Nærmere norsk batterirevolusjon

Graphene Batteries Seniorforsker i Graphene Batteries AS, dr. Carl Erik Lie Foss. Credit: Graphene Batteries

BEBA og Graphene Batteries har nå oppnådd svært spennende resultater for et litium-svovel-batteri (LiS-batteri). Et velfungerende LiS-batteri har svært mange bruksområder og et enormt markedsmessig potensiale.

Utfordringen ved produksjon av slike batterier ligger i å gjøre dem stabile. Dette er avgjørende for å løse andre utfordringer med denne teknologien. Det er denne hovedutfordringen Graphene Batteries har utviklet en løsning for. Med bruk av grafen har man klart å lage en fysisk stabil katode med svært høy energitetthet i mindre batterier. (Se «Mer om teknologien» nederst).

Dette gir mulighet for å gå videre, og det utvikles nå fullformat celler for testing opp mot forskjellige typer batterikjemi, elektrolytt og anode. Vi kan stå foran et gjennombrudd hva gjelder bruk av grafen for å lage en høyeffektiv, fysisk stabil katode som ikke lekker svovel.

Resultatene ble presentert på en fagkonferanse for batterikjemi i Bilbao i Spania forrige måned, til stor interesse fra internasjonale aktører. Det er nå inngått et samarbeid med Fraunhofer Institut i Tyskland om videre utviklingssamarbeid i år.

Satsing på batterier

BEBA AS er et selskap som arbeider for å etablere storskala batteriindustri og produksjon i Norge. Selskapet ble startet av Bellona Holding i 2017 og har med miljøselskapet NOAH AS som investor.

Graphene Batteries er et norsk selskap som har utviklet nye løsninger for litium-svovelbatterier, basert på kompetanse om batterikjemi og bruk av stoffet grafen. Selskapet ble etablert i 2012 av ekspertene Rune Wendebo og Rahul Fotedar. BEBA har tett partnerskap med, og har investert i, Graphene Batteries (GB).

Sammen skal de to selskapene utvikle og industrialisere litium svovel-batterier med høy energitetthet. BEBA skal nå hente inn kapital og bistå med andre oppgaver for at Graphene Batteries skal fokusere helt på å ta de oppsiktsvekkende resultatene videre til et ferdig batteriprodukt og produksjon.

En industrimulighet for Norge

Overgangen til elektrisitet i transport har så vidt begynt, og er grunnlag for det store og akselererende markedet for batterier. Det skal etableres svært mange store produksjonsanlegg for eksisterende litium-ion-teknologi de neste årene. Opp mot 100 anlegg må bygges på størrelse med Teslas gigafabrikk frem mot 2050.

Ny og forbedret batteriteknologi vil også kunne benyttes i en rekke andre applikasjoner.

Det forventes hard konkurranse om disse store produksjonsanleggene. Det asiatiske markedet kontrollerer i stor grad produksjonsteknologien for celleproduksjon av Li-ion-teknologi.  I dag foregår kun to prosent av verdens battericelle-produksjon i Europa. Det forventes en storsatsning globalt i batteri-industrien i årene fremover.

BEBA legger til grunn at det ligger store markedsmuligheter i hele verdikjeden for batterier og andre former for energilagring, med tilhørende applikasjoner. Norge har en rekke komparative fortrinn, og noen ulemper, i konkurransen om å etablere slik industri.

BEBA har lagt til grunn for sin forretningsutvikling at vi må ha svært spennende prosjekter i Norge dersom vi skal tiltrekke oss industri og de beste hodene. Derfor har selskapet sett etter teknologier og løsninger både for eksisterende batteriteknologi og neste generasjons batteriteknologi – ikke som erstatning for dagens teknologi, men i tillegg.

