Pulverkaffe: Det ferdige silisiumproduktet likner på frysetørret kaffe. De små kantete kornene løser seg til et fint pudder ved den minste berøring.
Pulverkaffe: Det ferdige silisiumproduktet likner på frysetørret kaffe. De små kantete kornene løser seg til et fint pudder ved den minste berøring. (Joachim Seehusen)

IFE DYNATEC

Fant løsning ved et uhell: Kan ha knekket en av de viktigste batterikodene

Gjør det mulig å øke energitettheten i batterier. 

Sammen med Dynatec har Institutt for energiteknikk(IFE) på Kjeller utviklet en ny måte å produsere silisium til solceller på.

Denne prosessen er nå praktisk talt ferdig utviklet, og kan bidra til at kvaliteten på silisium til solceller øker samtidig som prisen blir redusert.

– Under forsøkene i utviklingsfasen gjorde vi noen feil, og dermed laget vi noe helt annet enn vi forsøkte å lage, forteller Werner Filtvedt, som jobber delvis på Dynatec og delvis på IFE og har vært sentral i utviklingsarbeidet.

Uhell ble bedrift

Forskerne så at dette kunne brukes til noe, og samtaler mellom Dynatec og IFE førte til at «uhellet» ble starten på et nytt prosjekt, med støtte fra Forskningsrådet og at selskapet Cenate ble dannet – i 2015.

I dag brukes ofte karbon, i form av grafitt, i anodene i litiumionebatterier. Cenate lager nå et silisiumpulver som kan erstatte grafitt. Det gir en rekke fordeler.

Til det sterkt voksende elbilmarkedet byr dagens litiumionebatterier på flere utfordringer. De er svært kostbare, de er voluminøse og de er tunge. Dette resulterer i at kun store og eksklusive biler kan utstyres med batterier som har kapasitet nok til å ta knekken på rekkeviddeangsten.

Silisium

  • Et grunnstoff med kjemisk symbol Si, atomnummer 14, periode 3. Silisium er et halvmetall og en halvleder.
  • Silisium ble funnet i 1787, da trodde man det var en kjemisk forbindelse. Først i 1823 ble det identifisert som grunnstoff av svenske Jöns Jakob Berzelius, som ga det nye grunnstoffet sitt navn.
  • Silisium er det nest vanligste grunnstoffet i jord-skorpen etter oksygen og utgjør 25.7 vektprosent. Silisium finnes ofte forbundet med oksygen, blant annet som kvarts, Si02
  • Silisium benyttes mye i elektronikkindustrien, i solcellepaneler og i batterier. 

Den største effekten av å gå fra grafitt til silisium som anodemateriale er at Wh/liter øker. Den nest største fordelen er at Wh/kg også øker.

– Den tredje viktige effekten er at vi kan produsere svært homogene materialer til lav kostnad og med lavt svinn, sier Erik Sauar, nyansatt CEO i Cenate.

Han var også med på å starte solselskapet REC og hadde rollen som CTO i 12 år - med stadig industrialisering av nye silisiumbaserte prosesser.

Navnet Cenate står for Centrifugal nanotechnology for battery materials. Selskapet skal altså ikke selv produsere batterier, men levere en viktig råvare til batteriprodusenter.

Modifisert reaktor

Den opprinnelige reaktoren som ble utviklet av Dynatec er nå modifisert innvendig – ingen vil gå i detaljer overfor Teknisk Ukeblad om hva som er gjort.

– Mens den opprinnelige reaktoren kun blir matet med silan kan vi nå bruke flere gasser og dermed får vi flere reaktive soner. Ved hjelp av sentrifuge-effekten kan vi sørge for at alle partiklene våre gror inntil en viss størrelse før de slynges ut mot veggen. Dermed kan vi lage milliarder av nano-partikler i svært homogen størrelse. Vi kan også bygge komposittmaterialer som består av mer enn ett grunnstoff i mer enn et lag, sier Sauar.

For produksjon av rent silisium til solceller er temperaturen i reaktoren opp mot 750 grader. Til å produsere anodematerialet har forskerne senket temperaturen noe, ned mot 450 grader på det laveste.

Kontrollert ekspansjon

Når batteriet lades, strømmer litium fra katoden til anoden. Dette fører til at partiklene i anoden utvides. Her ligger en av utfordringene for den nye batteriteknologien. Silisiumet sin sterke evne til å absorbere litium innebærer en mye sterkere utvidelse av anodematerialet.

