Tilbake til søkeresultatene

NANO2021-Nanoteknologi og nye materiale

Bio-degradable Li-ion battery anodes

Alternativ tittel: Biologisk nedbrytbare anoder for Li-ionebatteri

Tildelt: kr 8,5 mill.

Biobatt er et prosjekt som har fokusert på utvikling av et nytt anodemateriale for Li-ion batteri. Det er et materiale som er basert på skall fra kiselalger som høstes fra havet. Anodene produseres med Na-alginat som bindemiddel. Sistnevnte utvinnes fra brunalger som også vokser i havet. Både kiselalgene og Na-alginatene er fornybare ressurser som skaper grunnlaget for utvikling av bærekraftig produksjon av nye og forbedrede råmaterialer til Li-ion batteri. Begge deler produseres i Norge. Det må også legges til at Na-alginatene er vannløselige, som gjør at dagens giftige løsemidler kan erstattes med vann. Kombinasjonen av naturlige og fornybare ressurser og vann som løsemiddel, gjør at denne nye teknologien vil være betydelig mer miljøvennlig enn dagens kommersielle løsninger. I prosjektet er det jobbet med både silica fra kiselalger, og syntetisk mikrosilica. For silica fra kiselalger, høstet direkte fra sjøen, er det utviklet enkle prosedyrer for rensing og knusing av materialet, og materialene er deretter brukt som aktivt materiale i anoder som er testet i Li-ion batteri. Disse materialene er tilnærmet ren silica, med en meget interessant mikrostruktur som sannsynligvis er gunstig for reaksjonen med lithium. På grunn av lav ledningsevne belegges partiklene med en karbon-film, og det er gjennomført en omfattende optimalisering av denne prosessen i forhold til type forløper (sukrose, glukose og stivelse), mengde karbon og varmebehandling. Det er gjort karakterisering av materialene fra kiselalger med TEM for å identifisere sekundære faser, og av begge typer silica med FTIR, XPS og Raman for å studere forskjeller i overflatekjemi og struktur. TEM har gitt verdifull informasjon om struktur og tykkelse av karbonbelegget. Det er demonstrert at elektrodene sykler stabilt, og kan nå en kapasitet på 750 mAh/g, d.v.s langt høyere enn grafitt, som har en teoretisk kapasitet på 372 mAh/g. Elektrodene er syklet både i halvcelle forsøk og i fullceller. Det er utviklet spesielle prosedyrer for pre-aktivering (elektrokjemisk) av elektrodene, som igjen gir bedre og mer stabil sykling. For fullcelle forsøk er det demonstrert stabil sykling med høy kapasitet etter pre-aktivering. I tillegg er det vist at kjemisk pre-litiering er like effektivt som elektrokjemisk pre-aktivering, og betydelig enklere å realisere. Til tross for stabil sykling og høy kapasitet, er det fortsatt utfordringer med spenningstap i elektrodene, noe som begrenser energitettheten. Dette må løses ved bedre pre-prosessering, eller forbedrede prosedyrer for pre-litiering. I prosjektets siste fase er det fokusert på fundamental karakterisering med høy-energi røntgen stråling, og det er gjennomført en målekampanje ved synkrotronanlegget Petra III i Hamburg. Disse målingene ble gjennomført både på materialene, og i spesiallagde celler under sykling. Data gir informasjon om hvilke lithium forbindelser som dannes ved elektrokjemisk sykling, og gir verdifull informasjon for videre optimalisering av elektrodene. Datasettet er fortsatt under evaluering, og vil presenteres i en publikasjon i løpet av 2021. Innenfor rammen av prosjektet er det også en aktivitet som fokuserer spesielt på «Responsible Research and Innovation» (RRI). Denne aktiviteten har et spesielt fokus på kunnskapsoverføring mellom akademia og industri på batteriområdet. Det er gjennomført en omfattende serie med intervjuer (25 totalt) av en rekke aktører innenfor både industri og forskning for å forstå bedre sammenhenger mellom innovasjon og forskning. Videre ble det gjennomført en scenario-analyse sammen med prosjektets rådgivende komite (tre deltagere fra industri og internasjonal forskning) knyttet til arbeidet i prosjektet. Samfunnsforskeren har videre tilbragt mye tid sammen med de naturvitenskapelige forskerne, for å sette seg inn i de tekniske aspektene ved arbeidet. Generelt så er dette prosjektet funnet å være et godt eksempel på forskning som ikke har store utfordringer når det gjelder etikk eller bærekraft. Dette arbeidet er oppsummert i en publikasjon som sendes i løpet av 2021. Kort oppsummert så er forskningsaktivitetene gjennomført som planlagt, og resultatene oppsummert i flere publikasjoner. 3 artikler er allerede antatt, 1 er i review, og ytterligere 3 er planlagt sendt inn i løpet av året. 3 Post doc har jobbet i prosjektet, og 5 mastergrader er gjennomført i tilknytning til tema de siste årene. Selv om forskningen ennå ikke har resultert i en kommersialiserbar prosess for denne typen materialer, er det bekreftet interesse fra norsk industri for videre arbeid. Videre forskning vil gjennomføres innenfor rammen av et såkalt «Unge forskertalenter» prosjekt, med fokus på forbedret pre-prosessering, og fundamental karakterisering av diatom frustuler, og elektroder laget av disse materialene.

I prosjektet er det gjennomført forskning for bedre å forstå, og kunne utnytte silika som anodemateriale i Li-ion batteri, med en spesiell fokus på silika fra alger. Det er utviklet prosedyrer for rensing, knusing, påføring av karbonbelegg, og materialene er karakterisert i små-skala battericeller. Det er vist at denne typen silika har høy kapasitet i forhold til lagring av litium, men at elektrodene har relativt høye spenningstap. For at materialene skal være kommersielt interessante for en batteriproduksjon, må det utvikles bedre metoder for pre-prosessering (reduksjon) av materialet.

Bio-Batt aims to develop a Li-ion battery (LIB) solution where SiO2 can be used as anode material combined with water soluble alginate binders. Nanostructures of silica have shown stable cycling capacity of up to 800 mAh/g without suffering from similar performance issues as Si. One of the most recent publications concerns the use of diatoms in combination with red algae as anode material in LIBs. Half cells were tested with a capacity of 500 mAh/g after 80 cycles. The two main issues encountered in silica anodes are the poor conductivity and high volume expansion during cycling. Morphology and composition of the silica anode will therefore be key parameters to achieve high and stable electrochemical performance. Here, diatoms which are naturally 3D nanostructured silica based materials will be investigated, in addition to microsilica from Elkem. Various pre-treatmens and conductive coatings will be investigated in order to provide higher conductivity for improved capacity and cycling rates. New water soluble binder materials will also be investigated for the electrode production. Recent investigations have shown that various alginates may be used as binder materials in LIBs. These alginate binders will be investigated with respect to chemical compatibility with the active material, electrochemical stability in the given potential window, and performance in combination with various silica materials. The project also has a goal to work towards commercialization, and thus third party verification will be performed at ETH in Zurich. The project will be executed in collaboration with the Department of Interdisciplinary Studies of Culture, which will make sure that the RRI perspective is implemented throughout the project. Common meetings and workshops will be held to ensure that RRI becomes a fully integrated part of the project.

Publikasjoner hentet fra Cristin

Ingen publikasjoner funnet

Ingen publikasjoner funnet

Budsjettformål:

NANO2021-Nanoteknologi og nye materiale