Rune Wendelbo, Graphene Batteries Rune Wendelbo, Graphene Batteries Credit: Graphene Batteries

Graphene Batteries

Etter å ha saumfart industrien for å finne teknologi, konkluderte man i arbeidet med å utvikle BEBA, tidlig i 2016, med å velge ut selskapet Graphene Batteries for videre samarbeid. Dette fordi BEBA anså at GB har utviklet løsninger som kan bli avgjørende for utviklingen av LiS-batteriet og av produkter som samtidig kan forbedre eksisterende batteriteknologi, grunnet deres løsninger med grafen og grafenoksid.

GB ble startet opp i 2012 av materialteknologiekspert Rune Wendelbo og batteriekspert Rahul Fotedar. Med deres felles kompetanse på stoffet grafen og batterikjemi hadde de oppnådd svært spennende resultater for litium-svovel-batteri (LiS-batteri). Litium-svovel har opptil ti ganger så stort teoretisk potensiale som det beste litium-batteriet (Li-ion-batteriet) på markedet i dag, men en rekke utfordringer med blant annet levetid og effekt-uttak.

Dagens Li-ion-teknologi antas nå begrensninger ved 350 Wh/kg, men oppnår foreløpig langt flere ladesykluser enn dagens LiS-teknologi. LiS-teknologi kan starte teknologiutviklingen på 200-350 Wh/kg. Med GBs LiS-løsninger tar vi sikte på å kunne nå 500 Wh/kg, samtidig som antall ladesykluser økes. Det teoretiske potensialet er langt større og representerer videre utviklingsmuligheter.

Stabilitet med grafenoksid

Selv om LiS-batterier har en teoretisk langt høyere energilagringskapasitet enn Li-ion-batterier, er den store utfordringen at svovelet endrer volum betraktelig under inn- og utlading. Dette medfører fysisk stress på katoden som da blir ødelagt. Det er derfor en utfordring å klare å lage en fysisk stabil katode. En annen viktig utfordring er å ikke miste aktivt materiale (svovel) over tid ved at det «lekker» ut og havner på feil plass.

Klarer man å utvikle et effektivt Li-S-batteri vil energitettheten kunne åpne for nye markeder, selv med mindre ladesykluser enn et Li-ion-batteri. Klarer man å løse de primære utfordringen med en høyeffektiv katode, har man et godt utgangspunkt for å arbeide videre med å finne riktig sammensetning av resten av batterikjemien, med blant annet elektrolytt og anodemateriale. GB har arbeidet frem og gjennomført lovende forsøk på dette. Nettopp en fysisk stabil katode med høy energitetthet, men som ikke lekker svovel, har vært selve hovedutfordringen for å utvikle Li-S-batteriet.

Oppsiktsvekkende testresultater

I 2017 investerte BEBA i GB, og partene utvidet samarbeidet ytterligere. BEBA skal representere selskapet Graphene Batteries på en rekke områder. Dette for at selskapet skal kunne holde full fokus på videre utvikling av celleteknologien og fremtidig batteriproduksjon

BEBA hovedinvestering og arbeid med Graphene Batteries, har de siste månedene skalert opp både aktivitet og laboratoriet i GBs lokaler i Sintef-bygget i Oslo. Selskapet har også sikret IP-rettigheter og avtaler. Det internasjonale forskningsteamet er styrket og laboratoriet utvidet, slik at forsøkene som tidligere måtte gjøres ved institutter utenlands nå kan gjennomføres med egen stab hos GB i Oslo.

Sameer Fotedar, Graphene Batteries Sameer Fotedar, Graphene Batteries Credit: Graphene Batteries

Et omfattende test- og verifikasjonsprogram er gjennomført av GBs eksperter de siste månedene.  Disse bekrefter og dokumenterer tidligere teorier og forsøk. Resultatene er bedre enn forventet med blant annet svært høy energitetthet i katoden, samtidig som antall ladesykluser er tilfredsstillende.

BEBA anser resultatene som er utført i såkalt «coincells»-format, som oppsiktsvekkende. Alt tyder på at man har klart å lage en fysisk stabil katode med svært høy energitetthet som så langt viser at man ikke mister aktivt materiale (svovel) over tid.

