Arkiv / Teknik

Batterier: Kiselbaserade anoder

Helena Berg

2023-01-13

NMC-, NCA- eller LFP-celler pratar vi ofta om när det är energitäthet eller effektprestanda vi är ute efter. Alla är Li-jonceller men med olika katodmaterial. Sällan pratar vi om anodmaterialet. Idag är det grafit som dominerar som anodmaterial, men med mer och mer inblandning av kisel. Anoder av rent kisel skulle teoretiskt öka energitätheten avsevärt, men i praktiken är det inte så enkelt och många utmaningar återstår.

omEV gör en sammanfattning av R&D-läget för kiselbaserade anoder.

Kisel kan ge 30 % högre energitäthet

Grafit lagrar in litium i mellanrum inne i grafitstrukturens skikt. Kisel å andra sidan skapar legeringar ihop med litium, vilket gör att kisel kan lagra mer litium. Uppåt 30 % högre energitäthet kan man få på cellnivå genom att byta anod. Dock är det grafitanoder som dominerar på grund av att legeringen mellan kisel och litium genererar en enorm volymexpansion. Resultatet blir att kiselpartiklarna går sönder och/eller släpper från anoden, vilket kan leda till kapacitetsförlust och ökning av den inre resistansen. För att minimera den mekaniska påfrestningen inne i battericellen finns det ett antal vägar att gå för att göra kiselbaserade anoder attraktivare: nanopartiklar, amorft kisel, olika bindemedel eller finfördelade kiselpartiklar i en matris av grafit eller andra former av kol.

Spillmaterial från solcellstillverkning kan bli till anodmaterial

Tesla har länge förespråkat kiselbaserade anoder och vid Tesla Battery Day 2020 presenterades kisel i företagets tidsplan för cellutveckling [1]. Kiselmaterialet Tesla siktar på är ’metallurgical-grade’ och en produkt som är 98-99 % ren, vilket i batterisammanhang anses som icke-rent. Fördelen är att detta material tillverkas i miljontals ton världen över och till ett pris som är avsevärt mycket lägre. Troligtvis kommer Tesla att belägga detta kiselmaterial med ett elektriskt ledande polymermaterial för att stabilisera materialet, i alla fall om man beaktar Teslas patentportfölj [2].

Och även andra celltillverkare utökar sina patentportföljer med innovationer kring kiselbaserade anodmaterial. Då är det inte bara kiselmaterialet i sig som patenteras, utan olika bindemedel och elektrolyter för att kunna minimera de mekaniska påfrestningarna orsakade av volymexpansionen vid cykling av cellen [3].

Hur kiselmaterialet tillverkas kan påverka prestandan och kostnaden för det aktiva materialet. Ett sätt att få ner kostnaden är att använda spillmaterial från solcellstillverkning. Vidare bör fördelningen av kiselpartiklar optimeras och vara så homogen som möjligt för att möjliggöra så små volymexpansioner som möjligt. Målet för många utvecklare är en energitäthet på 550 mAh/g för det aktiva materialet (bör jämföras med grafit på ca. 370 mAh/g).

Företag som tillverkar kiselbaserade anoder

Vid sidan av de verkligt stora celltillverkarna (t.ex. CATL, LG Energy Solution, Samsung) finns det ett fåtal företag som specialiserat sig på just material till kiselbaserad anoder.

Amerikanska start-up-företaget Amprius utvecklar anoder genom ’nanowires’ av kisel. I ett första läge är det satelliter och elflyg som är i fokus för Amprius celler med en energitäthet på 450 Wh/kg och 1150 Wh/L [4]. Företagets huvudkontor ligger mer eller mindre granne med Teslas produktionsanläggning i Fermont. Under 2022 kammade Amprius hem finansiering motsvarande 3 miljoner USD från USABC för att utveckla celler (80 Ah) som klarar 2023 års krav från USABC för ’Low Cost, Fast Charge EV’ (dokument med målbilden kan hämtas från https://uscar.org/usabc/), samt 1 miljon USD från Department of Energy för att utveckla produktionsprocesserna [5].

Ett annat amerikanskt bolag som fått mycket uppmärksamhet är Sila Nanotechnologies. Under 2021 säkerställde bolaget finansiering på 590 miljoner USD för att bygga en produktionsanläggning med en årlig kapacitet på 100 GWh [6]. Anläggningen ska vara i drift under andra halvan av 2024 och fullt utbyggd 2025. Bland investerarna finns både BMW och Daimler [7,8].

Israeliska celltillverkaren StoreDot har visat upp en cell med kiselbaserad anod som klarar mer än 1000 cykler och är nu redo för massproduktion [9]. Företaget har ett utvecklingsavtal med vietnamesiska elbilstillverkaren VinFast [10]. I början av 2022 sökerställde StoreDot kapital på ca. 80 miljoner USD från bland annat BP Ventures och Golden Energy Global Investment (som äger den kinesiska celltillverkaren EVE Energy) [11]. Även Volvo Cars och Polestar har investerat i StoreDot [12,13].

Snabbladdning och livslängd är fokus för StoreDot och de har även utvecklat metoder för ’self-repairing’ av celler [14]. Genom att koppla bort en felande cell och låta cellen regenereras separat kan cellen sedan användas igen utan att cellen eller modulen behövt avlägsnas.

Norska Cenate utvecklar även de kiselbaserade material för Li-jonceller. Deras produkter går även att inkorporera i grafitelektroder för att höja kapaciteten (och energitätheten). Till skillnad från övriga företag vi listat, tillverkar Cenate primärt kiselmaterialet, inte celler.

Egna kommentarer

Även om mycket händer inom området är det en bit kvar innan kiselbaserade anoder blir en etablerad del av Li-joncellerna. Prislappen kommer att bli avgörande om man lyckas lösa de mekaniska påfrestningarna som det kan bli. Naturlig grafit är en bristvara och syntetisk grafit kräver mycket energi vid tillverkning; kommer kiselbaserade material bli billigare?

För den som vill fördjupa sig i ämnet och vad som sker vid forskningsfronten kan vi rekommendera två review-artiklar [15,16]

[1] Tesla Battery Day Presents Challenges for Engineers

[2] Large-format battery anodes comprising silicon particles. U.S. Patent Application 16/340,823, inlämnad 29 augusti 2019.

[3] Silicon Anode for Li-ion Batteries Patent Landscape 2022

[4] Amprius delivers 450 Wh/kg battery cells

[5] Amprius receives $3Mn from US Advanced Battery Consortium

[6] Sila Nano collects $590 million for 100 GWh plant

[7] Sila Nano and BMW working on next-gen batteries

[8] Daimler partners with Sila Nano on batteries

[9] StoreDot hits the 1,000-cycle mark with production-ready pouch cells

[10] VinFast announces battery cooperation with StoreDot

[11] StoreDot secures $80 million in funding