Batteriforskning

Bindemiddel av alger kan øke rekkevidden på elbiler 

Norske forskere jobber for et nytt industrieventyr.

Norske forskere skal undersøke om norsk stortare kan gi et bindemiddel som gjør det mulig å lage litiumionbatterier med høyere kapasitet
Norske forskere skal undersøke om norsk stortare kan gi et bindemiddel som gjør det mulig å lage litiumionbatterier med høyere kapasitet (Bilde: Thor Haakon Ulstad/FMC/Odd Richard Valmot/montasje)

Norske forskere jobber for et nytt industrieventyr.

Hei, dette er en Ekstra-sak som noen har delt med deg.
Lyst til å lese mer? Få fri tilgang for kun 235,- i måneden.
Bli Ekstra-abonnent »

Silisium peker seg ut som det neste steget mot litiumionbatterier med større kapasitet. Men silisium er et kranglete stoff når det brukes i batterier. 

Silisiumet i anoden sprekker opp når batteriet brukes, og gir kort levetid. En av de mulige løsningene på problemet kan vokse langs norskekysten.

Nå jobber norske forskere med et prosjekt som skal finne ut om alginat fra stortare kan gi batterier med høy kapasitet.

To til tre ganger så høy kapasitet

Prosjektet samler store deler av det norske forskningsmiljøet rundt batteriteknologi.

NTNU, IFE, Sintef, FMC og Elkem samarbeider om forskning på batterier med silisiumanoder.

Prosjektet, kalt SiBEC, er ledet av NTNU, og håpet er å at man til slutt sitter igjen med teknologi som gjør det mulig å konstruere en litiumion-fullcelle med en kapasitet på 800 milliamperetimer per gram silisium over 1000 ladesykluser.

I dag brukes primært grafitt som anodemateriale, som har en teoretisk kapasitet på cirka 370 milliamperetimer per gram. I praksis er dette tallet en god del lavere, og batteriene som er planlagt laget i SiBEC-prosjektet vil ha en to til tre ganger kapasiteten til dagens teknologi.

Et hårete mål

Fride Vullum-Bruer, førsteamanuensis ved Institutt for materialteknologi ved NTNU, sier at dette er et «ganske hårete mål», men de har et lite håp om å få det til.

Og selv om de skulle klare dette, er 1000 ladesykler altfor lite for et elbilbatteri. Noen norskledet elbilbatterirevolusjon garanteres altså ikke.

Fride Vullum-Bruer, førsteamanuensis ved Institutt for materialteknologi ved NTNU. Foto: Marius Valle

Men om de klarer å oppnå målet, er imidlertid potensialet at man sitter igjen med kompetanse som kan dytte batteriutviklingen i riktig retning.

Veien frem mot målet består av utvikling av anoder med større andel silisium enn i dag. Anodene i dag består i hovedsak av grafitt.

Nøkkelen til høyere batterikapasitet er mer litium. Jo mer litium som kan flyttes mellom anode og katode, jo mer energi kan du ta ut av batteriet. 

Silisium kan gi ti ganger kapasitet – i teorien

Silisium har en struktur som gjør at samme mengde materiale kan lagre mer litium, og potensialet er dermed at en fulladet anode har en større andel litium som kan vandre til katoden under utlading. Teoretisk sett kan kapasiteten økes ti ganger med silisium.

Men det er ikke så enkelt som å lage et batteri med slilisiumanode. For det første må katoden være i balanse.

Utladingsmekanismen i oppladbare litiumionebatterier. . Foto: Lina Merit Jacobsen

Utfordringen er at katodematerialene som brukes ikke har like stor kapasitet som anodematerialet. Kort sagt kan ikke katoden lagre like mange litiumioner per gram materiale som anoden.

Den andre store utfordringen er at silisium ekspanderer når det tar opp litium, og krymper når det gir fra seg litium.

Silisium tar opp fire litiumioner. Når dette skjer, ekspanderer silisiumet. Det skaper utfordringer med at silisiumet sprekker opp, endrer form og flytter på seg.

Bindemiddelet kan være nøkkelen

Da trengs et bindemiddel som enten holder det hele på plass uansett, eller som er fleksibelt slik at silisiumet kan ekspandere og trekke seg sammen uten at silisiumet pulveriseres eller flytter på seg.

Altså er det ikke rett frem å lage slike batterier. Det norske SiBEC-prosjektet skal imidlertid forsøke å finne frem til gode løsninger.

Her kommer alginat inn i bildet. Prosjektet skal avdekke hvorvidt norskprodusert alginat kan benyttes i anodene.

Anodene i batteriene er ikke rene klumper med materiale, men små partikler som holdes sammen med et bindemiddel.

Anoden består ikke av rent materiale, men en slurry av grafitt, carbon black (sot), og bindemiddel. Håper er å blande inn en større andel silisium i denne slurryen.

