Nytt batteri kutter bruken av kritiske råvarer

Europeiske forskere, med deltagelse av bl.a. SINTEF,  har utviklet en ny battericelle for elbiler som kombinerer høy ytelse med redusert bruk av kritiske råmaterialer. Resultatet er oppnådd gjennom det fireårige forskningsprosjektet IntelLiGent, der målet har vært å utvikle neste generasjon bærekraftige batterier for europeisk industri.

Batterier er blitt en strategisk teknologi for både transportsektoren og energisystemet. Samtidig er produksjonen i dag sterkt konsentrert i Asia, som står for størstedelen av verdens produksjon av litium-ion-celler. Dette har gjort europeisk batteriforskning og lokal produksjonskapasitet til et prioritert satsingsområde.

– Vi har analysert og optimalisert alle sentrale komponenter i battericellen for å finne den mest effektive kombinasjonen av materialer og konstruksjon, sier prosjektleder Nils Peter Wagner ved SINTEF.

Ny katode med mindre bruk av kritiske metaller

En sentral del av forskningsarbeidet har vært å redusere behovet for råvarer som er kostbare, vanskelig tilgjengelige eller knyttet til geopolitisk usikkerhet.

Forskerne har derfor utviklet en ny generasjon katodemateriale basert på litium-nikkel-manganoksid (LNMO). Materialet er helt fritt for kobolt og krever mindre litium og nikkel enn mange av dagens kommersielle batterikjemier.

Ifølge forskerne opprettholder materialet samtidig høy energitetthet og høy cellespenning, noe som er avgjørende for rekkevidde og ytelse i elektriske kjøretøy.

Norskutviklet anodemateriale

På anodesiden har prosjektet tatt i bruk et komposittmateriale som kombinerer silisium og grafitt. Silisium kan lagre betydelig flere litiumioner enn tradisjonelle grafittanoder, men utfordringen har vært å sikre tilstrekkelig mekanisk stabilitet over tid.

Ved å kombinere de to materialene har forskerne oppnådd både høy kapasitet og forbedret levetid.

Grafitten er levert av norske Vianode, som har utviklet produksjonsmetoder med betydelig lavere klimafotavtrykk enn konvensjonell grafittproduksjon.

Fokus på levetid og sikkerhet

Prosjektet har også arbeidet med å forbedre battericellens indre struktur. Elektrodene er optimalisert for å øke energitetthet og ladehastighet, samtidig som varmeutviklingen holdes under kontroll.

I tillegg er det utviklet en ny elektrolytt som beskytter både katode og anode ved høye spenninger. Dette skal bidra til bedre stabilitet og redusert degradering gjennom batteriets levetid.

Selvbeskyttende battericeller

Et av de mer innovative resultatene fra prosjektet er utviklingen av nye bindemidler til elektrodene.

Tradisjonelt fungerer slike bindemidler primært som mekanisk lim mellom de aktive materialene. I IntelLiGent-prosjektet har forskerne gitt bindemiddelet en mer aktiv rolle.

Løsningen er basert på vannløselige polymerer som erstatter fluorholdige bindemidler og tilhørende løsemidler som ofte benyttes i dagens batteriproduksjon.

De nye bindemidlene bidrar samtidig til å fange opp metallioner som frigjøres fra katodematerialet under drift. Dermed hindres ionene i å migrere til anoden, hvor de kan forårsake litiumavleiringer og redusere batteriets levetid.

Forskerne beskriver derfor teknologien som en form for innebygget selvbeskyttelse av battericellen.

Klar for oppskalering

Selv om nye materialer ofte viser gode resultater i laboratoriet, er industriell produksjon en langt større utfordring. En viktig del av prosjektet har derfor vært å demonstrere at teknologien kan produseres i større skala.

Ved SINTEF Battery Lab har forskerne produsert vannbaserte elektroderuller med lengder på opptil 100 meter og samtidig opprettholdt høy materialtetthet og jevn kvalitet.

Arbeidet representerer et av de første europeiske eksemplene på oppskalering av LNMO-baserte katoder produsert med vannbaserte prosesser og høyt energiinnhold.

Prosjektpartnerne har også produsert mer enn 60 battericeller på 15 Ah. Det spanske selskapet MILLOR BATTERY har videre bygget en batterimodul basert på de nye cellene, som demonstrerer at teknologien kan integreres i fremtidige batteripakker.

Forskerne mener resultatene viser at Europa er i ferd med å bygge opp kompetanse og teknologi som kan redusere avhengigheten av asiatiske leverandørkjeder, samtidig som batteriproduksjonen blir mer bærekraftig.

Virkemåte for et batteri

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