Elektrokjemisk testing av knappeceller med ulike anodematerialer. Her måles blant annet lagringskapasitet, virkningsgrad (coulombisk effektivitet), oppførsel ved ulike lade – og utladingshastigheter og stabilitet under langtids sykling.
Elektrokjemisk testing av knappeceller med ulike anodematerialer. Her måles blant annet lagringskapasitet, virkningsgrad (coulombisk effektivitet), oppførsel ved ulike lade – og utladingshastigheter og stabilitet under langtids sykling. (Foto: Thomas Brun)

Silisium i elbil-batterier

Silisium kan gi elbiler lengre rekkevidde - Elkem skal finne ut hvordan

Silisium gir batterier med ti ganger høyere kapasitet enn grafitt. I teorien.

Teoretisk kapasitet er ti ganger høyere om man bytter ut grafitt med silisum i batterier, men da vil anoden tredoble sin størrelse under lading. Elkem tar nå sikte på å knekke koden.

I kampen om å få høyere energitetthet i batterier ser flere innen både industri og forskning i retning av silisium. I dag brukes grafitt i anodene. Grafitt har en teoretisk øvre kapasitet på 372 mAh per gram grafitt.

– De beste ligger i dag på rundt 360 mAh per gram, så det er ikke mye mer å hente. Silisium har en teoretisk kapasitet som er nesten ti ganger så stor, derfor ser nå alle aktører dit, sier Inge Grubben-Strømnes, senior vice-president i Elkem Carbon.

 

Tredobler volumet

Utfordringen med silisium er at når batteriet lades binder litium-ioner seg til silisiumet og det dannes en legering. Det leder til ekspansjon, opptil 300 prosent. Når strømmen brukes, reverseres prosessen, og sammentrekningen fører til at andoden sprekker opp. Dermed står man overfor to ennå uløste utfordringer: Ekspansjonen må kontrolleres og antall ladesykluser et slikt batteri tåler er betydelig lavere enn med dagens batterier.

Likevel tror «alle» at det er mulig å finne en løsning. Fordelene er flere enn høyere kapasitet. Silisium vil gi raskere lading, bedre lading ved lave temperaturer og redusert risiko for varmgang.

Derfor har Elkem nå et prosjekt løpende der silisium som anodemateriale står helt sentralt. I dag har grafitt 93 prosent av markedet for anoder til litium-ion batterier.

«Norge er i dag ledende på elbil. Vi tror Norge kan ta en annen rolle i dette enn å tilrettelegge for økt bruk av elbiler.»

Inge Grubben-Strømnes, senior vice-president, Elkem Carbon.

Elkem sikter ikke mot å bli batteriprodusent, men å levere grafitt, silisium og silikon til batteriprodusentene. Selskapet har i dag produksjon av karbon i Kristiansand og silisium i Bremanger. Silikon er det mest modne markedet, og brukes som beskyttelse mellom cellene. For både karbon og silisium ønsker Elkem å industrialisere storskala produksjon til anodemateriale.

Øker gradvis

Stian Madshus er vice president og leder batterimaterial-enheten i Elkem Carbon. Han sier at Elkem nå ser for seg å lage kompositter av grafitt og silisium der andelen silisium gradvis økes.

– Potensialet er stort og flere andre jobber med dette. For oss er det en fordel at vi allerede har etablert produksjon av begge materialene., sier Madshus.

Det er foreslått flere løsninger for å forlenge antall sykler med et batteri som inneholder silisium i anoden og Elkem følger utviklingen tett. Av løsninger kan nevnes varierende partikkelstørrelse og overflatestruktur. Å få ned størrelsen er en utfordring, vi er på nano eller sub-mikronnivå. Deretter forsøker forskerne og utviklerne å blande inn andre stoffer som begrenser oppsprekkingen når ekspansjonen reverseres. Det tredje sporet er å lage en struktur som gir rom for ekspansjon uten at det gjør noe. Den fjerde og siste innfallsvinkelen er å endre den kjemiske sammensetningen av silisiumpulveret.

Knappeceller. Product Manager i Elkem Carbon, Gunstein Skomedal, lager knappeceller i hanskeboks ved IFE’s laboratorium på Kjeller. Foto: Thomas Brun

Dette arbeidet skjer sammen med partnere, Institutt for energiteknikk på Kjeller, NTNU og Sintef i Trondheim og noen utenlandske institutter som Fraunhofer i Tyskland. I tillegg til instituttene samarbeider Elkem med forskjellige bedrifter, som har interessant teknologi, blant annet gjennom MOZEES (Mobility Zero Emission Energy Systems). Og batteriprodusenter som også ser muligheten til å ta silisium i bruk.

Veksten undervurdert

Til anoder bruker Elkem det etablerte produktet Silgrain, silisium som er prosessert med forskjellige syrer og kommer i pulverform. Forretningsideen er å kunne levere både silisium, grafitt og blanding av de to til batteriprodusenter i ønsket kvalitet.

Kobber. Her legges en anodeslurry på kobberfoil. Anodeslurryen er en miks av fint grafittpulver, bindemiddel, eventuelt noe silisiumbasert materiale og andre tilsetnings-stoffer. Den presses til et jevnt lag, typisk med en tykkelse på 65 µm. Kobberfoilen fungerer som strømleder i battericellen for den negative elektroden/anoden. Foto: Thomas Brun

– Dessverre får du «vet ikke» som svar på de fleste spørsmålene. Dette ligger et stykke frem i tid, massemarkedet er der ennå ikke og heller ikke batterimiljøet er enig om hva de ønsker, sier Grubben-Strømnes.

Da blir et naturlig spørsmål hvorfor Elkem velger å bruke tid, et par titalls millioner kroner og personell på å utvikle produkter for et ikke-eksisterende marked der man ennå ikke vet hvordan produktet skal lages for å få de egenskapene produktet må ha.

Sterk tro: Stian Madshus (t.v.) og Inge Grunnben-Strømnes ser silisium som fremtidens anodemateriale. Elkem venter også at veksten i antall elbiler blir sterkere enn dagens prognoser anslår. Foto: Thomas Brun

Denne gangen er ikke svaret «vet ikke».

– Den voldsomme veksten som er ventet i elbilmarkedet er sterkt undervurdert. I 2030 snakker man om at 30 prosent av nybilsalget skal være elektrisk. Dette vil kunne gå mye raskere enn prognosene sier og når markedet er der skal vi være klare.

I Kina kommer det nå 9500 nye elektriske busser på veiene hver femte uke, det er mer enn 100.000 busser hvert år, og utviklingen har knapt startet. I enkelte kinesiske byer er det vedtak om at samtlige nye taxier og busser skal være elektriske fra og med 2020.

– Norge er i dag ledende på elbil. Vi tror Norge kan ta en annen rolle i dette enn å tilrettelegge for økt bruk av elbiler. Det er en rekke leverandørbedrifter i landet som kan spille en rolle i produksjonen. Vårt mål er å etablere produksjon i Norge for å bli en del av denne utviklingen og også utvikling for andre anvendelsesområder som eksempelvis maritim industri, sier Grubben-Strømnes.

Han håper å kunne starte kommersiell produksjon rundt 2021.

Interessert i elektriske kjøretøy?
Få med deg «Nordic EV Summit 2019» torsdag 21. mars.
Clarion Hotel the Hub, Oslo.

Kommentarer (11)

Kommentarer (11)

Eksklusivt for digitale abonnenter

På forsiden nå