I en silisiumanode må bindemiddelet både tillate at silisium endrer størrelse med ladetilstand, men også sørge for at den ikke vandrer, eller kommer i kontakt med andre silisiumpartikler.

Fra tareskoger til elbilbatterier

FMC fabrikk i Vormedal på Karmøy.  Foto: FMC

Alginat produsert ved FMCs fabrikk på Karmøy, er fremstilt fra brunalgen stortare høstet inn langs kysten fra Vestlandet til Nordland.

Stortare høstes av en skipsflåte på 10 båter som napper stortare fra havbunnen på to til 20 meter. Trikset er å få opp hele taren, som klamrer seg fast til steinbunn. 

Det sørger for at høstingen skal være bærekraftig, da ny stortare kan feste seg, og vokser opp på noen få år. 

Den innhøstede taren vaskes, så skilles blad og stilk i en prosess ved fabrikken. Stilken kappes opp i mindre biter, og syrevaskes slik at blant annet kalsium fjernes. Natrium tilsettes, og råstoffet står i silo i opptil tolv timer før det foredles videre.

FMC har en flåte på sju egne skip, og tre innleide, som høster stortare ved kysten fra Rogaland til Nordland.  Foto: Thor Haakon Ulstad

Totalt sett tar prosessen et døgn fra råvare tilsettes til ferdig produkt kommer ut. Det er til sammen 18 prosessledd i fremstillingen, og man sitter igjen med et pulver.

Deretter tilsettes ulike tilsetningsstoffer, avhengig av hvilke egenskaper man ønsker at alginatet skal ha.

Stort spenn

Trond Helgerud, administerende direktør FMC Biopolymer. Foto: Marius Valle

At det er norsk alginat som skal brukes er ikke tilfeldig.

– Dette er alginatfabrikken i verden som produserer alginat med størst spenn av egenskaper. Vi er sammen med Sintef den konstellasjonen i verden i dette prosjektet som virkelig kan lage alginat med alle mulige egenskaper for dette prosjektet og uttesting i batterier, sier Trond Helgerud, administrerende direktør i FMC BioPolymer. 

Dermed kan ulike alginater testes ut for å se hvor godt det egner seg. Finner man et egnet produkt, kan det ha stor betydning for hvor miljøvennlig batterier kan fremstilles.

I dag brukes vanligvis såkalte NMP-bindemidler (PDF) under produksjon av anoder. Dette tilsettes som løsemiddel når anodematerialet legges på kobberplater som en slurry. Når slurryen tørker avdampes løsemiddelet, og i enkelte tilfeller, særlig i Kina, er det utilstrekkelig ventilasjon, og gassene slippes ut i friluft.

Mer miljøvennlig produksjon

Alignatet er imidlertid vannløselig, noe som gjør at det enkelt sagt bare er vanndamp som slippes ut. Vannløselige bindemidler etterspørres av batteriindustrien.

Det er imidlertid ikke gitt at prosjektet vil resultere i et alginatbasert bindemiddel.

Prosessering av alginat ved FMCs fabrikk på Karmøy. Foto: Marius Valle

– Vi vet strengt tatt ikke enda om alginat fra stortare egner seg spesielt godt til dette. Det er noe av det vi skal finne ut i dette prosjektet: er det noen typer alginat som er mer eller mindre egnet til formålet. Det er det ikke forsket mye på fra før, sier Helgerud.

Et alternativ er CMC-baserte bindemidler, som er et celluloseprodukt med grovt sett de samme egenskapene.

Bindemiddelet spiller inn på mer enn bare selve anoden. Også hvor mye energi som må tilføres for å fordampe vannet under produksjonen er en viktig del av det. Jo lenger tid det tar, jo mer energi må brukes, og jo lenger må produksjonslinjen være.

Mange bekker små

Fra innhøsting av stortare på FMCs skip.  Foto: Thor Haakon Ulstad

Å skifte bindemiddel til noe mer miljøvennlig er høres kanskje ikke så viktig ut i seg selv, men mange små forbedringer kan i sum gi en veldig stor forbedring, forklarer Martin Kirkengen, avdelingsleder energisystemer ved IFE.

– Norge er et lite land i verden, så vi trenger ikke ta ansvar for alle forbedringene, men vi bør ta noen av dem. Dette er en global verdikjede som vi prøver å ta del i, sier Kirkengen.

Et annet aspekt er at forbedringene må kunne tas i bruk i eksisterende produksjonskjeder. Om en batterifabrikk må bygges helt om for å ta i bruk et nytt bindemiddel, blir veien til markedet svært lang.

