Tilbake til søkeresultatene

ENERGIX-Stort program energi

Hurtigladbare Anoder av Silisium for Transport

Alternativ tittel: High rate Anodes of Silicon for Transportation

Tildelt: kr 22,3 mill.

Prosjektleder:

Prosjektnummer:

309621

Prosjektperiode:

2020 - 2022

Midlene er mottatt fra:

Organisasjon:

HAST-prosjektet har jobbet med å lage et nytt anodemateriale for li-ion-batterier, for å erstatte grafitt som brukes i dag. Sammenliknet med grafitt, kan silisium gi en vektreduksjon på inntil en faktor 10 i anoden, 30% på batteriet som helhet. Vår hovedoppgave er å beskytte silisiumet så det overlever gjennom mange ladesykler. For å få litium raskt inn og ut av silisiumet, er det viktig at partiklene er små. Samtidig vil vi ha minst mulig overflate - der skjer degraderingen. Løsningen blir derfor å lage mange små (<100 nm) primærpartikler, og pakke dem til større komposittpartikler (>1µm). Cenate har i samarbeid med Dynatec utviklet en proprietær teknologi for å omdanne silangass til silisium nanopartikler. Fordi vi lager partiklene fra bunnen, heller enn å knuse ned større materialbiter, har vi et fortrinn når vi skal lage svært små partikler. I løpet av prosjektet har vi utviklet to nye generasjoner av silisium-reaktoren vår, for å kunne lage enda mindre partikler. For å lage de større agglomeratene har vi evaluert mange alternativer og til slutt landet på to ulike metoder. Vi har kjøpt og/eller bygget utstyr for å teste metodene, og testet en rekke ulike materialer som byggestener i agglomeratene. Underveis har vi benyttet avansert karakterisering for å se om vi har lykkes i å lage strukturene vi sikter mot. For eksempel har SINTEFs XPS og TEM vært avgjørende for å utvikle gode overflater, mens FIB-SEM har tillatt oss å se innsiden av agglomeratene våre. IFE har deretter testet materialene i batterielektroder før vi tilbyr materialer til kunder. Cenate har i løpet av prosjektperioden ansatt seks nye vitenskapelig ansatte og flere er på vei inn. Vi er blitt et mer flerkulturelt team, og tre av våre nyansatte er kvinner. Vi har et nytt laboratorium i Forskningsparken på Blindern, og pilotfabrikk og lab på Holtskogen ved Askim. Vi vokste i løpet av prosjektet ut av IFEs silanlaboratorier og etablerte vår egen infrastruktur. Dette kostet en del ressurser, men ga også noe innsparinger samt muligheter for raskere fremdrift siden vi ikke lenger måtte ta hensyn til andre prosjekter. Vi har fått hyppigere forsøk, lettere tilgang for ombygginger og rens, og en mer oversiktlig infrastruktur. COVID har forsinket oss noe, men mindre enn fryktet. Vi slet lenge med å få en nyansatt kjemiker inn i landet og fikk dermed forsinket en del ansettelser, men har stort sett ellers klart å holde laboratorier og leveranser i normal rytme. Teams-møter har tillatt tett samarbeid også med eksterne partnere gjennom hele perioden, selv om vi har fått få reiser og konferansedeltakelser. I løpet av HAST-prosjektet har Cenate sendt inn tre patentsøknader, som alle har fått positiv tilbakemelding på nyhet og patenterbarhet, men ikke er innvilget ennå. En av disse søknadene er nå publisert. Den beskriver hvordan vi kan øke krystalliseringstemperaturen i silisium ved å blande inn en liten andel (<5atom%) karbon. Amorfe partikler er er mindre brutale mot omgivelsene under sykling. Dermed kan de gi flere ladesykluser med mindre degradering - noe som er det aller viktigste for å kunne ta i bruk mer silisium i batteriene. Amorfe partikler er også lettere å litiere enn krystallinske partikler. Cellene kan da bruke mindre tid i første ladesyklus i batterifabrikken og slik sett redusere både investeringsbehov og kostnader. De to andre patentsøknadene er fremdeles hemmelige. Gitt alle begrensningene fra covid-19 har Cenate har holdt en relativt høy profil i media generelt og overfor potensielle kunder og/eller investorer spesielt. I agglomereringsarbeidet har vi nå oppskalerbare prosesser basert på to ulike prinsipper, for å redusere risiko. Vi har vist at vi kan få til den ønskede størrelsesfordelingen, og at vi kan få til en god balanse mellom økning i kapasitet og antall ladesykler. Mye innsats har også gått med på å gjøre pulver trygt for håndtering under transport og i fabrikk. En gjennomgang av milepælene i HAST-prosjektsøknaden viser at de aller fleste er utført, og vi nærmer oss raskt vårt hovedmål, som var å få et pulver godkjent for salg til en kunde i storskala. Vi har utført alle eksperimentelle milepæler, om enn med noen forsinkelser, men ligger etter i modelleringsarbeidet vi hadde planlagt å starte opp. Selv om vi ikke har fått godkjent et produkt for oppskalering, har vi nå løpende dialog og tildels langt fremskredet samarbeid med to ledende asiatiske og to europeiske batteriprodusenter, med konkrete og realistiske mål. En av verdens største batteriprodusenter kommer derfor til Askim i mai 2022 for å vurdere oppskaleringsrisikoen frem mot full masseproduksjon. Støtten fra Norges Forskningsråd, og fleksibiliteten de gangene vi har trengt å justere kursen i prosjektet, har vært helt avgjørende for disse resultatene. Vi takker for et godt samarbeid, og håper å kunne betale tilbake støtten i form av beskattbar inntekt innen relativt få år.

