Norsk søgræs skal øge kapaciteten i batterier
more_vert
close

Få de daglige nyheder fra Version2 og Ingeniøren. Læs mere om nyhedsbrevene her.

close
Ved at tilmelde dig accepterer du vores Brugerbetingelser, og du accepterer, at Teknologiens Mediehus og IDA-gruppen lejlighedsvis kan kontakte dig om arrangementer, analyser, nyheder, job og tilbud m.m. via telefon og e-mail. I nyhedsbreve, e-mails fra Teknologiens Mediehus kan der forefindes markedsføring fra samarbejdspartnere.

Norsk søgræs skal øge kapaciteten i batterier

Norske forskere skal undersøge, om norsk søgræs kan bruges som bindemiddel, der gør det muligt at producere lithium-ion-batterier med højere kapacitet Illustration: Thor Haakon Ulstad/FMC/Odd Richard Valmot

Silicium er udpeget som næste skridt mod lithium-ion-batterier med større kapacitet. Men silicium er et besværligt stof, når det anvendes i batterier.

Siliciummet i anoden revner, når batteriet bruges, og det nedsætter levetiden. Men en af løsningerne på det problem kan vokse langs de norske kyster.

Netop nu arbejder norske forskere på et projekt, som skal afklare, om alginat fra søgræs kan give batterier med høj kapacitet.

To til tre gange så høj kapacitet

Projektet samler store dele af det norske forskningsmiljø for batteriteknologi. NTNU, IFE, Sintef, FMC og Elkem samarbejder om forskning i batterier med siliciumanoder.

Projektet, kaldet SiBEC, er ledet af NTNU, og håbet er, at man til slut står med en teknologi, som gør det muligt at konstruere en litium-ion-celle med en kapacitet på 800 milliamperetimer pr. gram silicium over 1.000 ladecyklusser.

I dag anvendes primært grafit som anodemateriale, der har en teoretisk kapacitet på cirka 370 milliamperetimer pr. gram. I praksis er det tal dog en del lavere, og batterierne, som planlægges i SiBEC-projektet, vil have en kapacitet, der er to til tre gange højere end med den nuværende teknologi.

En udfordrende opgave

Fride Vullum-Bruer, lektor ved Institutt for materialteknologi ved NTNU, siger, at det er et 'ganske udfordrende mål', men at forskerne har håb om, at det kan lade sig gøre.

Men selv hvis de skulle klare det, er 1.000 ladecyklusser alt for lidt til et batteri til en elbil. Så en norskledet elbilbatteri-revolution kan altså ikke garanteres.

Klarer de at nå målet, er der reelt potentiale for, at man sidder tilbage med kompetencer, som kan skubbe batteriudviklingen i den rigtige retning.

Vejen mod målet går gennem udvikling af anoder med en større andel af silicium end i dag. De nuværende anoder består som nævnt hovedsageligt af grafit

Nøglen til højere batterikapacitet er mere lithium. Jo mere lithium, der kan flyttes mellem anode og katode, desto mere energi kan du få ud af batteriet.

Silicium har ti gange større kapacitet - i teorien

Silicium har en struktur, som gør, at samme mængde materiale kan lagre mere lithium, og potentialet er dermed, at en fuldt opladet anode har en større andel lithium, som kan vandre til katoden ved afladning. Teoretisk set kan kapaciteten øges ti gange med silicium.

Men det er ikke så enkelt at konstruere et batteri med en siliciumanode. For det første skal katoden være i balance.

Udfordringen er, at katodematerialerne, som anvendes, ikke har lige stor kapacitet som anodematerialet. Kort sagt kan katoden ikke lagre lige så mange lithium-ioner pr. gram som anoden.

Den anden store udfordring er, at silicium udvider sig, når det optager lithium og krymper, når det afgiver lithium.

Silicium optager fire lithium-ioner. Når dette sker, udvider siliciummet sig. Det forårsager udfordringer med, at siliciummet revner, ændrer form eller flytter sig rundt.

Bindemidlet kan være nøglen

Derfor er det nødvendigt med et bindemiddel, som enten holder det hele på plads uanset hvad, eller som er fleksibelt, således at siliciummet kan udvide og trække sig sammen, uden at det pulveriserer eller flytter sig.