Nye batterifabrikker åpner for større forbedringer

Kirkengen sier imidlertid at vi nå er i en litt unik situasjon i årene som kommer. Mange nye batterifabrikker skal bygges, og her ligger det en mulighet for å få inn nye elementer i produksjonslinjen.

Martin Kirkengen, avdelingsleder energisystemer ved IFE. Foto: Marius Valle

– Nå kommer det til å skulle bygges så mye nytt at det er mulig å se for seg litt større endringer fra normalen, sier han.

– Samtidig er det fine både med alginatbindemidler og silisiumpartikler at de ikke fundamentalt endrer på hvordan man lager et batteri. Det er fortsatt partikler som mikses med et bindemiddel, for å forme en elektrode som man ruller opp og dytter inn i en sylinder eller flatpakker i en pose. Så 90 prosent av fabrikken er fortsatt det samme, sier han.

Det gir mindre risiko for at resultatene av forskningen blir liggende i en skuff og støve ned. Det er ifølge Kirkengen helt sikkert at silisium kommer til å bli brukt i økende grad, og det er et press i industrien om å gå til vannløselige bindemidler.

Elbiler gir muligheter

Eksisterende batteriaktivitet i Norge kan også bidra til å trekke prosjektet i riktig retning.

– PBES holder på å starte opp produksjon av store batteripakker i Trondheim. I tillegg skal Siemenes lage batterier i Trondheim. Så vi får to store aktører som skal lage og bygge batterier, og håper at det kan gi oss en liten boost, sier Vullum-Bruer ved NTNU.

Alginat fremstilles av innhøstet stortare, og vil i et forskningsprosjekt brukes som bindemiddel i anoder. Foto: Marius Valle

Hun trekker også frem at restriksjoner på transport av litiumionbatterier vil gjøre at det presser seg frem produksjonsenheter for store litiumionbatterier i Europa.

Og jo flere elbiler som selges, jo større blir behovet. I motsetning til batterier til bærbar elektronikk, er det behov for store volum av råmaterialer i elbilbatterier.

Her ligger det vesentlige muligheter for norsk industri. Kirkengen tror ikke det vil komme noen norsk «gigafactory» med det første, men vi kan bygge opp en batterialginatfabrikk og en batterisilisiumfabrikk.

Kan gi norsk batteriindustri

Bindemiddelet utgjør en til to prosent av vekten av et batteri. Med tanke på hvor mange tonn litiumionbatterier som produseres i verden hvert år, ligger det et stort potensiale for en aktør som FMC.

Også for Elkem, som produserer silisiumproduktet Silgrain e-Si. Om prosjektet viser at Silgrain er særlig godt egnet som anodemateriale, kan det gå mange tonn silisium ut fra Elkems fabrikk i Bremanger.

– Anoden er omtrent ti prosent av hele batteriet i vekt, sier Jorunn Voje, seniorprosjektleder FoU Elkem.

Silisium-pulveret Silgrain, som produseres av Elkem. Foto: Elkem

Hun forklarer at Elkem har hatt samarbeid med norske og internasjonale miljøer i flere år, og har gjort mange forsøk med produktet i samarbeid med batteriprodusenter. Stadig flere, uten at hun ønsker å si hvem disse er.

Noen batteriprodusenter bruker silisium i anodene i dag, men dette dreier seg stort sett om små mengder silisiumoksid. 

– Vårt ønske med prosjektet er å se hva som skjer i grenseflatene mellom silisium og bindemiddelet, hva som skjer i grenseflaten mellom silisium og elektrolytten, og hva skjer med silisium og ulike typer katoder, sier Voje.

– Silisium har høy spesifikk lagringskapasitet, men katodematerialet har mye lavere lagringskapasitet. Da må du til med nye katodematerialer, så den største utviklingen må skje på katodesiden, sier Voje.

Undersøker katoder

NTNU skal jobbe blant annet med å finne frem til katoder som egner seg til formålet.

– Der er det veldig mye å hente. Katodene som brukes i dag har en kapasitetsbegrensning på rundt 150 og 200 milliamperetimer per gram. Skal du putte alt i et batteri må du balansere vekten på anode og katode. Hvis ikke ender du opp med mye dødmateriale på den ene eller andre siden, sier Vullum-Bruer ved NTNU.

Utfordringen er at koden blir så tjukk at cellen i praksis ikke er mulig å lage. Så selv om du klarer å lage en silisiumanode som kan sykles med 1500 milliamperetimer per gram, så hjelper det deg ikke så lenge du ikke har en egnet katode.

Katodene består hovedsakelig av overgangsmetaller og fosfater eller oksider, i tillegg til litium, men mange forskere ser på andre materialer som har plass til flere litiumioner per gram. 

Dette er imidlertid ikke en del av SiBEC-prosjektet.

