Silicon on the road - how to make silicon-based anodes for Li-ion batteries

For å gå over til mer bruk av fornybar energi er vi avhengige av tilgjengeligheten av billige og pålitelige energilagringsløsninger. Her er oppladbare batterier i en særstilling når det gjelder utbredelse og brukervennlighet. Blant disse så gir Li-ion-batteriene ikke bare den høyeste energitettheten, men viser også langsiktig holdbarhet og høy effektivitet. Men, i flere tilfeller, så har de typiske materialene som i dag benyttes i Li-ion batterier dessverre ikke gode nok egenskaper. Vi jobber derfor med å finne nye materialer som skal gjøre batteriene så gode at de kan bidra i å utkonkurrere bensin og diesel som foretrukket drivstoff for biler. Ett veldig lovende materiale, som vi i Norge er verdensledende i å utvinne og lage, er silisium. Silisium kan brukes i batterianoden som erstatning for grafitt. Og er potensielt 10 ganger bedre! Problemet er at silisium kan lagre så mye litium at det vokser til fire ganger sin opprinnelige størrelse. I tillegg reagerer det lett med elektrolyttene som vanligvis brukes i batterier. I dette prosjektet jobbet vi med å forbedre silisium-materialene slik at elektrodene vi lager vil tåle både at silisiumet vokser og beskytter det mot elektrolytten. Vi har benyttet oss av nye avanserte metoder både for å lage beskyttende lag på silisiumet og til å karakterisere batteriene. En metode som gir veldig god kontroll og spillerom for å lage beskyttelseslag er «atomic layer deposition» (ALD). For å se hvordan metoden best kan utnyttes og utvikle metoder for videre karakterisering av beskyttelseslaget, så har vi brukt ALD til å deponere bl.a. titandioksid på tynnfilmer av silisium. Disse har vi så karakterisert ved hjelp av fotoelektron-spektroskopi, en teknikk som gir oss detaljert informasjon om hvilke atomer laget består av og hvordan disse er bundet til andre atomer. Vi har også testet hvordan våre nye elektroder virker i batterier. Evaluering av dette har nå gitt oss den nødvendige kunnskapen og vi har forsøkt mer innovative beskyttelseslag som i tillegg til å stabilisere elektrolyttdegraderingsmekanismer, også er fleksible slik at de ikke ødelegges når silisium-partiklene ekspanderer. Foreløpige resultater er lovende, men ikke 100% entydige. Et annet tema vi har jobbet med som vil bli veldig viktig framover for Norge hvis vi ønsker å være en batteriprodusent i fremtiden, er hvordan vi best får laget strukturen til elektrodene slik at den er optimal for materialer som ekspanderer når de tar opp litium.

- Økt kompetanse på overflatebehandling av silisium til bruk i Li-ion batterianoder - Nye dataanalyse- og bildebehandlingsverktøy for å analysere elektroder - Forsterket samarbeid med internasjonale forskningspartnere - Forsterket samarbeid mellom norske forskningspartnere

Silicon has the potential of dramatically increasing the volumetric and gravimetric energy density of lithium ion anodes. However, due to several degradation mechanisms involved during lithiation and delithiation of silicon, silicon is typically used only as an additive (typically less than 5 wt.%) in commercial anodes. This project proposal is a competence building project focusing on developing the missing skillsets, characterisation tools and competence for enabling a proper introduction of silicon-based anodes in Li-ion batteries. The project builds on extensive silicon anode based Li-ion battery research and knowledge of the research partners, and aims to offer an arena where commercial companies trying to contribute to battery manufacturing can share pre-competitive knowledge This project aims to address several topics that have been insufficiently covered before, primarily related to lithium and electron kinetics, electrode morphology, as well as new questions based on observations in the previous projects, primarily regarding silicon deformation and surface morphology. Combining the competences of UiO, IFE and Sintef, radical new ideas related to pre-formed SEI will also be tested. In order for silicon anodes to be commercially viable, it is vital to investigate methods for partial or complete prelithiation of anodes. In the long term, silicon anodes are also relevant for Lithium Sulphur cells, so the project will include work building competence in how we can develop silicon anodes for these cell types as well.