Industrial scale silicon-carbon composites adapted to battery grade anode material

Energilagring er en flaskehals ved utvikling av nye energiformer som solcelleenergi og vindkraft. Det samme gjelder utviklingen av elektriske kjøretøy. Elektrokjemiske systemer som Li-ion batterier er en av de mest etablerte og effektive energilagringsløsninger på markedet i dag. Ytelsen på disse batteriene er i høyeste grad knyttet opp mot egenskapene til materialene som anvendes. Og ettersom kravet til bedre og billigere batterier øker, øker også behovet for utbedring av eksisterende materialer og utvikling av nye. Dagens anodemateriale er grafitt med en lagringskapasitet på i underkant av 400 mAh/g. Silisium har en teoretisk lagringskapasitet på 10x grafitt, dvs ca 4000 mAh/g. Imidlertid har silisium sine utfordringer; en kraftig ekspansjon under ladning med påfølgende sammenbrudd av anoden. En kompositt av silisium og grafitt gir lovende resultater i halvceller og i fullceller med kommersielle katoder. Det videre arbeidet er konsentrert rundt optimalisering av silisium- og grafittkvalitetene, samt ulike binder- og elektrolyttløsninger. Det har vært jobbet mye med fremstilling av silisium med ulike partikkelstørrelser og partikkelmorfologi. I tillegg er en rekke ulike silisiumlegeringer testet. Det siste året har fokus vært på fullcelletesting av de ulike kvalitetene med ulike katoder.

Prosjektet har vært essensielt for forståelsen av silisium som anodemateriale i Li-ion batterier. Forståelsen og den økte kompetansen internt og eksternt har igjen vært essensiell for optimaliseringen av Elkems battery grade silisium. Prosjektet har også dradd stor nytte av samarbeid med internasjonale batteriprodusenter og forskningsmiljøer innen Li-ion batterier. Resultater fra prosjektet har vært presentert ved flere internasjonale konferanser; som poster og som foredrag. En velfungerende silisiumbasert anode i Li-ion batterier vil bidra til økning av batteriets lagringskapasitet.

A composite of silicon and carbon as anode material in Li-ion batteries is accepted as one of the most promising short term routes towards higher battery capacities. Elkem is a world leading producer of silicon with a low carbon emission footprint. Together with IFE and Sintef they want to develop an environmentally friendly, high capacity anode for Li-ion batteries. Varta Microbatteries will contribute with verification that the anode material is compatible with industrial processes and demands. Battery silicon is a main strategic research area for IFE, with several ongoing projects. The project aims to establish Elkem as a vendor of silicon for the battery industry. Through the BiA IPN SiNode, Elkem, in collaboration with IFE and SINTEF, has demonstrated that the material shows good cyclability in half cells, but that Li trapping mechanisms related to excessive surface electrolyte interface (SEI) formation are still observed. The SiCAnode project aims to reduce these mechanisms to a level where a full cell, not just half cell, can be cycled for >2000 cycles. The extreme expansion of silicon, as well as the unstable SEI formed on the silicon surface has proven to make cycling of the silicon extremely challenging. Three main approaches will be followed to reduce these problems. First, the right choices of electrolyte additives and binders have been demonstrated to have good effects on cyclability. Second, carbon composites can partially buffer the expansion and protect surfaces. Third, using alloys or suboxides rather than pure Si can stabilize the particles, giving less expansion and more stable SEI. The project will include industrial material synthesis and characterization methods, electrode slurry mixing and deposition as well as electrochemical testing, in order to find an optimal recipe for the use of Elkem silicon in a Li-ion battery.