Materialteknologi

IFEs batteriforskere har knekt batteri-kode: Kan revolusjonere rekkevidde og levetid

Batteriforskere ved Institutt for energiteknikk (IFE) har løst en utfordring forskere over hele verden sliter med. Det åpner for langt bedre batterier med høyere kapasitet, uten at det går ut over levetiden.
IFEs batteriforskere har knekt batteri-kode: Kan revolusjonere rekkevidde og levetid
Kontakt

Holt, Arve

Forskningsdirektør

 

– Du kan si at vi har funnet x-faktoren vi har lett etter. Dette har et helt enormt potensial og er noe forskere over hele verden forsøker å få til, sier forskningsdirektør Arve Holt.

Forskningsresultatene viser at man med den nye IFE-utviklede teknologien kan oppnå tre til fem ganger så høy ladekapasitet i den negative elektroden (anoden) som med dagens vanlige grafitt-teknologi. Sammen med utviklingen man ser i andre deler av batteriet kan det i fremtiden bety mobiltelefoner som ikke trenger å lades på dagevis, eller elbiler med 1000 km rekkevidde.

IFE er nå i første omgang klare til å ta forskningen ut i markedet og jobber med å patentere teknologien. Instituttet skal parallelt jobbe sammen med flere norske og internasjonale selskaper for å teste det nye batterimaterialet grundig.

– Vi har testet at det fungerer i lab-skala med gode resultater. Nå som vi har fått støtte av Forskningsrådet i FORNY2020-programmet skal vi teste det videre sammen med internasjonale industripartnere og se om det fungerer i deres industrielle prosesser. Prosjektet som skal sette fokus på å bringe det nye materialet til markedet har vi kalt SiliconX, og det blir svært spennende å få jobbe mot så store mål sammen med Kjeller Innovasjon, sier Marte O. Skare, som er en av forskerne i prosjektet.

Silisiumkoden

Det er rundt 20 forskere som jobber med silisiumrelatert forskning ved IFEs sektor for energi- og miljøteknologi. Koden de nå har knekt, er noe forskere over hele verden jobber intenst med å løse.

Målet er å sørge for at silisium kan erstatte grafitt og fungere stabilt (se mer nederst) i den negative elektroden (anoden) i litiumionebatterier (Li-ion). Dette er batteriene som brukes i elbiler, mobiltelefoner, nettbrett, bærbare PCer og det meste annet vi omgir oss med av teknologi i hverdagen. Å lykkes med å bruke silisium i disse batteriene vil altså gi langt bedre kapasitet. Teoretisk sett har silisium 10 ganger så høy kapasitet som grafitt, men til nå har problemet vært at silisiumet sprekker opp og ødelegges når det lades opp og ut igjen.

Gjennombruddet ved IFE er at de langt på vei har lyktes med å få silisium til å fungere stabilt som anodemateriale. Dette er et resultat av flere års målrettet forskning og eksperimentelle forsøk med nanopartikler, av blant annet silisium, i IFEs laboratorier på Kjeller.

– Inne i de nye nanopartiklene er det en finfordelt blanding av silisium og et annet materiale som vi gjerne kaller matrisen. Denne matrisen skal hjelpe silisium med å tåle den store volumendringen det går gjennom når det lades og utlades, sier Asbjørn Ulvestad, som er forsker og leder av IFEs forskningsinnsats i SiliconX-prosjektet og en av oppfinnerne bak den unike teknologien.

Planen er nå, i samarbeid med Kjeller Innovasjon, å undersøke hvilke forretningsmodeller som kan være aktuelle, samtidig som de videreutvikler materialet «in-house» på Kjeller. I tillegg jobbes det altså med å patentere teknologien og teste den videre.

Mer om utfordringen

Teoretisk sett har silisium et stort potensial som anodemateriale, med 10 ganger så høy kapasitet som grafitt, som er dagens kommersielle materiale. Problemet er at silisiumpartiklene ekspanderer med opp til 400 % under lading, og trekker seg tilbake under utlading. Dette tåler partiklene dårlig, og etter gjentatte utvidelser sprekker partiklene. Se illustrasjon i figuren under, med testresultater fra batterier med rent silisium i anoden (øverste kurve). IFE mener altså nå å langt på vei ha lyktes med å få silisium til å fungere stabilt som anodemateriale.

Med metoden som er utviklet får man økt stabilitet i bytte mot noe av kapasiteten til silisium. Siden denne er så enormt høy til å begynne med ender man likevel opp med et materiale med 3-5 ganger høyere kapasitet enn grafitten som brukes i dagens batterier.

Graf tester SiliconXFigur over: Den øverste, sorte grafen viser utviklingen av kapasitet for rent silisium i anoden, som har høy kapasitet i starten, men avtar raskt. Turkis graf i midten viser testresultater fra et batteri med anodematerialet som IFE har utviklet. Den nederste grafen i sort viser kapasiteten til kommersielt tilgjengelige anodematerialer.

Fakta

  • Prosjektet SiliconX er et verifiseringsprosjekt, og har fått støtte av Norges forskningsråd gjennom FORNY2020 programmet.
  • Den IFE-utviklede teknologien gjør det mulig å bruke silisium som anodemateriale.
  • Resultatene viser at man kan oppnå tre til fem ganger så høy ladekapasitet som konvensjonelle alternativer.
  • Prosjektet har en verdi på 5 millioner, over 2 år. Summen fordeles på IFE og Kjeller Innovasjon som bistår i kommersialiseringen.
  • Parallelt med dette prosjektet jobber forskere fra IFE med et annet forskningsprosjekt på samme anodemateriale, støttet av Norges forskningsråd gjennom EnergiX-programmet med 11 millioner kroner.

Fakta om Kjeller Innovasjon:

  • Kjeller Innovasjon er et av Norges ledende innovasjonsselskap. Sammen med 15 FoU-miljøer og næringslivspartnere utvikler Kjeller Innovasjon ideer og forskningsresultater kommersielt. Målet er å utvikle selskaper som kan bidra med teknologier og løsninger samfunnet har behov for.
  • Kjeller Innovasjon jobber innen områdene, energi, miljø, samfunnssikkerhet og bioøkonomi.
  • Kjeller Innovasjon har hovedkontor i forskningsparken på Kjeller, samt kontorer i Ås og Oslo.
  • Les mer på nettsiden http://www.kjellerinnovasjon.no/

2018-07-12