SUSTBATT prosjektet har, med utgangspunkt i behovet for miljøvennlige anoder med høy ytelse for neste generasjon Li-ion batteri, undersøkt muligheten for å bruke nanostrukturert silika (SiO2) fra industrielt kultiverte kiselalger som bærekraftig råmateriale for syntese av SiOx (0=x=2). Såvidt vi kjenner til, er dette ikke gjort tidligere. I dette prosjektet ble en magnesiotermisk reduksjonsprosess utviklet for produksjon av SiOx fra nanostrukturert SiO2 i form av kiselalger, der den opprinnelige morfologien og den hierarktiske strukturen til materialet er bevart, samtidig som vi er i stand til å kontrollere oksygeninnholdet (x i SiOx).
Kiselalgene ble kultivert i homogene batcher, og de resulterende silika skallene (såkalt biosilika) ble prosessert videre via en magnesiotermisk rute, uten bruk av HF-løsninger. NaCl ble tilsatt for bedre temperaturkontroll og reproduserbarhet, noe som er viktig med tanke på senere oppskalering. Materialenes struktur og elektrokjemiske egenskaper ble karakterisert, kombinert med avanserte teknikker som synkrotron-baserte teknikker (in-situ røntgen diffraksjon, xps), for å bestemme hvordan oksygeninnhold og nanostruktur påvirker de elektrokjemiske egenskapene. Kompositt elektroder ble fabrikert, der syntetisert SiOx materiale ble integrert i elektroder med grafitt i forholdene 95:5 og 90:10, som er typiske industrielt relevante sammensetninger. Effekten av elektrolyttens sammensetning på dannelsen av overflatesjikt på anoden, såkalte SEI sjikt (solid electrolyte interphase) ble studert, i tillegg til ulike strategier for prelitiering, for å hindre tap av kapasitet i de innledende ladesyklene. Elektrodene ble verifisert i industrielt relevante celler laget hos firmaet LiFeSize, der komposittanodene med grafitt og SiOx med ulikt oksygeninnhold ble systematisk testet sammen med katoder av LiFePO4 (LFP).
Kort oppsummert så har SUSTBATT prosjektet vist at SiOx kan lages fra silika fra kiselalger, som igjen er et bærekraftig og skalerbart råmateriale for anoder for Li-ion batteri. Prosjektet har vist at komposittanoder, laget ved innblanding av SiOx i grafittanoder, representerer en praktisk gjennomførbar løsning for tillaging av anoder som er mekanisk og elektrokjemisk stabile, samtidig som batteriene oppnår en noe høyere energitetthet. Testing i indsutrielt relevante battericeller hos firmaet LiFeSize bekrefter at dette er en mulig, skalerbar løsning. Prosjektet har vist at optimalisering av den magnesiotermiske reduksjonsprosessen, kombinert med tilsats av NaCl for å stabilisere temperaturen, samt fjerning av urenheter, gir grunnlag for å utvikle en industriell prosess for storskala produksjon av SiOx fra biobaserte råvarer, som videre kan benyttes industrielt relevante komposittanoder for Li-ion batteri
The SUSTBATT project set out to develop scalable and sustainable high-capacity anodes for LIBs by exploiting the nanostructured silica shells of industrially cultivated diatom microalgae as feedstock for the synthesis of SiOx (0=x=2). Over the full project duration, the consortium successfully advanced from diatom cultivation and SiOx synthesis to the fabrication and testing of prototype full-cells, combining fundamental studies with demonstrations of industrial relevance
Main outcomes of the project is listed below:
o Different diatom species were evaluated, and their silica structures were screened to identify the most suitable morphology for electrochemical applications. Published results confirmed that species-dependent nanostructures influence electrode performance.
o Optimized, scaleable protocols for magnesiothermic reduction to control oxygen content and preserve the nanostructure of the diatom shells were developed. Detailed structural and chemical characterization confirmed the preservation of morphology and tunability of oxygen content.
o SiOx materials were successfully integrated into composite anodes with Gr. Half-cell tests revealed that oxygen content is a critical parameter: higher oxygen fractions stabilized cycling but reduced reversible capacity, while lower oxygen fractions increased capacity at the expense of stability. The addition of 5–10% SiOx to Gr electrodes led to higher energy density compared to pure Gr, while maintaining mechanical integrity.
o NTNU produced SiOx in batches ranging from 200 mg to 7 g. LiFeSiZE fabricated and tested Gr–SiOx composite electrodes and assembled prototype full-cells using LFP cathodes, representing prototypes of industrial relevance. Benchmarking included pure Gr anodes and Gr–SiO2 anodes as baselines. Importantly, reactions between SiOx and water-based slurries were identified during electrode processing, and strategies were developed to overcome this issue.
o Advanced synchrotron characterization campaigns provided unique insights into both synthesis and operation.
Overall, the project demonstrated that diatom microalgae are a viable source for next generation SiOx based Li-ion anode material. A scaleable route for the processing to SiOx was developed, and the performance of the materials was verified in industrially relevant battery cells at small scale
Li-ion batteries (LIBs) can bridge renewable energy sources to power demand and are therefore crucial in achieving energy sustainability. However, the magnitude of the forthcoming market demand for LIBs along with the need for a climate neutral economy means that a sustainable supply of battery raw materials becomes strategically essential. Apart from lithium, there is one material that is a fundamental part of all LIBs: graphite, which is the primary component of LIBs anodes. Graphite exhibits a storage capacity of 372 mAhg-1, which is insufficient for next-generation LIBs. Even more concerning, it has been listed as a critical raw material.
SUSTBATT aims to develop scalable high-performance anodes for LIBs from affordable, non-toxic and naturally abundant sources. These constitute an essential prerequisite for reaching true energy sustainability.
Recent reports have demonstrated the feasibility of using naturally abundant nanostructured diatom frustules, the major natural source of SiO2, for fabricating LIBs anodes. A landmark of 840 mAhg-1 stable storage capacity after 100 cycles at 100 mAg-1 was achieved by using SiO2 from diatom feedstocks, and a superior landmark of 1100 mAhg-1 at 700 mAg-1 (though with poorer cycling stability) was reached using diatom-derived Si anodes. These findings provoke the need to explore diatom-derived SiOx (0=x=2) structures.
The joint competence of the SUSTBATT Consortium will enable the development of scalable and sustainable SiOx anodes that can out-perform current state-of-the-art negative electrodes, paving the way for the innovative integration of natural feedstock into industrial battery production schemes.
