Back to search

ENERGIX-Stort program energi

Hurtigladbare Anoder av Silisium for Transport

Alternative title: High rate Anodes of Silicon for Transportation

Awarded: NOK 22.3 mill.

Project Manager:

Project Number:

309621

Project Period:

2020 - 2022

Funding received from:

Organisation:

Location:

The target of the HAST project is to develop a new anode material for lithium-ion batteries. Batteries have an anode and a cathode, with lithium ions traveling between the two. When the battery is charged, the lithium is forced from the cathode over to the anode. When the battery voltage drops, the lithium returns to the cathode, releasing the stored energy. Pure lithium metal anodes give the highest theoretical energy density, but also give poor control over where the lithium metal is formed, risking internal short circuits in the battery. Silicon can control large amounts of lithium with a very low additional weight, much lower than the graphite that does the job in most batteries today. The challenge is to find ways to protect the silicon, so it will survive many charging cycles. To get lithium into the particles quickly, they have to be small. At the same time, we want to minimize the interface between silicon and electrolyte, where the main degradation happens. The solution is to make many small (<100nm) primary particles and agglomerate them into secondary particles (>1µm). When we have demonstrated good cycleability in our own lab, we test the powders at world leading battery manufacturers aiming for mass production. The primary particles are made by heating silane gas, using our proprietary reactor, in collaboration with the silane laboratory at IFE. Through simulations and experiments, we develop hardware and process parameters, as well as models for the chemical reactions. Secondly, we mix the primary particles into agglomerates containing binders that protect the particles from each other and the electrolyte. Here the main effort is in the choice of binder, and the process for forming the agglomerates. Finally, in collaboration with the battery lab at IFE and SINTEFs characterization labs, we investigate physical and electrochemical properties of the particles before and after use, to explain why one material performs better than another.

-

HAST beskriver både bilistens ønske om hurtig lading av nok strøm, verdens behov for raske løsninger for nullutslipp i transport, og hvordan Norge må skynde seg om vi skal ta del i verdikjedene i fremtidens enorme marked for Li-ion-batterier. Et batteri består av en ende hvor litium trives - katoden - og en der det ikke trives - anoden. I dagens kommersielle batterier er det grafitt som utgjør anoden. Ved å erstatte grafitten med silisium, er det mulig å redusere batterivekten med inntil 30%. Silisium er imidlertid svært vanskelig å få til å tåle mange ladesykluser, da det både ekspanderer under lading, flytter på seg og gjør elektrolytten ustabil der den møter silisium. Løsningene for silisiumanoder i batterier bygges som en bro - ved at silisiumprodusenter bygger fra sin ende, mens batteriprodusentene bygger fra sin. Cenate har allerede utviklet verdensledende silisium nanopartikler for batteriformål. Vi har oppnådd svært høy kapasitet og har lært metoder som kan stabilisere materialene så de overlever mange sykler. Noen få batteriprodusenter har kommet så langt på sin bro-ende at vi kan møtes på midten og i fellesskap har en løsning som kan utgjøre en mindre del av dagens batterier. De fleste - og alle de europeiske - har et stykke igjen. Gjennom HAST vil Cenate pakke nanopartikler inn i flere tusen ganger større komposittpartikler. Akkurat som effektiv transport i en storby krever motorveier, småveier og parkeringsplasser prøver vi å oppnå det samme ved at elektrolytten kan bevege seg i store kanaler mellom store kompositter mens det er «småveier» for litium inne i komposittpartiklene, og der nanopartiklene utgjør parkeringsplassene for litium. Dette vil tillate høyere ladehastigheter og tykkere elektroder, og vil gjøre det enklere for fremtidige kunder å anvende materialet i eksisterende prosesslinjer. Målet er å skape unik teknologi som kan bidra til økt rekkevidde for elbilene og bygge en ny stor virksomhet basert på produksjon og salg av denne.

Funding scheme:

ENERGIX-Stort program energi