Vil produsere batterier med supermaterialet grafen i norsk gigafabrikk

Bellona-sjef Frederic Hauge har store planer for produksjon av batterier i Norge. Gjennom selskapet Beba AS vil Bellona etablere storskala produksjon av avanserte batterier - med seg på laget har Hauge fått Bjørn Rune Gjelsten gjennom miljøselskapet NOAH AS.

Men først spoler vi tilbake noen år i tid:

For ti år siden begynte materialteknologen med bakgrunn i Sintef i Oslo, Rune Wendelbo, å produsere grafen og grafenoksid. I 2008 klarte han å produsere et gram. Det høres ikke mye ut, men det var nok til å få 2000 filmer hvor de kunne teste de elektriske egenskapene til materialet. Grafen og grafenoksid, C₂O, er så tynt et gram har en overflate på 1600 m².

Etter hvert klarte han å produsere 160 gram av stoffet og samtidig løse det store problemet med slik produksjon, såkalt thermal runaway, det vil si at materialet nærmest går opp i røyk.

Det har gjort at de nå kan produsere stoffet i batcher på 1,1 kilo av gangen. I løpet av våren har de produsert rundt 30 kilo ved et anlegg på Tofte. Råvarene de trenger er svært billige, men prisen på produktet de fremstiller i prosessen de har utviklet er rundt 2000 dollar per kilo.

– Det er knyttet veldig stort håp til ulike anvendelser av grafen og grafenoksid. Batterier er den aller viktigste, og det er den vi fokuserer på nå. Med blandinger av grafen og grafenoksid kan vi stabilisere svovelet slik at vi kan øke antallet ladesykler som har vært LiS sin akilleshæl til nå, sier Wendelbo.

I tillegg til å produsere og selge stoffet de fremstiller med høy kvalitet, har de jobbet med å bygge en ny batterikatode basert på svovel og grafenoksid. Såkalte litium-svovelbatterier blir av mange sett på som en slags hellig gral innen batteriteknologi fordi teknologien potensielt kan lagre elektrisk energi tettere enn ulike teknologier basert på litiumione. Uten kobolt og nikkel blir de billigere å fremstille. Mengden grafen og grafenoksid de trenger, er bare rundt en promille av vekten i et ferdig batteri. Svovelet vil stå for rundt 12 prosent.

• Abalonyx: Norsk oppdagelse kan erstatte sjeldent metall

Nisjeprodukt

Problemet har vært antall ladesykler. Det finnes litium-svovelbatterier på markedet i dag, men de er kostbare og kan bare brukes noen ganger. Derfor har de funnet en nisje - de blir brukt i spesielt høytflyvende droner som trenger mye strøm og lav vekt.

Utviklingsselskap

Sammen med partneren og batteriekspert Rahul Fotedar, som tidligere har jobbet på IFE, men som i dag jobber med batteriteknologi i Sveits, har Wendelbo etablert selskapet Graphene Batteries. De jobber nå med å bygge et såkalt pouch-celle-batteri ved et Fraunhofer-institutt i Tyskland, altså et batteri med en slags poseform, som de skal teste før sommeren. Basert på disse testene skal de gå videre med en ny test over sommeren.

– Vårt første mål er å lage det beste LiS-batteriet i verden. Det tror vi vi skal klare. Vi tester teknologien nå i knappebatterier, og vi har kommet til 200 ladesykler. Det er en god start, men vi må langt høyere om vi skal konkurrere på de store markedene. Det er et veldig stort antall måter å bygge slik teknologi, i alt fra blandinger av elementer til hvordan vi tørker og andre parametere. Vi har mye uttesting foran oss. Vår ekspertise er selve katoden, men vi har et samarbeid med Fraunhofer om å bruke deres anode og elektrolytt, sier Wendelbo.

Målet i første omgang er å bygge battericeller som kan nå over 300 Wh/kg. Det er mer enn alle li-ion teknologiene som benyttes i biler. Men Wendelbo ønsker å komme mye lenger og tror de vil nå 500 Wh/kg. Hvor lang til det vil ta er umulig å si, men det vil i så fall doble kjørelengden på elbiler uten å øke vekten.

• Norwegian Graphite: Her finner de råstoffet til fremtidens supermateriale

Vil produsere i Norge

Frederic Hauge er overbevist om at de norske fabrikkplanene er en god ide:

– Jeg er sikker på at vi har etablert en svært spennende teknologiplattform. Nå må vi ut og overbevise de som sitter på penger. De vet at batterimarkedet blir enormt og nå skal Beba ut og hente kapital for å ta Graphene Batteries videre. Det fortjener virkelig Wendelbo og hans folk med de resultater de allerede har vist, fastslår Hauge.

– Batterier og lagring av strøm har fascinert Bellona lange. Det må til om vi skal gjennomføre den fornybare revolusjonen. Den drives frem av prisfallet på sol og vindkraft, men energilagring kan bli en showstopper om vi ikke løser problemet og gjør det billig nok. Derfor ønsker vi å jobbe sammen med Wendelbo og Footdar for å skape en ny batteriteknologi som vi kan produsere i stor skala i Norge, sier han.

Hauge peker på at Teslas Gigafactory i Nevada koster 84 milliarder kroner og produserer billigst i verden. Her i Norge har vi sølt bort over 50 milliarder på skandaleplattformen Goliat. Kanskje det er på tide å tenke på teknologi med fremtiden foran seg enn på mer olje og gass, antyder han.