Altså er det ikke helt ligetil at konstruere sådanne batterier. Det norske SiBEC-projekt vil imidlertid forsøge at finde brugbare løsninger.

Og her kommer alginat ind i billedet. Projektet skal afdække, hvorvidt norskproduceret alginat kan benyttes i anoderne.

Anoderne i batterier er ikke rene klumper af materiale, men små partikler, der holdes sammen af et bindemiddel.

Anoden består ikke af rent materiale, men en oplsæmning af grafit, carbon black og bindemiddel. Håbet er at få en større andel af silicium i denne opslæmning.

I en siliciumanode skal bindemidlet både tillade, at siliciummet ændrer størrelse i forbindelse med ladeprocessen, og sørge for, at det ikke vandrer eller kommer i kontakt med andre siliciumpartikler.

Fra skove af søgræs til elbilbatterier

Alginat produceret på FMC’s fabrik på Karmøy i Norge er fremstillet af brunalgen søgræs, der høstes langs kysten fra Vestlandet til Nordland.

Søgræsset høstes af en skibsflåde på ti skibe, som ‘plukker’ søgræs fra havbunden på 2-20 meters dybde. Tricket er at få alt søgræsset, der klamrer sig fast til stenbunden, med op.

Det betyder, at høsten er bæredygtig, idet nyt søgræs kan fæstne sig og vokse frem på nogle få år.

Søgræsset vaskes, og bladene adskilles fra stilken i en proces på fabrikken. Stilken skæres op i mindre bidder og syrevaskes, så bl.a. kalcium fjernes. Derefter tilsættes natrium, og råmaterialet ligger så i en silo i op til 12 timer, før det sendes videre.

I alt tager processen et døgn fra råvare til færdigt produkt. Der er tilsammen 18 led i fremstillingsprocessen, og til slut står man tilbage med et pulver.

Derefter tilsættes forskellige tilsætningsstoffer, afhængigt af, hvilke egenskaber man ønsker, alginatet skal have.

Stort spænd

At det er norsk alginat, der skal bruges, er ikke tilfældigt.

»FCM er den alginatfabrik, der producerer alginat med det største spænd af egenskaber. Vi er sammen med Sintef den konstellation i verden inden for det her projekt, som vitterligt kan frembringe alginat med alle mulige egenskaber til det her projekt og til test i batterier,« siger Trond Helgerud, administrerende direktør i FMC BioPolymer.

Dermed kan forskellige alginater testes for at afdække, hvor egnet produktet er. Finder man et brugbart produkt, kan det få stor betydning for, hvor miljøvenligt batterier kan fremstilles.

I dag anvendes ofte såkaldte NMP-bindemidler ved produktionen af af anoder. Disse tilsættes som opløsningsmiddel, når anodematerialet lægges på kobberplader i opslæmmet form. Når oplsæmningen størkner, fordamper opløsningsmidlet, og i nogle tilfælde, f.eks. i Kina, er der utilstrækkelig ventilation, og gasserne fra processen udledes til luften.

Mere miljøvenlig produktion

Alginatet er imidlertid vandopløseligt, hvilket gør, at det lidt enkelt sagt bare er vanddamp, der slippes ud til luften. Og generelt efterspørger batteriindustrien vandopløselige bindemidler.

»Vi ved strengt taget ikke endnu, om alginat fra søgræs egner sig specielt godt til formålet. Det er noget af det, vi skal finde ud af med dette projekt; er der nogle typer alginat, som er bedre egenede til det her. Det har der ikke før været forsket ret meget i,« siger Helgerud.

Et alternativ er CMC-baserede bindemidler, som er et celluloseprodukt med groft sagt de samme egenskaber.

Bindemidlet har en betydning for mere end blot selve anoden. Det spiller også en rolle for, hvor meget energi der skal tilføres for at få vandet til at fordampe under produktionen. Jo længere tid det tager, jo mere energi skal der bruges - og jo længere skal produktionslinjen være.

Mange bække små

At udskifte bindemiddel til en mere miljøvenlig slags lyder måske ikke så vigtigt i sig selv - men mange små forbedringer kan tilsammen have stor effekt, forklarer Martin Kirkengen, afdelingsleder for energisystemer i IFE.

