Batteriteknologi

På NTNU utvikler de batterier av algeskall

CO2-nøytrale algebatteri kan øke kapasiteten med opptil 20 prosent sammenliknet med dagens batterier.

For å utvinne silisiumdioksidet fra algeskallet og fremstille til bruk i batteri må algene først renses, tørkes, brennes, karbondekkes og blandes inn i en slurry. Andreas Nicolai Norberg er forsker på NTNU og har ansvar for teknologiutviklingen i forskningsprosjektet.
For å utvinne silisiumdioksidet fra algeskallet og fremstille til bruk i batteri må algene først renses, tørkes, brennes, karbondekkes og blandes inn i en slurry. Andreas Nicolai Norberg er forsker på NTNU og har ansvar for teknologiutviklingen i forskningsprosjektet. (Foto: Marthe Svendsen )

CO2-nøytrale algebatteri kan øke kapasiteten med opptil 20 prosent sammenliknet med dagens batterier.

  • energi

Et materiale som utvinnes fra alger kan erstatte grafitten i batterier. Grafitt er den vanligste komponenten på anode-siden i litium-ion batterier, som er det mest benyttede typen oppladbare batterier.

Med grafitten som brukes i disse batteriene har man tradisjonelt vært avhengige av giftige løsemidler for å løse opp bindemiddelet som kreves. Denne prosessen har også høyt CO2-avtrykk. 

I tillegg kommer grafitten fra karbon som utvinnes ved gruvedrift eller fra syntetisk karbon som igjen kommer fra petroleum.

– Hvis vi skal bruke batterier for å gi kraft til en fornybar revolusjon, så er det jo dumt at grunnmaterialet derfra kommer fra petroleum, sier Andreas Nicolai Norberg (27), forsker i batteriteknologi på NTNU.

Lengre varighet

– Dersom silisiumoksid fra alger erstatter dagens grafitt, vil vi kunne få både tynnere og lettere batterier med samme kapasitet som dagens, sier Fride Vullum-Bruer, tidligere prosjektleder og forsker i Sintef Energi.

Dette betyr også at batteri av samme størrelse vil vare lengre.

– Kapasiteten vil øke med opptil 20 prosent i forhold til dagens batterier, sier Vullum-Bruer.

– Kapasiteten vil øke med opptil 20 prosent i forhold til dagens batterier, sier Fride Vullum-Bruer, gründer og forsker ved Institutt for materialteknologi ved NTNU. Bilde: Marius Valle

Anvendelsen av grafitt i batterier har flere ulemper. Den praktiske kapasiteten til grafitt er allerede lik den teoretiske kapasiteten. Det vil si at grafittens yteevne i et batteri allerede er så god som den kan bli. Man klarer ikke å få mer litium inn i grafitten, noe som er nødvendig for å utvikle batterier med lengre yteevne.

– Silisiumoksid har derimot en teoretisk kapasitet som er 3-4 ganger så høy som grafitt, sier Norberg.

Ferdig nanoteknologi i algene

– Algen som benyttes er en type kisel-alge og navnet kommer av den høye konsentrasjonen av silisiumoksid i algeskallet. Kort fortalt så er algeskallene er ferdiglaget nanoteknologi, sier Norberg.

– Hvis vi skal bruke batterier for å gi kraft til en fornybar revolusjon, så er det jo dumt at grunnmaterialet derfra kommer fra petroleum, sier Andreas Nicolai Norberg (27), forsker i batteriteknologi på NTNU. Foto: Marthe Svendsen

Kort fortalt er algeskallene ferdiglaget nanoteknologi

Andreas N. Norberg, forsker ved NTNU

Algeskallet har nanostrukturer som gjør at det samler lys veldig godt, og det er disse som benyttes i batteriet.

Dette er viktig fordi silisiumoksid lenge har vært kjent for å ikke reagere med andre stoffer. Norberg sier at forskere ved en tilfeldighet fant ut at dersom materialet har nanostrukturer så blir stoffet mer reaktivt.

Nanostrukturene er altså nødvendige for å få en reaksjon mellom silisiumoksid og litium som er nødvendig i et batteri.

