Silicon alloys for improved lithium-ion batteries

Batteriforskere og -produsenter er hele tiden på jakt etter nye materialer som kan øke mengden energi som kan lagres i batteriene. For hvert steg man kommer i utviklingen åpner nye dører seg for stadig mer krevende bruksområder. Gevinsten kan dermed bli stor for dem ligger helt i teten av utviklingen, og som klarer å ta det steget som åpner for bruk av batterier i nye og voksende markeder. I SAIL-prosjektet jobber vi med et materiale som kan sette IFE i en slik posisjon. IFEs batterisatsing fokuserer på utvikling av silisium som materiale i den negative elektroden i litium-ionebatterier. Silisium kan nemlig lagre opptil ti ganger så mye strøm som det materialet som brukes i den negative elektroden i dag - grafitt. Batteriforskere er enige om at silisium vil være en del av fremtidens batterier, og noen produsenter har allerede begynt å bruke et par prosent silisium blandet med grafittelektroden. Dessverre oppstår det en del problemer når man fyller silisium med så mange litium-ioner, og resultatet er at materialet sprekker opp og blir ødelagt. På IFE har vi utviklet et nytt silisium-basert materiale som har som mål å løse dette problemet, nemlig amorft silisiumrikt silisium-nitrid (SiNx). Dette materialet har tidligere blitt testet i tynnfilm-elektroder, hvor det har gitt veldig lovende resultater. I SAIL fortsatte vi utviklingen av dette materialet mot mer kommersielt relevante partikkelbaserte elektroder. I dette prosjektet har nanopartikler av SiNx blitt produsert i en reaktor på IFE, og batterier med disse materialene er blitt laget og testet. Vi er i stand til å produsere SiNx kontrollerbart og reproduserbart og vi har nå en god oversikt over hvordan «x» påvirker batteriene, noe som gjør oss i stand til å finne den mest gunstige støkiometrien for en gitt applikasjon. De produserte partiklene viser veldig lite degradering sammenlignet med rene silisiumpartikler. For å forstå bedre hvorfor dette materialet fungerer så godt har vi jobbet mye med karakterisering av elektrodene og batteriene, for å forbedre både levetid og energimengden. Universitetene som er med i SAIL prosjektet gir oss tilgang til uvurderlig innsikt i aldring av materialet ned på partikkelnivå ved hjelp av avansert elektronmikroskopi. Resultatene av dette arbeidet er veldig lovende, og viser at den gode ytelsen dette materiale hadde i tynnfilm-elektrodene også er til stede i kommersielle elektroder. Resultater fra SAIL har blitt presentert ved flere store konferanser og publisert i flere vitenskapelige artikler. IFE har fått mye oppmerksomhet rundt SiNx materialet, både fra interessenter i næringslivet og i nasjonale og internasjonale medier. Utviklingen av SiNx materialet vil fortsette i flere nystartede KPN-prosjekter, og arbeid med oppskalering og kommersialisering er allerede i gang gjennom Forny2020-prosjektet SiliconX.

De viktigste virkningene og effektene knyttet til SAIL prosjektet er forståelse av SiNx-materialet som et mulig anodematerial til lithium-ionebatteriet. Dette arbeidet har blitt oppsummert i flertallige vitenskapelige publikasjoner og patenter. I tillegg fikk både materialet og prosjektet internasjonal oppmerksomhet for potensialet til det nye anodematerialet som har blitt fremstilt av IFE. Forskningsprosjektet har banet vei for videre oppskalering og kommersialisering av materialet, noe som har blitt videreført i andre prosjekter knyttet til SAIL.

This project aims to develop new advanced silicon alloys for high-capacity and long-lifetime lithium-ion batteries (LIB). Using strategic funding, and based on learnings from previous silicon battery projects, IFE has developed a new silicon alloy which shows very promising behavior in initial testing. The material combines a high and tunable capacity with excellent cycling stability, and can be produced with a mass-production compatible method. The material's full potential is not yet revealed, and this project is to dive into the fundamental questions, creating a scientific foundation for future development. Topics such as understanding the mechanism of operation, finding the optimal stoichiometry, expansion on lithiation, and methods for prelithiation will be investigated. Silicon alloy nanopowders will be produced in the IFE silicon production laboratory, where optimal composition, size distribution and yield can be controlled. The powders will be processed into battery electrodes at the battery laboratories at IFE, using methods and know-how developed from years of experience from other silicon anode projects. Performance will be characterized through electrochemical testing, including a detailed study of kinetics and loss mechanisms. An important focus of this project will be the characterization of the newly produced material and investigation of the morphology and composition through advanced electron microscopy. Post cycling characterization together with advanced in-situ characterization, conducted together with the partners at the University of Oslo and the University of Cambridge, will provide further understanding of the conversion reaction of the silicon alloy and identify the dominant degradation mechanisms. By enabling better batteries with higher capacity and longer lifetime, it is expected that the impact of the project will support the energy transition in the Norwegian economy, and fuel the global mission for reduction of climate gas emissions.