Next generation of lithium ion batteries

Li-ion-batterier er den raskest voksende batteriteknologien i verden, og dominerer markedet i både mobiltelefoner og elbiler. Hos enkelte leverandører har silisium begynt å erstatte grafitten som i dag brukes i de fleste batteriene, for å tillate kapasitetsøkninger på over 50%. Gjennom flere års arbeid på silisium-anoder for Li-ion-batterier er det blitt tydelig at det ligger store utfordringer i samspillet mellom nanostrukturen til silisiumet som benyttes og bindemiddelene som skal holde silisiumpartiklene på plass og beskytte dem mot degradering. Gjennom prosjektet var det et mål å forstå hvilke egenskaper ved silisiumet og biopolymer-baserte bindemidler som er avgjørende for at man skal klare å lage et godt batteri. En annen viktig utfordring som prosjektet ønsket å løse, var å få på plass den nødvendige forskningsmetodikken for å kunne karakterisere samspillet mellom silisium-struktur og biopolymerer på en reproduserbar måte. I Natbatt-prosjektet så har IFE, SINTEF, Borregaard og Cenate, i sammarbeid med University of Tours (Frankrike) og CEA (Frankrike) utviklet forbedrede måter å lage elektroder på, blant annet ved hjelp av forbedrede mikse-metoder og ved bruk av silketrykking av elektrodematerialet på strømsamlerne. Dette har gjort våre eksperimenter mer reproduserbare, noe som igjen har latt oss trekke ut mer sikker viten fra våre karakteriseringseksperimenter. Vi har sett på hvordan oksidlag påvirker levetiden til elektrodene, og hvordan elektrolyttadditiver forbrukes under sykling. Koblet med en forbedret metode for å lage tverrsnitt av elektroder, har vi sett hvordan ulike biopolymerer påvirker morfologien og levetiden til silisiumbaserte anoder.

Li-ion batteries are a commercially interesting battery technology, with fast market growth. Introducing Silicon is expected to be core of the next generation of Li-ion anodes, allowing higher battery capacity. Silicon expands during lithiation, leading to fast degradation, and limiting industrial use of silicon anodes. Binder modifications are a very promising path towards improved cyclability of silicon anodes. Biopolymers like CMC and alginates have been demonstrated to be promising binder candidates, with the additional benefit that they are water soluble, giving cost and HSE benefits in production. The current project focuses on the interaction between the silicon and the binder, both during the production process and during cycling. The project aims not only to test different parameter spaces, but to document the stepwise influence of the parameters, as the components traverse the production process. Silicon particle surfaces and binder functional groups influence slurry rheology. Slurry rheology influences electrode porosity and stability. Electrode porosity influences kinetics and capacity, and capacity influences cyclability. In order to differentiate direct effects of the silicon from secondary effects in later production steps, an increased understanding and characterization of the individual process steps is needed. Dynatec will, in collaboration with IFE, produce Silicon nanoparticles with different surface morphologies, surface charge and size distribution. Borregaard will provide biopolymers of a wide variety, most of which have not been reported used in the literature. IFE will use these powders to make slurries, electrodes and full batteries, and to test the batteries for kinetics, capacity and cyclability. SINTEF will provide advanced characterization of powders and electrodes and some post mortem analysis of batteries. CEA will provide competence on electrolytes and electrolyte additives, also including post mortem characterization.