Denne artikkelen er produsert og finansiert av Sintef - les mer.
Forskerne snudde hver stein. Resultatet ble et helt nytt og intelligent elbilbatteri
– Vi har utviklet en type selvbeskyttende batterier som både har høy ytelse og bruker færre kritiske råmaterialer. Det er godt nytt for europeisk selvforsyning, sier forsker.
Her måler forsker Frode Håskjold Fagerli tykkelsen på katodelaget som er utviklet som del av et prosjekt ved SINTEF Battery lab.(Foto: Thor Nielsen / SINTEF)
Et batteri er ikke bare et batteri. Hvor de produseres og av hva er helt avgjørende for miljøet, kostnader og kvalitet.
– Batterier er avhengige av en rekke råmaterialer som ofte er lite tilgjengelige. I tillegg utvinnes og produseres de i stor grad i politisk ustabile og uforutsigbare deler av verden.
Det sier forsker og prosjektleder Nils Peter Wagner i SINTEF.
Inntil nylig har mesteparten av battericelle-produksjonen foregått i Asia. Der produseres mer enn 95 prosent av litium-ion-celler. Nå jobbes det med å gjøre Europa mer selvforsynt.
Etter en fire år lang europeisk forskningsdugnad presenterer nå forskere oppløftende resultater.
– Vi har studert alle deler av battericellen – ja, gått i hver minste detalj – for å finne den best mulige sammensetningen av materialer, sier Nils Peter Wagner.
Ved SINTEF Battery lab forskes det på alle stadiene av produksjon av battericeller. Her holder prosjektleder Nils Peter Wagner to posecellebatterier.(Foto: Thor Nielsen / SINTEF)
Blir lønnsomt for kundene
Målet i prosjektet har vært å utvikle mer bærekraftige, effektive og intelligente elbilbatterier.
– Dette har vi gjort ved å bruke mest mulig miljøvennlige materialer. Vi har også gitt batteriene høy effekt og evne til å lagre mye energi på lite plass.
For, skal produksjonen av elbilbatterier virkelig skyte fart i Europa, må elbiler oppleves som et attraktivt valg for oss som forbrukere.
De må ha god rekkevidde, kort ladetid, lang levetid, være miljøvennlige og ha en overkommelig pris for folk flest.
Bruker mindre av kritiske råmaterialer
En av forskernes «hemmeligheter» har vært å bruke mindre av kritiske råmaterialer.
Prosjektet har resultert i en ny generasjon av materialet litium-nikkel-manganoksid (LNMO), som brukes i batteriets katode.
Materialet er koboltfritt og inneholder mindre litium og nikkel enn materialer som brukes i dagens batterier.
Samtidig leverer det høy energitetthet og høy spenning uten å gå på bekostning av ytelsen.
Et batteri består av to elektroder – en katode og en anode – som er adskilt av en porøs separator og en elektrolytt som gjør det mulig for ioner å bevege seg mellom elektrodene. Når batteriet lades og utlades, beveger ionene seg frem og tilbake mellom elektrodene.(Illustrasjon: SINTEF)
Et nytt, norsk komposittmateriale bidrar
I batteriets anode har forskerne laget en kompositt som består av både silisium og grafitt.
Annonse
Silisium tar opp langt flere litium-ioner. Dette gir høyere energitetthet enn dagens standard-anode, mens grafitt gir styrke og stabilitet.
Kombinasjonen gjør at disse batteriene har høyere kapasitet og varer lenger.
Komposittmaterialet produseres av Vianode i Norge. De kan fremstille grafitt med 90 prosent lavere utslipp enn andre produsenter, samtidig som ressursbruken reduseres.
Ga batteriet lengre levetid
Kvaliteten på elektrodene er avgjørende for battericellenes ytelse, levetid og sikkerhet.
Forskerteamet har derfor optimalisert batteristrukturen og elektrodene for å øke energitetthet og ladehastighet. Samtidig sikrer de at varme ikke bygger seg opp inne i batteriet.
I tillegg til å forbedre de aktive materialene, har de utviklet en elektrolytt som beskytter både anoden og katoden, selv ved høye spenninger. Dette gjør at batteriene blir mer stabile og varer lengre.
Utviklet miljøvennlig selvbeskyttelse
For å opprettholde en stabil elektrodestruktur har forskerteamet utviklet nye bindemidler. Bindemidler holder elektrodene sammen gjennom hele batteriets levetid, under krevende kjemiske forhold.
Tradisjonelt er bindemidler viktige, men passive, deler i batterier. De har altså ingen tilleggsfunksjon.
IntelLiGent har gjort bindemidlene aktive ved å velge et bindemiddel som også har flere funksjoner. Bindemiddelet i dette batteriet gir aktiv beskyttelse og forhindrer uønsket sidereaksjoner:
– Bindemidlene er ofte basert på fluorholdige polymerer som PVDF. Disse inneholder giftige og miljøskadelige løsemidler. I prosjektet testet vi ulike polymerer og klarte til slutt å erstatte PVDF med et vannløselig bindemiddel. Det hadde også noen ekstra positive ekstra funksjoner, forklarer Wagner og legger til:
Annonse
– Våre bindemidler kan fange opp metallionene, mangan og nikkel når de frigjøres fra katoden, og hindre dem i å nå anoden. Der kan de forårsake litiumavleiring og forkorte batteriets levetid, sier Wagner.
De nye batteriene er grundig testet. Her viser forsker Simon Clark frem en simulering av temperaturen inne i en battericelle mens den utlades, noe som er viktig for sikkerhet og for å unngå degradering.(Foto: Thor Nielsen)
På vei mot kommersialisering
En av de største utfordringene ved å skalere opp produksjonen av battericeller er å lage elektroder i industriell skala.
På SINTEF Battery Lab har forskerne vist at produksjonen av elektroder kan skaleres fra laboratorienivå til industrielt format.
– På batterilaben har vi klart å produsere vannbaserte elektroderuller med høy tetthet og jevn kvalitet i skala opp til 100 meter. Det er en milepæl for både europeisk og norsk batteriforskning. Det er også et viktig steg mot lokal industriell produksjon av battericeller, sier Clark.
Horizon Europe prosjektet IntelLiGent har hatt mål om å utvikle sikre, bærekraftige generasjons 3b litium-ion-batterier med lang levetid. De er basert på såkalte høyspenningskatoder og høykapasitets-anoder av silisium-grafitt.
IntelLiGents nye batterier er grundig testet, forbedret og videreutviklet ved hjelp av avanserte, innovative programmerings- og modelleringsverktøy. Disse vil også spille en sentral rolle i videre batteriforskning og innovasjon.
Battericellene er også sammenlignet med dagens løsninger når det gjelder miljøpåvirkning, økonomi og sosial bærekraft. De viser et sterkt potensial som en konkurransedyktig og bærekraftig neste generasjon batteriteknologi.
Prosjektet startet i 2022 og avsluttes i 2026. Totalbudsjettet er på åtte millioner euro.
Prosjektet er finansiert av EU. Det sveitsiske statssekretariatet for utdanning, forskning og innovasjon SERI og det britiske forskningsrådet UKRI er også med som finansiører.
Prosjektet koordineres av SINTEF Industri, med partnerne Vianode, University of Oxford, Austrian Institute of Technology (AIT), MILLOR BATTERY, Topsoe, E-Lyte, Empa og IREC.
