COULOMBUS: Silisiumanoder med høy Coulombisk effektivitet for neste generasjon Li-ion-batterier

Formål: Coulombus-prosjektet har jobbet videre med Cenates hovedmål: å lage et nytt anodemateriale for li-ion-batterier. Den høyeste energitettheten får man ved å la litiumet være rent Litium-metall på anoden men dette kan gi kortslutninger inni batteriet, med risiko for brann. I dag brukes derfor grafitt i anoden. 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 at vektreduksjonen på anoden skal oversettes til en vektreduksjon i batteriet som helhet er man avhengig av at alt litiumet som når anoden også klarer å vende tilbake til katoden. Som Columbus erfarte – det viktige er ikke bare å komme frem, men også å komme tilbake. Litiumtapet i anoden måles i ladning, og SI-enheten for ladning er Coulomb. I batteriforskningen omtales derfor evnen til å unngå litiumtap som ‘Coulombisk effektivitet’, og tapene i første syklus som ‘First Cycle Coulombic Efficiency’ (FCE). Alt litium som ikke kommer tilbake betyr at katoden (med nikkel og kobolt) må bli større, og hele gevinsten er tapt igjen. I løpet av prosjektperioden har Cenate forbedret FCE i våre pulvere til et nivå som, så vidt vi vet, er det beste på markedet. Metode: Cenate har utviklet en proprietær teknologi for å omdanne silangass til silisium nanopartikler, eller til mikrometerstore partikler med silisium nanodomener. Fordi vi lager partiklene fra bunnen, heller enn å knuse ned større materialbiter, har vi et fortrinn når vi skal lage svært små domener, noe som igjen oversettes til lengre levetid. I løpet av prosjektet har vi utviklet en helt ny reaktor for selvorganiserende partikler, som gir vesentlige prosessforenklinger og redusert CO2-avtrykk sammenliknet med metodene vi brukte før. Vi har i dag to ulike produktklasser med ulike styrker og svakheter. Den ene er beregnet for innblanding i en grafittanode, og er svært nær kommersialisering, den andre er tenkt å kunne erstatte grafitten fullstendig, men har noe lengre vei til markedet. I alt arbeidet har vi benyttet avansert karakterisering for å se om vi har lykkes i å lage strukturene vi sikter mot. For eksempel har SINTEFs FIB-TEM har vært avgjørende for å undersøke at nanodomenene har riktig geometri, mens IFE har testet materialene i batterielektroder før vi tilbyr materialer til kunder. Cenate har i løpet av prosjektperioden produsert over 400 ulike pulvere som har vært testet i batterier. Dette har blitt mulig ved å ha en svært engasjert gjeng spesialister som har kunnet fordype seg i sine ulike prosesstrinn eller karakteriseringsmetoder, og ved at de har hatt redskaper som stadig tillater større batcher og mer automatisering. En gjennomgang av milepælene i Coulombus-prosjektsøknaden viser at de aller fleste er utført, men løsningen ser ofte noe annerledes ut enn vi så for oss. Denne fleksibiliteten i metoder, mot et stabilt mål som vi skjønner stadig bedre, har gitt rom for kreativitet og nytenkning. Vi har funnet forklaringer og løsninger på ett problem etter det andre, og stadig oftere er det slik at problemet faktisk blir løst – ikke bare flytter seg. I TRL-språk (Technology Readyness Level, 1=idé 10=moden industri) kan man si at en rekke prosesstrinn har gått minst ett hakk oppover TRL-stigen, i ett tilfelle har en ny prosess gått fra TRL 1 til TRL 7 i løpet av prosjektet. Resultater: I løpet av Coulombus-prosjektet har Cenate sendt inn fire patentsøknader, som alle har fått positiv tilbakemelding på nyhet og patenterbarhet, men ikke er innvilget ennå. Den første av disse søknadene var basert på ny forståelse av resultater fra DOVRE-prosjektet, og er nå publisert. Den beskriver hvordan vi gjennom en selvorganiserende prosess klarer å skape en nanostruktur i partiklene våre som gir maksimal stabilisering, med minimal reduksjon av FCE og kinetikk-egenskaper. Patentsøknadene er Cenates viktigste publikasjoner. Vi har ansett kjerneprinsippene i produktene våre som så verdifulle at vi ikke har tillatt oss å si mye, og vi har bare samarbeidet med noen få, nøye utvalgte kunder. Nå som det første produktpatentet i denne produktklassen er publisert, har vi tillatt oss å massivt øke antall kunder som får teste pulveret, og vil også i større grad gjøre pulvere tilgjengelige for forskningspartnere. Resultatene fra Coulombus har utløst nok interesse fra Europeiske batteriprodusenter til at Cenate er invitert inn i IPCEI-samarbeidet som en av fire norske bedrifter – endelig avgjørelse om hvem Norge ønsker å finansiere er ennå ikke tatt. Støtten fra Norges Forskningsråd har vært helt avgjørende for resultatene. Da mener vi ikke bare den direkte støtten som utløser prosjektinnsatsen, men vi har også fått utbytte av verktøy utviklet i tidligere IPN- eller KPN-prosjekter, samt nasjonal forskningsinfrastruktur og FME-deltakelse. Vi takker for et godt samarbeid, og håper å kunne betale tilbake støtten i form av beskattbar inntekt innen få år.