»Norge er et lille land i en stor verden, så vi behøver ikke tage ansvaret for alle forbedringer - men vi bør tage nogle af dem. Der er tale om en global værdikæde, som vi prøver at være en del af,« siger Kirkengen.

Et andet aspekt er, at forbedringerne skal kunne tages i brug i de eksisterende produktionskæde. Hvis en batterifabrik skal ombygges for at kunne benytte en ny type bindemiddel, bliver vejen til markedet meget lang.

Nye batterifabrikker åbner for større forbedringer

Kirkengen udtaler imidlertid, at vi kommer til at stå i en unik situation i de kommende år. Mange nye fabrikker skal bygges, og heri ligger der gode muligheder for at få nye elementer ind i produktionslinjerne.

»I den nærmeste fremtid skal der bygges så meget nyt, at man kunne forestille sig lidt større ændringer i forhold til den nuværende produktion. Samtidig er det gode ved både alginatbindemidler og siliciumpartikler, at de ikke fundamentalt ændrer på, hvordan man fremstiller et batteri. Det er stadig partikler, som mikses med et bindemiddel for at forme en elektrode, som man så ruller sammen og propper ind i en cylinder eller fladpakker i en pose. Så 90 pct. af fabrikken gør fortsat den samme som før,« siger han.

Der reducerer risikoen for, at forskningen forbliver i skrivebordsskuffen og samler støv. Ifølge Kirkengen er det helt sikkert, at silicium vil blive brugt i stigende grad, og der er et pres fra industrien for at gå over til vandopløselige bindemidler.

Bindemiddel udgør to pct. af et batteris samlede vægt. Hvis man tager i betragtning, hvor mange ton lithium-ion-batterier, der produceres i verden årligt, ligger der et ganske stort potentiale for en aktør som FMC.

Undersøger katoder

Der skal dog også ske en udvikling på katodesiden, og NTNU skal arbejde med at finde frem til katoder, som egner sig til formålet.

»Der er der rigtig meget at hente her. De katoder, som anvendes i dag, har en kapacitetsbegrænsning på omkring 150 og 200 milliamperetimer pr. gram. Skal du have alt det ind i et batteri, skal du balancere vægten på anode og katode. Ellers ender du med meget overflødigt materiale på den ene eller den anden side,« siger Fride Vullum-Bruer fra NTNU.

Katoderne består ud over lithium hovedsageligt af overgangsmetaller og fosfater eller oxider, men mange forskere ser på andre materialer, som kan give plads til flere lithium-ioner pr. gram.

Dette er imidlertid ikke en del af SiBEC-projektet.

»Vi ser ikke på nye katodematerialer, kun kendte sammensætninger af allerede kendte materialer. Målet er ikke at udvikle nye katodematerialer, men at afdække, hvilke kendte materialer der fungere bedst med vores anoder. Så kan vi foretage nogle modifikationer inden for de rammer,« siger Vullum-Bruer.

Hun fortæller, at de også ser på, hvor hurtigt batteriet kan oplades. Her er det særligt katoder, som er en begrænsning, idet lithium-ioner bevæger sig langsommere ud og ind af katoden.

Martin Kirkengen mener, at Norge har mulighed for at få en betydelig position på verdensmarkedet inden for silicium i batterier. Men det vil kræve en indsats, og Norge skal ville det lige så meget som kineserne, som efter hans mening er meget dygtige til batteriteknologi og har kontinuitet i udviklingen.

Artiklen er en forkortet udgave af en artikel på TU.no. Du kan læse den i fuld længde her

Emner : Batterier
sortSortér kommentarer
  • Ældste først
  • Nyeste først
  • Bedste først

Alginat produceret på FMC’s fabrik på Karmøy i Norge er fremstillet af brunalgen søgræs, der høstes langs kysten fra Vestlandet til Nordland.

Interessant artikel, eneste jeg vil påpege er at FMC producerer alginat fra Laminaria hyperborea, på dansk palmetang, på norsk stortare, og ikke fra søgræs (som ikke er en tangart). Det fremgår også i artiklen fra TU.no

  • 5
  • 0
Bidrag med din viden – log ind og deltag i debatten