Algene får forskerteamet av et lokalt firma som høster disse som et biprodukt i Trondheimsfjorden.

CO2-nøytral produksjon

– Gjennom fotosyntese bruker algene CO2 for å vokse, noe som er med på å gjøre algebatterienes produksjonsprosess helt CO2-nøytral, sier Norberg.

En langsiktig idé for forskerne er å produsere alger i nærheten av fabrikker og smelteverk, slik at CO2-utslippene derfra kan mates direkte inn i produksjonsprosessen av algene.

Norberg sier at den organiske delen av algen også inneholder Omega-3. Hvis dette brukes i mat eller kosttilskudd vil produksjonsprosessen av algebatteriet faktisk kunne bli CO2-negativ, ifølge forskerne. 

Slik lages algebatteriet

  • Natriumklorid og salter vaskes vekk fra algene.
  • Algene brennes på høy temperatur for å fjerne alt organisk materiale og kun sitte igjen med silisiumdioksidet fra algeskallet.
  • Silisiumdioksidet dekkes med et nanometerlag av karbon for å bedre lede elektroner.
  • En slurry (flytende blanding) lages av det karbondekkede silisiumdioksidet, tilsetningsstoffer for økt elektrisk ledningsevne og et bindingsmateriale utvunnet fra tare.
  • Slurryen spres utover en kobberfolie, som fungerer som en strømleder i battericellen.
  • Til slutt legges to elektroder med tynnpresset slurry inn i batteriet og fungerer som elektroder på anodesiden.

Må bli stabilt

En av de største utfordringene med fremstillingen av algebatteriene er at materialet oppfører seg ulikt fra parti til parti.

– Foreløpig trengs det en mer stabil feedstock av materialer før algebatteriene kan produseres i storskala, sier Vullum-Bruer.

Hun ser for seg mange mulige bruksområder for silisiumoksidet fra algeskallet, og har blant annet sett på muligheten for å bruke det i kondensatorer og annen type energilagring.

– Silisium er jo det materialet du finner mest av her i verden, rett etter oksygen. Det er et veldig anvendbart materiale, sier hun.

Les også

Kommersialisering

Prosjektet drives av NTNU Technology Transfer som har fått støtte fra Forskningsrådet for å vurdere muligheten for kommersialisering. Forskerne har nettopp begynt å teste algebatteriene i større skala, i samarbeid med et svensk firma.

Batterier består ofte av følgende:

  • Katode (plusspolen) som består av et materiale som tar opp elektroner. I litium-ion batterier er katoden ofte et metalloksid.
  • Anode (minuspolen) som består av et materiale som gjerne vil gi fra seg elektroner. Anoden i litium-ion batterier består ofte av grafitt.
  • Elektrolytt er en flytende væske som skiller anoden og katoden fra hverandre. Væsken leder kun ioner, og ikke elektroner.
  • Separatoren er et skillelag mellom anoden og katoden som forhindrer at de berører hverandre og dermed skaper kortslutning.

Når et oppladet batteri kobles i en krets vil elektroner vandre fra anoden til katoden. På grunn av separatoren må elektronene ta en omvei for at elektronutvekslingen skal skje. Elektronene vandrer fra katoden til anoden gjennom en ledning, og det er denne elektronvandringen som kalles strøm.

– Hvis det fungerer så bra som vi håper, er planen å lage et spin off-firma som kan produsere anodematerialer som vi selger videre til batteriprodusenter, sier Vullum-Bruer.

– Vi har lenge vært i dialog med Siemens, som synes dette er kjempespennende. Vi har flere kontakter som er veldig interessert, sier Vullum-Bruer.

Går alt etter planen har teamet en liten pilotskala oppe i løpet av to til tre år. Vullum-Bruer påpeker at dette fortsatt er på småskala-nivå. Den eventuelle kommersialiseringen vil ta mye lengre tid.

– Før vi har et produkt som kan selges, så går det fort 7-8 år, vil jeg tro.

Kommentarer (1)

Kommentarer (1)

Eksklusivt for digitale abonnenter

På forsiden nå