Sodium ion batteries for stationary applications in challenging environment

SIBERA er et forskerprosjekt for unge talenter som skal utvikle og demonstrere Natrium ion batterier (SIB) som ikke inneholder grunnstoffet Fluor. Batteriene blir skreddersydd til å fungere i utfordrende klima. Energiforbruk vokser kontinuerlig i disse dager og lagring av produsert energi er et overordnet mål. Oppladbare batterier er en av de muliggjørende teknologiene for stasjonær energilagring. SIBer er rimelig lik som Litium ion batterier som er brukt i mange anvendelser, bortsett fra at natrium inngår de elektrokjemiske reaksjonene i stedet for litium. Den store fordelen er at det finnes mye mer Natrium i verden, og dette senker kostnader og man unngår forsyningsproblemer grunnet geopolitiske konflikter. Dette gjør SIB til en attraktiv teknologi for stasjonære anvendelser. Prosjektet SIBERIA kommer å fremstille nye elektrolytter som fungerer over et stort temperaturområde fra veldig lave temperaturer (-20°C) til moderat høye temperaturer (+60°C). Dette muliggjør bruk i nordiske klima uten behov for termisk styring og en rimelig teknologi for energilagring tilpasset kalde omgivelser. Prosjektet vil utvikle nye fluorfrie salter i samsvar med det overordnete målet om å redusere bruk av “evigvarende kjemikalier”. Senere i prosjektet vil fundamentale undersøkelser av disse elektrolyttenes kompatibilitet med miljøvennlige, kommersielt tilgjengelige aktive materialer bli utført. Dette vil veilede dannelsen av stabile grenseflater på elektrodeoverflatene, som igjen gir stabil ytelse over lang tid. Prosjektet vil konkludere med pilotskala produksjon av fluorfrie SIBer og demonstrere bruk av disse under nordiske driftsforhold.

SIBERIA intends to develop completely fluorine free Na-ion batteries utilising benign iron based Prussian Blue Analogues (PBAs) as an alternative battery technology for stationary storage. Central to the concept is that good performance at low temperatures can minimise or even eliminate the need for active thermal management. Combined with aqueous processing and fluorine-free constituents, this minimises the environmental impact at all lifecycle stages. The project will initially screen PBAs from different suppliers, determine their suitability for aqueous processing and adapt recipes to suit. Concurrently anode materials based on hard carbon and titania will be evaluated similarly. Binders such as CMC and PAA will be applied in place of PVDF. As some components (especially PBAs) have a strong affinity for water, a key goal is to develop processes which enable cell assembly in a conventional dry room rather than a glovebox environment. The core of the project is the development of entirely novel electrolytes based on mixtures of different solvent classes (such as nitriles, ethers, esters, carbonates) with fluorine-free weakly coordinating sodium salts such as carboxyl diacid chelates of phosphorus or boron centres, and cyano substituted Hückel anions based on imidazole moieties. These salts will in large part be synthesised within the project, owing to their commercial non-availability. The electrolytes thus developed will be comprehensively assessed for their electrochemical performance and compatibility with the chosen electrode chemistries not only at room temperature, but also at sub ambient temperatures down to -20 °C. The project will conclude with demonstration and full characterisation of long cycle life cells operating according to charge discharge profiles appropriate to stationary storage applications in Nordic type environments, and the efficacy of the concept will be determined via an LCA performed alongside the experimental work.