw, at maaaring pasimplehin ang cooling system.
Gayunpaman, ang mga pandaigdigang pagsisikap na gawing mas matibay at ligtas ang solid-state batteries ay patuloy na humaharap sa ilang hamon. Ang layunin ay i-optimize ang mga pangunahing katangian nito, kabilang ang kaligtasan, katatagan, performance ng enerhiya, at electrochemical storage efficiency. Ang mga hadlang naman ay kinabibilangan ng pangmatagalang performance viability, economic viability, at tumpak na paghahatid ng mga tiyak na pamantayan ng kapangyarihan.
Kung susuriin natin nang mas malalim, makikita natin na ang mga hamon ay kinabibilangan din ng hindi sapat na cycling performance sa kasalukuyang solid-state batteries (SSBs) dahil sa pagkasira ng materyales sa anodes, cathodes, at electrolytes. Ang United States Council for Automotive Research ay nagtakda ng target na 10-taong buhay ng baterya na may 1000 cycles sa 80% depth of discharge.
Ang humahadlang sa solid-state batteries na madalas maabot ang target na ito ay ang pagbuo ng space-charge layers, na nagdudulot ng mabagal na interfacial kinetics at mataas na impedance, at ang paglago ng dendrites, na nagdudulot ng short circuits at panganib sa kaligtasan.
Gayunpaman, may mga solusyon sa mga hamong ito. Kailangang magpokus ang mga tagagawa sa paggawa ng high-energy-density SSBs at mga pagpapabuti. Sa huli, ang mga produktong ito ay may mataas na thermal stability, na nag-aalis ng mga alalahanin sa kaligtasan kahit sa temperatura na lampas sa 200 °C, samantalang ang liquid electrolytes ay maaaring magdulot ng panganib sa bahagyang higit sa 70 °C. Ang solid-state electrolytes ay maaaring magbigay ng leak-free operation at maghatid ng mas mataas na electrochemical stability kaysa sa kanilang liquid counterparts.
Ang solid-state electrolytes ay mas kanais-nais din dahil maaari nilang bawasan ang capacity fading at internal short circuits. Ang kanilang mataas na ionic conductivity at mababang electronic conductivity ay nagsisiguro rin na mas mabilis ang pag-charge ng mga sasakyan.
Ayon sa mga estima ng QuantumScape, ang isang sasakyan na nakakakuha ng humigit-kumulang 350 milya ng saklaw sa isang charge gamit ang isa sa mga nangungunang tradisyonal na lithium-ion cells ngayon na may energy density na ~700 Wh/L ay maaaring makakuha ng pagitan ng 400 at 500 milya ng saklaw gamit ang mga solid-state cells ng QuantumScape.
Sa pangkalahatan, ang solid-state batteries ay mahalaga para sa hinaharap na mobilidad. Dapat itong maging epektibo, ligtas, cost-effective, at matagal.
