Back to search

ENERGIX-Stort program energi

COULOMBUS: Silisiumanoder med høy Coulombisk effektivitet for neste generasjon Li-ion-batterier

Alternative title: COULOMBUS: Silicon-based anodes with high Coulombic Efficiency for next generation Lithium-ion batteries

Awarded: NOK 15.0 mill.

Project Manager:

Project Number:

332287

Project Period:

2022 - 2024

Funding received from:

Organisation:

Purpose: The Coulombus Project continues Cenate’s journey towards our long term target: a new anode material for Li-ion batteries. While the highest energy density can in principle be obtained using a lithium metal anode, this can cause internal short circuits in the battery, with risk of causing a fire. Therefore, graphite is currently used to store lithium safely in the anode. Silicon can theoretically reduce the anode weight by a factor of 10, corresponding to 30% weight reduction of the battery. Our main task is to protect the silicon, so it survives many charging cycles. For the weight reduction to have value, it is essential that all the lithium reaching the anode is able to return to the cathode. As Columbus experienced – travelling to a new place is not enough – you must also get back! The lithium loss is measured as a charge, with the SI unit Coulomb, which is why the successful avoidance of such losses is termed ‘Coulombic Efficiency’. Any lithium that does not return must be replaced from the cathode, implying extra cost and weight. Improving the ‘First Cycle Coulombic Efficiency’(FCE) was Cenate’s key objective in Coulombus. In this we have been very successful, improving the FCE to a value we believe is the best available globally. Method: Cenate has developed proprietary technology to make battery silicon from silane gas. Because we make the particles bottom-up, rather than crushing large particles, we have clear advantages making very small silicon domains, implying improved lifetime. In the Coulombus Project, Cenate has developed a completely new reactor for self-organizing micron sized particles, with significant process simplifications and a corresponding reduction in CO2 emissions compared to our previous process. Today we have two different product classes with different strengths and weaknesses. One is intended for partial mixing into a graphite anode, and being very close to commercialization. The other is intended for complete graphite replacement, but has a somewhat longer time-to-market. I all this work, we have been utilizing advanced characterization to verify that we succeed making the structures we aim for. For example, the SINTEF FIB-TEM has been essential in confirming the geometry of the nanodomains, while IFE has tested the materials in batteries before we ask customers to expend significant efforts. Throughout the project, Cenate has produced more than 400 different powders that have been battery tested. This is possible due to a highly motivated staff of specialists that have been able to take deep-dives into their respective process steps or characterization methods, and by access to tools that gradually allow bigger batches and more aoutomation. Reviewing the milestones of the Coulombus application, we see that most targets are achieved, but sometimes with solutions only partially resembling what we imagined. This flexibility in method, paired with a constant goal, has allowed creativity and new approaches. We have found explanations and solutions for one problem after the other, and ever more frequently we see that we have actually solved the problem, not just moved it around. In the language of ‘Technology Readiness Levels’(TRL, 1=idea 10=mature industry), we have many processes that have progressed at least one step, and occasionally a concept has actually matured from 1 to 7 through the project period. Results: In the Coulombus project period, Cenate has filed four patent applications, all of which have received positive feedback on Novelty and Innovative Step. The first of these was based on a new understanding of results from the DOVRE and HAST projects, and is now made public. It describes how we use a self-organizing process to form the silicon nanodomains giving maximum stabilization with minimal reduction of FCE and kinetics. The patent applications are Cenate’s main publications. We have regarded our innovative core principles as so sensitive that we have limited both information flows and collaborations, working only with a small, select group of customers. Now that the first patent application is public, we have greatly expanded our customer list, and will also start making powders available for academic collaborations. The results from Coulombus have triggered sufficient interest from European battery manufacturers to let Cenate be invited to the IPCEI collaboration, as one of four Norwegian companies. The final decision on which of these will receive Norwegian funding is not yet made. The support from the Norwegian Research Counsil has been essential for Cenate. This does not only include the support in this specific project – we have also had great benefits from results developed in previous IPN and KPN projects, as well as extensive use of Norwegian National Research Infrastructures as well as FME participation. We hope to be able to return the support through taxable income within not too many years.

