Beyonder battericeller - litium ionkondensator

Forskere på Institutt for Energiteknikk (IFE) og hos batteriteknologiselskapet Beyonder AS i Stavanger, arbeider med en hybridteknologi som kombinerer styrken til både de vanligste batteriene, litium-ionbatterier, og superkondensatorer. Teknologien kalles «litium-ionkondensator», og forener fordelene til de to batteritypene:

Litium-ionbatterier kan lagre mye energi til en billig penge, mens superkondensatorer tåler hundretusener av ladesykluser og kan levere og ta imot veldig stor strømstyrke.

Mens litium-ionbatterier brukes i alt fra mobiltelefoner til elbiler, brukes superkondensatorer blant annet trikk, t-bane og i vindkraftverk.

Et litium-ionbatteri er først og fremst optimalisert for å kunne lagre mye energi per kilo og per krone. Det er optimalisert for Wh/kg. Sammenlignet med superkondensatorer har det, særlig for industrielle applikasjoner, to ulemper. Det ene er at de kan gi fra seg mindre effekt, altså mengde strøm per tidsenhet. Det betyr få watt per kilo. Det andre er at de kan lades et begrenset antall ganger, i beste fall noen tusen.

Begge begrensningene skyldes hvordan litium-ionebatterier lagrer energi. Det er en indre motstand, som begrenser hvor fort batteriet kan lades. Den fører også til at batteriet gradvis degraderes.

Superkondensatorer er bygget på en helt annen måte. De har to tynne flate elektroder som ligger tett inntil, men isolert fra, hverandre. Når det ledes strøm inn i elektrodene, bygger det seg opp et elektrostatisk felt og en ladning som kan hentes ut ved behov.

Siden dette gir svært lav indre motstand, kan effekten tappes ut mer enn hundre ganger raskere, og de tåler hundretusener av ladesykluser.

• Sør-Korea leder batterikappløpet: Landet vil trolig fortsette med å dra ifra

En bedre superkondensator

– Vi jobber nå med å ta anodesiden til litium-ion batteriet og katodesiden til en kondensator, og lage en helt ny type energilager hvor vi får fordeler fra begge teknologiene. Dette er ikke en ny idé. Det er allerede kommet lignende hybrider på markedet, men vi arbeider med forbedringer langs to akser, både en bedre type karbon, og bruk av silisium, sier sjef og gründer av Beyonder, Svein Kvernstuen, og utdyper: 

– Vi bruker en blanding av ørsmå silisiumpartikler og våre egne karbonpartikler, som har vesentlig bedre egenskaper enn de som er tilgjengelig på markedet, sier Kvernstuen.

Slike hybride celler vil være mye mer energitette enn tradisjonelle superkondensatorer, men ikke like energitette som moderne litium-ion batterier. Industrielle anvendelser, hvor superkondensatorer også brukes i dag, har krav til ladetid og ladecykler som et litium-ion batteri ikke kan levere. Målt mot disse tror Beyonder at de skal kunne konkurrere godt.

Deres celler vil kunne lades opp på et par minutter minst 100.000 ganger, noe som gir en levetid på over 20 år for anvendelsene Beyonder jobber med.

I dag selges det superkondensatorer for en halv milliard dollar, og markedet er i rask vekst. Denne måten å lagre strøm på brukes i alt fra elbusser, trikker og t-baner; til lastbalansering av vindkraft og i mange typer kraftelektronikk. Med høyere energitetthet er det ventet at markedet vil øke enda raskere.

– Det kom hybride enheter på markedet for et par år siden som doblet energitettheten. Vi jobber mot nok en ny dobling, og tror at dette vil øke markedet betydelig. sier Kvernstuen.

• 94-åringen kalles litiumionbatteriets far: Nå melder han om et nytt gjennombrudd

Norske råvarer

Karbonpulveret Beyonder har utviklet, kommer fra norsk sagflis.

– Vi har utviklet en spesiell pyrolyseprosess i roterende ovner som gir oss et porøst karbonpulver med en ekstrem overflate. I dag produserer vi i gramskala, men nå er vi i ferd med å øke produksjonen til mellom en halv og en kilo per dag. Senere skal vi opp i 500 kilo per dag. Vi har fått tilbakemelding på at vi får patentert prosessen, som både er billigere og bedre enn det som finnes i markedet, sier Kvernstuen.