– Vi har fått god støtte fra Forskningsrådet og vi er veldig glad for at Beba er kommet på banen. Frederic har det nettverket vi trenger for å bygge industri og det gjør at vi kan konsentrere oss om forskningen, sier Wendelbo.

Hauge er helt klar på at det trengs mer utvikling. Ikke minst på antallet ladesykler. Men han har også stor tro på at de resultatene de har allerede lar seg forbedre betydelig.

– Det vil bli bygget veldig mange såkalte gigafactory-er rundt om i verden. Jeg tror vi må se videre på neste generasjon batterier om vi skal lykkes med en slik satsing i Norge. Li-ion kommer kanskje til å nå en ladetetthet på 350 Wh/kg, og til en enda lavere pris enn i dag. Skal vi lagre strøm tettere enn det må vi se på en annen type kjemi og jeg tror LiS er en svært god kandidat. Med den forskningen som er utført her, og evnen til å produsere grafenmaterialer, har vi en komparativ fordel som vi må utnytte i det enorme vekstmarkedet vi ser for oss, sier Hauge.

• Les også: Nå kan vi få batteriet som ikke blir ødelagt selv om temperaturen øker

Pilotlinje

Det første Beba sikter mot er å bygge en pilotlinje for å produsere LiS-batterier som pouchceller. De tror de skal klare det på mellom 3 og 4 år. En slik linje kan også produsere batterier i mindre skala og begynne å tjene penger raskt. I første omgang vil de vurdere å benytte teknologien fra Fraunhofer, men de vil også se etter andre teknologier for anoder og elektrolytter. Ikke minst i IFE-miljøet hvor det jobbes med en ny silisiumholdig anode som også har stor ladetetthet.

– Europa står for bare to prosent av batteriene vi produserer i verden og det er mange som er interessert i å øke denne andelen. Det betyr at det er store muligheter for å samarbeide. Selv om det er LiS vi først og fremst satser på tror jeg også vi bør vurdere å lage Li-ion her i landet, sier Hauge.

Kan lykkes

– Batterier basert på litium og svovel er ikke så utopiske som de basert på litium og luft, men det er grenser for hvor mye mer strøm de kan lagre enn Li-ion. Kanskje vi kan få til en faktor to på vekt, men ikke så mye på volum, sier batteriekspert med bakgrunn fra IFE, Martin Kirkengen.

Sammen med Erik Sauar, som har bakgrunn som teknologidirektør i REC, og flere har Kirkengen startet selskapet Cenate for å utvikle en ny silisiumtett teknologi for anoder. På anodesiden har mengden silisium lenge vært en slags hellig gral, men har vært vanskelig å få til. Det skal kanskje ikke mye fantasi til å tenke at de passer godt sammen med Wendelbo og Hauge. Og de snakker også sammen.

Kirkengen tror karbonstrukturer som grafen og grafenoksid kan være en god løsning for LiS-batterier. Slike strukturer basert på ekstremt tynne flak har evnen til å holde svovel på plass når litiumioner vandrer frem og tilbake. Det kan være mulig å utvikle teknologien slik at antallet slike vandringer kan økes før batteriet degraderer. En annen utfordring han ser er sikkerhet. Svovel utvikler ganske gufne gasser om det oppstår brann, selv om litt av det samme kan sies om andre batterier også.

– LiS-batterier er ikke et luftslott. Det finnes slike i dag, men de er dyre og har tåler få ladesykler. Skal LiS erobre de store markedene innen transport og nettlagring må det utvikling til og det er mange ulike parametere som må forbedres. Med den kompetansen vi har i Norge tror jeg det er minst like sannsynlig at vi får det til her enn i andre miljøer i verden, sier Kirkengen.

• Les også: Dette skjer med elbilbatterier i vintertemperatur

Ambisjoner

– Dette handler mer om utviklingsstrategien fremover nå, enn om vi skal gå videre. Det er først og fremst oppskalering av teknologien, slik at vi kan lage større celler som er viktig nå. Derfor bygger vi nå pouchceller ved Fraunhofer i Tyskland, slik at vi kan verifisere at de ikke lekker svovel når vi reduserer mengden elektrolytt i batteriet for å få ned vekten og prisen. Jeg har stor tro på at vi får det til. Slik jeg ser det har vi løst primærutfordringen som er å bygge verdens beste LIS-katode. Vi har vist at katoden yter 5,5 mA/cm² og det er veldig lovende, sier Hauge.

Etter at den norske teknologien ble presentert på en fagkonferanse om nanoteknologi i Bilbao for en stund siden har interessen vært stor. Ikke bare hos samarbeidspartner Fraunhofer, men også fra mange andre miljøer rundt om i verden.

– Vi ønsker at dette skal skje i Norge og ønsker å samle den kompetansen vi har slik at vi kan utvikle og produsere neste generasjon batterier her i landet. Vi har faktisk veldig kompetente miljøer på dette området og vi har mulighet til å bli en betydelig aktør i fremtiden, sier Hauge som vil gjøre mer enn å snakke om miljøet. Han vil være med å skape løsningene.

• De ødelegger sin egen forretningsmodell med vilje: Slik innoverer norske selskap (TU Ekstra)