Resultatene fra HAST har gitt svært viktige bidrag til å øke sannsynligheten for at Cenates materialer kan erstatte grafitt i elbilbatterier og dermed bidra til at elbilene globalt blir både billigere og får lengre rekkevidde. HAST har lykkes med å etablere Cenate som en sentral samarbeidspartner for noen av verdens ledende batteriprodusenter. Vi har utviklet nye, patentsøkte, materialer som er etterspurt som byggestener i utviklingsavdelingene til flere store aktører, både asiatiske og europeiske. Resultatene fra HAST har også utløst tilstrekkelig privat og offentlig kapital til at Cenate sammen med Dynatec har kunnet bygge et pilotanlegg for demonstrasjon av storskala produksjon av primærpartikler. SINTEF og IFE har fått erfaringer med nye materialtyper og karakteriseringsutfordringer som vil styrke dem i senere prosjekter. Dynatec har videreutviklet sine reaktorer, og er i praksis sikret store leveranser hvis/når Cenate beslutter å bygge fabrikk.

HAST beskriver både bilistens ønske om hurtig lading av nok strøm, verdens behov for raske løsninger for nullutslipp i transport, og hvordan Norge må skynde seg om vi skal ta del i verdikjedene i fremtidens enorme marked for Li-ion-batterier. Et batteri består av en ende hvor litium trives - katoden - og en der det ikke trives - anoden. I dagens kommersielle batterier er det grafitt som utgjør anoden. Ved å erstatte grafitten med silisium, er det mulig å redusere batterivekten med inntil 30%. Silisium er imidlertid svært vanskelig å få til å tåle mange ladesykluser, da det både ekspanderer under lading, flytter på seg og gjør elektrolytten ustabil der den møter silisium. Løsningene for silisiumanoder i batterier bygges som en bro - ved at silisiumprodusenter bygger fra sin ende, mens batteriprodusentene bygger fra sin. Cenate har allerede utviklet verdensledende silisium nanopartikler for batteriformål. Vi har oppnådd svært høy kapasitet og har lært metoder som kan stabilisere materialene så de overlever mange sykler. Noen få batteriprodusenter har kommet så langt på sin bro-ende at vi kan møtes på midten og i fellesskap har en løsning som kan utgjøre en mindre del av dagens batterier. De fleste - og alle de europeiske - har et stykke igjen. Gjennom HAST vil Cenate pakke nanopartikler inn i flere tusen ganger større komposittpartikler. Akkurat som effektiv transport i en storby krever motorveier, småveier og parkeringsplasser prøver vi å oppnå det samme ved at elektrolytten kan bevege seg i store kanaler mellom store kompositter mens det er «småveier» for litium inne i komposittpartiklene, og der nanopartiklene utgjør parkeringsplassene for litium. Dette vil tillate høyere ladehastigheter og tykkere elektroder, og vil gjøre det enklere for fremtidige kunder å anvende materialet i eksisterende prosesslinjer. Målet er å skape unik teknologi som kan bidra til økt rekkevidde for elbilene og bygge en ny stor virksomhet basert på produksjon og salg av denne.

Budsjettformål:

ENERGIX-Stort program energi