I tillegg til å lage bedre karbon, arbeider Beyonder sammen med IFE for å ta i bruk silisium. Silisium er en slags hellig gral i denne sammenheng, for en kan erstatte det meste av grafitten med silisium, og få mye bedre energilagring per kilo. Det vil krympe batteriet vesentlig. Beyonder vil bruke de ørsmå silisiumkulene IFE har utviklet gjennom mange år, som en del av anoden.

– Utfordringen med silisium i litium-ionbatterier er at volumet øker voldsomt når det binder seg til litium. Det er ikke så stort problem her, for teknologien trenger bare selve overflaten av silisiumpartikkelen og ikke hele volumet som i batterier, sier senioringeniør ved IFE, Hallgeir Klette.

• Ny oppdagelse: Kan bidra til batterier med fem ganger så mye energi

Produksjon i Norge

Både karbonet og silisiumet som brukes som råvarer, produseres i Norge. Og det legges mye arbeid ned i å tilpasse hvordan disse råvarene settes sammen. Beyonder planlegger derfor en fabrikk i tilknytning til laben deres i Stavanger.

Selskapet arbeider med to varianter av teknologien. En de kaller «ultrakondensator», og en de kaller «litium ion kondensator». Den ene er en superkondensator, men med forbedret effekt og energitetthet i forhold til det som er på markedet i dag. Prisen vil også blir lavere fordi de benytter vårt eget karbon produsert fra treflis. Den andre, som nok blir volumproduktet, er LiC hybridløsningen.

Den kombinerer mye av superkondensatorers styrke med å hente ut mange kW per kilo og mange ladesykluser, med mye av energitettheten til litium-ionbatterier, gitt av silisiumanoden fra IFE. Resultatet er noe lavere energitetthet enn litium-ionebatterier, og noe færre ladesykluser enn superkondensatorer. Det er en gylden middelvei hvor noe ladekapasitet ofres for å få flere og raskere ladesykluser.

• Dansk gjennombrudd: Kan se reaksjoner inne i batterier mens de er i bruk

Anvendelser

Klarer Beyonder å etablere teknologien slik de håper åpner det seg et veldig stort marked. Markedet for superkondensatorer er på rundt en halv milliard dollar i dag. Men fordi de sikter mot produkter med vesentlig høyere energitetthet beveger de seg også inn i det mye større markedet for batterier. Det pågår en rask elektrifisering av industri og samfunn og det trengs mange varianter av batterier.

En av anvendelsene Beyonder og IFE arbeider mot er kontrollenheter for vindturbiner. For å utnytte produksjonstopper ved varierende vindstyrke lages systemer for å lagre energi knyttet til kontrollenhetene på vindturbinene. Her går ofte store mengder strøm inn og ut av lagringsenheten mange ganger per time. Verken dagens litium-ion batterier eller superkondensatorer er en ideell løsning.

Det er også en rekke bruksområder i transportsektoren, som til sammen kan bli et stort marked.

– Vi har snakket med  brukere av gaffeltrucker og de synes dette høres veldig interessant ut. De bruker ofte blybatterier i dag og de har veldig dårlig energitetthet og kort levetid. I tillegg tar de veldig lang tid å lade. Med teknologien vi sikter mot, kan de lade på et par minutter, sier Svein Kvernstuen.

En annen sektor Beyonder har samtaler med er maritim sektor:

– Ombord på skip elektrifiseres stadig mer av utrustningen, til og med i fremdriftsmotorene. Da trengs ofte svært høy effekt, sier Kvernstuen. I noen tilfeller vil også mange ladesykluser gi lav levetid på litium-ion batterier, som i fergetrafikk.

Advarer mot kostbar distribusjonselektronikk

Videre forbedringer

– Vi tester ut ulike ioniske væsker som elektrolytt. Lykkes vi, kan vi både gjøre produktene enda sikrere og øke spenningen ytterligere, noe som igjen øker energitettheten, sier post.doc ved IFE, Samson Lai.

• Bellona: Vil produsere batterier med grafen i norsk gigafabrikk (TU Ekstra)