Cenate har klart å lage et produkt med tilstrekkelig lovende egenskaper til at det nå tas imot til testing hos en rekke batteriprodusenter. Vi antar at produktet vil kunne tilfredsstille tekniske krav for flere markedssegmenter, men vi er avhengige av at pågående kvalifiseringsløp lykkes før vi kan ta en beslutning om bygging av storskala anlegg. Cenate har begynt oppskalering av produktet, og ønsker å ha demonstrert industri-relevant utstyr for alle produksjonstrinn innen utgangen av 2024, slik at all vesentlig skaleringsrisiko er tatt ut. Selv om det er flere konkurrenter i markedet for silisium i batterianoder, og noen av disse ligger foran Cenate i kommersialiseringstempo, ser det ut til at Cenate har en prosess med et mer verdifullt produkt for kundene og lavere kostnad, energiforbruk og CO2-fotavtrykk. Vi tror derfor at det skal være mulig å ta vesentlige markedsandeler selv om vi ikke skulle lykkes med å bli først til markedet. Cenate prosjekterer nå utbygging av pilotfabrikk på Holtskogen (i Østfold) for produksjon av mellom 200 og 400 tonn i året. Cenate har sikret seg tomt for første fullskala fabrikk i USA (nær silananlegg), men jobber samtidig for at det på lengre sikt etableres silanproduksjon i Norge/Europa slik at det blir mulig at neste Cenate-fabrikk kan plasseres i Norge. Dynatec vil kunne levere mange av reaktorene i slike fabrikker. Løsninger fra disse reaktorene kan igjen ha overføringsverdi til design av annet prosessutstyr, inkludert for norske industrikunder.

Coulombisk Effektivitet (CE) er målet på hvor mye av Litiumet i et Li-ion-batteri som kommer tilbake til start etter hver ladesyklus. Litiumet starter i katoden, normalt et NMC-materiale, og overføres under lading til anoden, som i de fleste el-bil-batterier er av grafitt. Alt litium som går tapt på overflaten i anodematerialet eller i defekter inne i anodematerialet, gir dermed en reduksjon i CE, som ofte må kompenseres med mer av det dyre katodematerialet. Silisium kan lagre 10 ganger så mye litium som samme vekt grafitt. Cenate AS lager i dag nano-silisium som testes hos verdens fremste batteriprodusenter, og som ser ut til å ha verdensledende egenskaper i form av størrelsesfordeling, syklingsstabilitet, kapasitet og kostnadsmål. Disse produsentene pakker inn Cenates materialer i agglomerater bl.a. for å redusere kontaktarealet mellom silisium og elektrolytt. Kun et fåtall bedrifter er i dag i stand til å håndtere slike materialer, og agglomeratene har fortsatt begrensninger som gjør at mengden silisium som kan brukes i hvert batteri er <10%. Cenate ønsker derfor å utvikle egne agglomerater, både for å tillate en høyere silisiumandel på grunn av et forbedret produkt, og for å nå større kundegrupper. I Coulombus-prosjektet vil Cenate utvikle agglomerater med akseptabelt lave Li-tap. Agglomeratene vil i hovedsak bestå av silisiumpulver og ulike former for karbon. I karbondelen vil det være viktig å kombinere elektrisk ledningsevne, litiumledningsevne og lavt antall litiumfeller. Cenate har identifisert to ulike spor, et kortsiktig med høyere sannsynlighet for suksess, og et mer ambisiøst, men også mer risikofylt. Ved hjelp av avansert materialkarakterisering på SINTEF (XPS, TEM, ++), og batteritesting hos IFE, vil Cenate, i samarbeid med Dynatec som utstyrsutviklere og et utvalg materialprodusenter som karbon-leverandører, utvikle materialer som på sikt skal kunne forbedre dagens el-bilbatterier med inntil 30% på vektbasis samtidig som de også blir billigere.