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.
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 begrenset tilgjengelige og i dag i stor grad utvinnes og produseres i politisk ustabile og uforutsigbare deler av verden, sier forsker og prosjektleder Nils Peter Wagner i SINTEF.
Inntil nylig har mesteparten av battericelle-produksjonen foregått i Asia, med mer enn 95 prosent av den globale produksjonen av litium-ion-celler. Nå jobbes det med å gjøre Europa mer selvforsynt.
Ved SINTEF Battery lab forskes det på alle stadiene av produksjon av battericeller. Her holder prosjektleder Nils Peter Wagner to posecellebatterier. Thor Nielsen/SINTEF
Etter en fire år lang europeisk forskningsdugnad presenterer nå forskningsteamet i prosjektet IntelLiGent oppløftende forskningsresultater.
– Vi har studert alle deler av battericellen – ja, gått i hver minste detalj – for å finne den best mulige materialsammensetningen, sier Nils Peter Wagner.
Han har ledet prosjektet med navnet IntelLiGent.
Blir lønnsomt for kundene
Målet i det EU-finansierte 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.
Prosjektcrewet i IntelLiGent har bestått av verdensledende batteriforskere og industripartnere fra hele batteriverdikjeden. Her er de samlet hos Austrian Institute of Technology (AIT) I Wien. Fra topp venstre: Ruben-Simon Kühnel (Empa), Noel Hallemans, (University of Oxford), Ingeborg Kaus (SINTEF), Sergi Obrador Rey (IREC), Peter Molesworth (SINTEF). Fra topp høyre: Mirco Ruttert (E-Lyte), Killian Stokes-Rodriguez (SINTEF), Lukas Neidhart (AIT), Benedicte Eikeland Nilssen (Vianode), Graham Kimbell (Empa), Piotr Jankowski (Topsoe), Sridevi Krishnamurthi (SINTEF), Lluis Trilla (IREC). Foto: SINTEF
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, samtidig som elektroner går gjennom en ekstern krets. Hvor effektiv denne prosessen er, påvirker rekkevidde, ladetid og levetid, og avhenger i stor grad av materialene og den interne utformingen. Bindemidler holder elektrodestrukturen sammen ved å feste de aktive materialene, mens separatorer hindrer at elektrodene kommer i direkte kontakt med hverandre og forårsaker kortslutning. Illustrasjon: SINTEF Slik virker et batteri:
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 som det leverer høy energitetthet og høy spenning uten å gå på bekostning av ytelsen.
Et nytt, norsk komposittmateriale bidrar
I batteriets anode har forskerne laget en kompositt som består av både silisium og grafitt. Silisium tar opp langt flere litium-ioner, som 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, som 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 som de sikrer 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, noe som 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, som inneholder giftige og miljøskadelige løsemidler. I prosjektet testet vi ulike polymerer og klarte til slutt å erstatte PVDF med et vannløselig bindemiddel, som også hadde noen ekstra positive ekstra funksjoner, forklarer Wagner og legger til:
– Våre bindemidler kan fange opp metallionene, mangan og nikkel, når de frigjøres fra katoden og hindre dem i å nå anoden, hvor de kan forårsake litiumavleiring og forkorte batteriets levetid, sier Wagner.
IntelLiGents nye batterier er grundig testet, forbedret og videreutviklet ved hjelp av avanserte digitale verktøy, som også vil bli viktige i videre batteriforskning og -innovasjon. Her viser seniorforsker 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 prosjektet vist at elektrodeproduksjonen 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, og et viktig steg mot lokal industriell produksjon av battericeller.
Dette er et av de første europeiske eksemplene på oppskalering av vannbasert LNMO-katoder med høy materialmengde og energitetthet for elbiler. Det er også et av de første vellykkede forsøkene på oppskalering av elektrodeproduksjon i Norge.
Prosjektet har også produsert mer enn 60 battericeller på 15 Ah (amperetimer). I tillegg har MILLOR BATTERY i Spania utviklet og produsert en batterimodul basert på prosjektets battericeller, noe som viser at den nye batterikjemien kan tas i bruk og skaleres for fremtidige batteripakker.
En viktig prosjektmilepæl ble nådd hos MILLOR BATTERY, hvor selskapet har utviklet og produsert en batterimodul basert på IntelLiGent-cellene som er produsert ved SINTEFs batterilaboratorium. Foto: MILLOR BATTERY
Horizon Europe prosjektet IntelLiGent har hatt mål om å utvikle sikre, bærekraftige generasjons 3b litium-ion-batterier med lang levetid, basert på høyspenningskatoder og høykapasitets anoder av silisium-grafitt. IntelLiGents nye batterier er grundig testet, forbedret og videreutviklet ved hjelp av avanserte, innovative programmerings- og modelleringsverktøy, som også vil spille en sentral rolle i videre batteriforskning og innovasjon. Battericellene er også sammenlignet med dagens løsninger når det gjelder miljøpåvirkning, økonomi og sosial bærekraft, og viser et sterkt potensial som en konkurransedyktig og bærekraftig neste generasjon batteriteknologi. Prosjektet startet i 2022 og avsluttes i 2026, med et totalbudsjett på 8 millioner euro. Prosjektet er finansiert av EU, samt av det sveitsiske statssekretariatet for utdanning, forskning og innovasjon SERI og det britiske forskningsrådet UKRI. Prosjektet koordineres av SINTEF Industri, med partnerne Vianode, University of Oxford, Austrian Institute of Technology (AIT), MILLOR BATTERY, Topsoe, E-Lyte, Empa og IREC. Fakta om EU-prosjektet IntelLiGent :
For mer informasjon, se heuintelligent.eu
Referanser:
Physics-Based Battery Model Parametrisation from Impedance Data – IOPscience
Realization of Aqueous Processed LiNi0.5Mn1.5O4 through the pH Optimization of Polyacrylate Binders