– Vi ser ikke på nye katodematerialer, kun kjente sammensetninger av kjente materialer. Målet er ikke å utvikle nye katodematerialer, men å finne hvilke kjente materialer som fungerer best med våre anoder. Så kan vi gjøre noen modifiseringer innen det, sier Vullum-Bruer.

Hun forteller at de også ser på hvor raskt batteriet kan lades. Her er det særlig katoden som er begrensende, ettersom litiumioner går en del trengere inn og ut av katoden.

Internasjonalt spleiselag

Bildet viser batteriet til Opel Ampera-E, som har en energikapasitet på 60 kWh. Pakka består av 288 celler fordelt på 5x2 moduler og veier cirka 430 kg. Foto: Santa Fabio

Kirkengen ved IFE forklarer at et av målene med prosjektet er å bidra til at batteriene blir bedre over hele verden, både gjennom lisensiering av patenter og via publikasjoner som gir forbedrede forskningsmetoder.

– Dette er en del av det internasjonale spleiselaget. Vi skal ikke være altfor opptatt av at det er vi som skal høste gevinsten hver gang. Noen ganger høster vi gevinstene av noe som har vært gjort i et annet land, og noen ganger høster andre land gevinstene av det vi gjør, sier Kirkengen.

Ting de gjør i dette prosjektet kan tas i bruk i andre prosjekter IFE er involvert i, slik at gevinsten kanskje kan høstes andre steder, forklarer han.

– Et prosjekt som dette klarer ikke å skape den kritiske massen du trenger for å skjønne et så komplisert problem. Når vi får alle disse prosjektene som gir oss ulike briller på omtrent den samme problemstillingen, så blir den samlede læringen ganske stor, sier Kirkengen.

Svart magi

– Forstår vi lite av hvordan batteriene fungerer i dag?

– Deler av batteriverdenen er svart magi. Det er veldig vanskelige systemer å studere. Du har lengdeskalaer fra ångstrøm til centimeter som er aktive samtidig, tidsskalaer fra elektrontunnelering til degraderingsfenomener som går over tiår. Alt det spennende skjer i nanometerflater inni et batteri med masse møkkete, grisete kjemi, sier Kirkengen.

Han forklarer at mesteparten av det de ser på inneholder karbon i en eller annen form, og å se forskjellen på de ulike karbonene er krevende. 

– Mange av metodene vi har for å se inn i batterier har vi ikke romoppløsning til at man klarer å se nøyaktig hva som skjer. Det er kjempevanskelig, sier Kirkengen.

En endring i et parameter kan påvirke alle de andre parametrene, noe som gjør at det kan være vanskelig å finne den riktige forklaringen på hvorfor noe skjer.

– Det er et kjempekrevende felt å forske på, sier Kirkengen.

Norge kan ta posisjon innen silisium

Litiumionceller i 18650-utforming.
Litiumion-celler. Foto: Odd Richard Valmot

Vanskelige systemer til tross: Kirkengen tror Norge har muligheten til å ta en betydelig posisjon innen silisium i batterier på verdensmarkedet. Men det vil kreve en innsats, og vi må ville det like mye som kineserne, som han mener er svært gode på batteriteknologi og har en kontinuitet i utviklingen. På toppen er de billige.

At aktører som FMC, Dynatec og Elkem, og Forskningsrådet gjennom sine utlysninger, satser på batterimarkedet, er gode tegn.

I tillegg har IFE, Sintef, NTNU og Universitetet i Oslo bygget opp kompetanse på feltet.

– Vi har ikke samlet hele landslaget i dette prosjektet, men det er store deler av det. Så selv om vi ikke er store på verdensbasis, så er vi ganske spisse. Da kan vi likevel gjøre noe vettugt, sier Kirkengen.

Han mener at de ulike aktørene må få opprettholde sine roller. Skal de derimot konkurrere om å ta hverandres roller, er Norge for lite, mener han.

– Batteriene kommer

– Norge har noen markeder hvor vi kan ha konkurranse mellom instituttene, og det er sunt. Men dette er et marked som fortsatt er så lite og skjørt at vi fortsatt er avhengige av å samarbeide. For å samarbeide godt er en viss grad av rolledeling veldig nyttig, sier han.

Potensialet for det norske SiBEC-prosjektet er mange tonn CO2 spart. Men han sier man må vekte det mot om det er sannsynlig at det er de som kommer med det store gjennombruddet.

– Jeg tenker at det er viktig å huske på at disse litiumionbatteriene kommer. Alt vi kan gjøre for at de skal komme litt billigere og fortere vil kutte utslipp. Det er ikke så stor forbedring som skal til før det virkelig har noe å si. Volumene kommer til å være så store. Jeg er ikke spesielt bekymret for mulighetene for stor impact, sier Kirkengen.

Kommentarer (0)

Kommentarer (0)

Eksklusivt for digitale abonnenter

På forsiden nå