Cenate har klart å lage et produkt med tilstrekkelig lovende egenskaper til at det nå tas imot til testing hos en rekke batteriprodusenter. Vi antar at produktet vil kunne tilfredsstille tekniske krav for flere markedssegmenter, men vi er avhengige av at pågående kvalifiseringsløp lykkes før vi kan ta en beslutning om bygging av storskala anlegg. Cenate har begynt oppskalering av produktet, og ønsker å ha demonstrert industri-relevant utstyr for alle produksjonstrinn innen utgangen av 2024, slik at all vesentlig skaleringsrisiko er tatt ut. Selv om det er flere konkurrenter i markedet for silisium i batterianoder, og noen av disse ligger foran Cenate i kommersialiseringstempo, ser det ut til at Cenate har en prosess med et mer verdifullt produkt for kundene og lavere kostnad, energiforbruk og CO2-fotavtrykk. Vi tror derfor at det skal være mulig å ta vesentlige markedsandeler selv om vi ikke skulle lykkes med å bli først til markedet. Cenate prosjekterer nå utbygging av pilotfabrikk på Holtskogen (i Østfold) for produksjon av mellom 200 og 400 tonn i året. Cenate har sikret seg tomt for første fullskala fabrikk i USA (nær silananlegg), men jobber samtidig for at det på lengre sikt etableres silanproduksjon i Norge/Europa slik at det blir mulig at neste Cenate-fabrikk kan plasseres i Norge. Dynatec vil kunne levere mange av reaktorene i slike fabrikker. Løsninger fra disse reaktorene kan igjen ha overføringsverdi til design av annet prosessutstyr, inkludert for norske industrikunder.

Coulombisk Effektivitet (CE) er målet på hvor mye av Litiumet i et Li-ion-batteri som kommer tilbake til start etter hver ladesyklus. Litiumet starter i katoden, normalt et NMC-materiale, og overføres under lading til anoden, som i de fleste el-bil-batterier er av grafitt. Alt litium som går tapt på overflaten i anodematerialet eller i defekter inne i anodematerialet, gir dermed en reduksjon i CE, som ofte må kompenseres med mer av det dyre katodematerialet. Silisium kan lagre 10 ganger så mye litium som samme vekt grafitt. Cenate AS lager i dag nano-silisium som testes hos verdens fremste batteriprodusenter, og som ser ut til å ha verdensledende egenskaper i form av størrelsesfordeling, syklingsstabilitet, kapasitet og kostnadsmål. Disse produsentene pakker inn Cenates materialer i agglomerater bl.a. for å redusere kontaktarealet mellom silisium og elektrolytt. Kun et fåtall bedrifter er i dag i stand til å håndtere slike materialer, og agglomeratene har fortsatt begrensninger som gjør at mengden silisium som kan brukes i hvert batteri er <10%. Cenate ønsker derfor å utvikle egne agglomerater, både for å tillate en høyere silisiumandel på grunn av et forbedret produkt, og for å nå større kundegrupper. I Coulombus-prosjektet vil Cenate utvikle agglomerater med akseptabelt lave Li-tap. Agglomeratene vil i hovedsak bestå av silisiumpulver og ulike former for karbon. I karbondelen vil det være viktig å kombinere elektrisk ledningsevne, litiumledningsevne og lavt antall litiumfeller. Cenate har identifisert to ulike spor, et kortsiktig med høyere sannsynlighet for suksess, og et mer ambisiøst, men også mer risikofylt. Ved hjelp av avansert materialkarakterisering på SINTEF (XPS, TEM, ++), og batteritesting hos IFE, vil Cenate, i samarbeid med Dynatec som utstyrsutviklere og et utvalg materialprodusenter som karbon-leverandører, utvikle materialer som på sikt skal kunne forbedre dagens el-bilbatterier med inntil 30% på vektbasis samtidig som de også blir billigere.

Funding scheme:

ENERGIX-Stort program energi