– Med grafitt er ikke ekspansjonen mer enn 10 – 15 prosent. For silisium kan ekspansjonen derimot bli både 200 og 400 prosent. Det fører til at vi trenger en annen beskyttelse mellom anoden og elektrolytten. Samspillet mellom anode og elektrolytt er ekstremt viktig, sier Martin Kirkengen, CTO i Cenate.

Han legger til at de kan justere sammensetningen slik at ekspansjonen blir som ønsket.

Dynatec-reaktoren

  • I reaktoren til Dynatec blir en silisiumholdig gass, gjerne silan eller triklorsilan ført inn i en sentrifuge.
  • Gassen varmes opp til 6 – 700 grader, dette fører til dekomponering og silisum blir skilt ut. Sentrifugalkreftene skiller silisium og gass fra hverandre. I første versjon måtte sentrifugen kjøles før silisiumet kunne tas ut.
  • I en nyere versjon kan silisiumet høstes uten kjøling, det sparer energi. Dynatec-reaktoren produserer silisium med en renhetsgrad på 99,99999999 prosent. Det som da står igjen er enkeltatomer som kan være nær sagt hva som helst, ofte oksygen.
  • Det er en modifisert versjon av denne Cenate nå bruker.

Ut av sentrifugen kommer et fint pulver, nærmest som silt, blandet med gass. Denne blandingen føres til en separator der gassen blir skilt ut, pulveret faller gjennom et mekanisk filter til bunnen og kan helles ut. Det ferdige produktet likner mest på frysetørret kaffe, noe mørkere i fargen.

Dette produktet ønsker Cenate å blande med en stabilisator, for transporten, og så frakte til batterifabrikkene.

Cenate er nå i forhandlinger om en utviklingsavtale med en av de asiatiske batterigigantene. Et mindre produksjonsanlegg skal bygges hos IFE hvis alt går som ønsket.

Forskning blir business

Cenate forbereder å bygge et sted mellom to til fire reaktorer på IFE, en reaktor kan produsere i størrelsesorden 100 tonn silisium per år.

– Et slikt anlegg vil gjøre det mulig å kombinere lønnsom masseproduksjon med forskning. Kundene vil forvente at vi raskt kan øke produksjonen.

Laboratoriet på IFE er fullt utstyrt med utstyr både til produksjon og testing av batterier. Her studerer Martin Kirkengen, til venstre, og Erik Sauar en batch forsøksbatterier. Testene med knappeceller har vært vellykket, neste steg er å produsere større celler for test.
Laboratoriet på IFE er fullt utstyrt med utstyr både til produksjon og testing av batterier. Her studerer Martin Kirkengen, til venstre, og Erik Sauar en batch forsøksbatterier. Testene med knappeceller har vært vellykket, neste steg er å produsere større celler for test. Bilde: Joachim Seehusen

Deretter følger en mellomfase med produksjonskapasitet på 2000 – 5000 tonn. Sauar vil ikke ut med hvor dette kommer, men sier de har innledet samtaler med en interessert aktør.

– Det er naturlig å legge et slikt anlegg der gass allerede er tilgjengelig. Når fasen med utvikling, testing og pilotproduksjon er over, vil vi måtte bygge eget gassanlegg. Da kan det blir aktuelt å legge produksjonen til Norge, sier Sauar.

Kirkengen viser til analyser fra Bloomberg som sier at innen 2050 vil markedet for litiumionebatterier til biler passere 50 mrd. dollar.

– Vi ønsker vår del av dette markedet. I tillegg til kompetanse på batterier og produksjon av anodematerialer har vi noen triks i jakkeermet, vi klarer blant annet å lade ut bedre enn andre. En elbil vil kreve 2000 ladesykluser i sin levetid, vi har kjørt våre batterier 2 500 sykluser på en litt forsiktig måte i lab-celler og jobber nå med å løse de siste tekniske utfordringene slik at de også skal kunne tåle 2000 ladesykluser i fullskala bilbatterier, sier Kirkengen.

Cenate har nå en ny søknad inne hos Forskningsrådet for å videreutvikle reaktoren og produktene derfra. Til nå er det brukt rundt 20 millioner kroner på utviklingen, ti av dem fra selskapet selv og ti fra Forskningsrådet.

Kommentarer (5)

Kommentarer (5)