NANO2021-Nanoteknologi og nye materiale

Overgangen fra fossile til fornybare energikilder avhenger sterkt av tilgjengeligheten på billige og pålitelige energilagringsløsninger. Per nå er batterier det beste og mest realistiske alternativet for dette, der Li-ionebatterier den mest utviklede kandidaten. Dette leverer ikke bare den høyeste energitettheten, men også demonstrerer imponerende levetid og effektkapasitet. Disse egenskapene gjør Li-ionebatterier til en selvsagt løsning i mobile elektroniske enheter, og i senere tid også i elbiler og i løsninger for stasjonær energilagring. Mens disse batteriene har en dominerende posisjon i markedet nærmer de seg også et utviklingstak bundet til fundamentale begrensninger i den nåværende teknologien, samtidig som verdens behov fortsetter å øke. Det er derfor nødvendig med nye radikale forbedringer og innovasjoner for å holde følge med de stadig økende kravene fra energilagringsmarkedet. En radikal oppgradering av anodematerialet den sannsynligvis enkleste og mest økonomiske retningen for denne forbedringen, og kan gjennomføres uten store endringer i batteri-design, og derfor også produksjonsinfrastruktur. Silisium har blitt en populær kandidat til å bli et slikt neste-generasjons anodemateriale på grunn av høy tilgjengelighet, lav pris, og allerede utbredt bruk i halvlederindustrien, men mest av alt fordi materialet har en ekstremt høy kapasitet til å lagre litiumioner, nesten 10 ganger høyere enn de nåværende grafittbaserte materialene. Problemet er at materialet gjennomgår store strukturelle endringer når alle disse litiumionene beveger seg inn og ut, som fører til at batteriet raskt mister den høye kapasiteten. I dette prosjektet jobber vi med å utvikle en screening-prosedyre for anodematerialer, der hovedproduktet vil være et stadig voksende bibliotek over forskjellige materialsystemers egenskaper som anodemateriale, og hvordan disse egenskapene varierer med sammensetning innen hver av systemene. I tillegg til videre analyse av silisium-nitrogen-systemet av anodematerialer, som tidligere har blitt utviklet på IFE, er silisium-karbon-systemet kjemien som foreløpig har fått mest fokus. Vi har utviklet pålitelige prosedyrer for tynnfilmdeponering av disse materialene, og har parallelt videreutviklet metoder for produksjon av nanopartikler med tilsvarende egenskaper, for å evaluere overførbarheten av tynnfilmeksperimentene til mer applikasjonsrettede partikkelbaserte elektroder. Arbeidene med silisium-fosfor-systemet har også startet, der utviklingen og evaluering av ulike metoder for å deponere tynnfilmer med høyt fosforinnhold har vært i fokus. Foreløpige resultater fra dette arbeidet er blitt presentert på ledende internasjonale forum for forskning på litium-baserte batterier, blant annet på International Meeting on Lithium Batteries (IMLB 2022), Li Battery Discussions (LiBD, 2023) og 244th Meeting of the Electrochemical Society (244th ECS Meeting, 2023).

Development of high-performance energy storage technologies is recognized as the key element needed for transition to environmentally friendly future. Currently, Li-ion batteries are considered to be the most promising while mature technology for implementation. While there has been a significant progress in improvement of most of the components in the battery, anodes remained unchanged. Large effort was devoted to develop silicon as a next generation anode material, due to its extremely high lithium storage capacity. However, silicon has challenges with stability, currently preventing the material from maintaining this high capacity during battery cycling. Recently there has been an emergence of convertible alloy anode materials. Those undergo a phase separation during initial lithiation resulting in stable silicon nanoparticles embedded in a matrix. Despite a clear scientific and commercial potential associated with the development of the such materials, the knowledge base for those is far away from being comprehensive. In this project, we propose to develop a streamlined screening and optimization procedure for new silicon-based anode materials using nanostructured thin films. Such electrodes can be prepared with a large range of compositions and element combinations using effective and reproducible thin film deposition methods, such as PECVD. These will provide the basis for a comprehensive and comparable electrochemical testing to determine the key performance characteristics for each system and their dependence on the material composition. A combination of electrochemical testing with advanced characterization will be used to determine lithiation mechanisms allowing classification of materials and extending the prediction of performance characteristics. The main product of this work will be an extensive library of comparable test data, the availability of which would allow targeted investigations of promising and industry relevant battery materials.