BEBA og Graphene Batteries legger derfor til grunn at resultatene som er oppnådd i dette test- og verifikasjonsarbeidet ved selskapets laboratorier i Oslo med Li-S-katoden, kan være avgjørende for utvikling av denne type batterier.

Det er en rekke gjenstående utfordringer for å utvikle denne battericellen ferdig til produksjon. Med de resultater som er oppnådd av GB for å løse primærutfordringen for Li-S-batterier, med en stabil katode med 5,5 mAh/cm2 og 200 ladesykluser, har GB et meget godt utgangspunkt for å løse de sekundære utfordringene med å finne den riktige elektrolytt- og anodesammensetning

For å gjøre dette har BEBA gått inn med ytterligere finansieringer å verifisere større batteri-celleformat i størrelse som benyttes i ferdige batterier i for eksempel mobiltelefoner, også kalt «Pouch cells». Dette må foreløpig gjøres utenlands, da det ikke finnes fasiliteter for slikt arbeid i norske forskningsmiljøer.

Internasjonal interesse

Resultatene fra test- og verifikasjons-programmet som er gjennomført av GB, ble presentert på en fagkonferanse for batterikjemi i Bilbao, Spania forrige måned. BEBA og Graphene Batteries opplever stor interesse fra internasjonale aktører etter at resultatene ble kjent i fagmiljøet for batterikjemi. BEBA og Graphene Batteries har dermed oppnådd sin første målsetning som er å etablere et prosjekt som får internasjonal batteriforskning interessert i det arbeidet vi gjør i Norge.

Med bakgrunn i stabilitet, energieffektivitet og levetid som nå er dokumentert av GB, skaleres forsøkene opp i samarbeid med Fraunhofer Institutt i Dresden. Sammen skal partene nå skalere GBs teknologi opp fra coin-cell til pouch cell. Her skal GBs teknologi testes ut mot instituttets elektrolytt og anode i større battericeller.

De beregninger som er utført basert på de faktiske resultater som er oppnådd hos GB for katodeteknologi, vil sammen med Fraunhofers elektrolytt og anode kunne gi et meget godt utgangspunkt for utviklingsarbeidet på pouch cell nivå for vår LiS-teknologi. BEBA og Fraunhofer Instituttene vil våren 2018 diskutere grunnlaget for et utvidet samarbeid både når det gjelder Li-S Batterier, grafen og et bredere samarbeid mellom norske og tyske batteriaktører.

Kan bygges opp til industrieventyr

BEBA og Graphene Batteries vil benytte den erfaringen som oppnås med utenlandske samarbeidspartenere til å bygge opp kompetanse for å drifte et egen «laboratorie- og celledesign anlegg» for såkalte «pouch-cells», eller fullskala prototyp batterier. Dette er første skritt for å etablere kompetanse og sikre et industrielt utviklingsløp.

BEBA og Graphene Batteries har som mål å etablere en pilotlinje for produksjon av LiS-batterier til spesielle markeder i løpet av 3-4 år. Gjennom dette arbeidet vil det opprettes en teknologisk plattform for å etablere større industrianlegg.

BEBA og Graphene Batteries arbeider med løsninger for en teknologiplattform for produksjonsutstyr, som vil redusere energiforbruket til produksjon av battericeller betydelig i forhold til dagens produksjon.

Mer om teknologien:

  • Litium-svovel-batterier (lithium-sulfur, eller LiS) er en type oppladbare batterier som er kjent for en høyere energitetthet og relativ lav vekt.
  • En stabil katode som ikke slipper svovelet tilbake i elektrolytten er avgjørende for å kunne lage LiS-batterier med 500 Wh/kg. (Litium-ion-batterier har typisk 150-200 Wh/kg.)
  • Årsaken til at svovelbatterier har et så høyt teoretisk potensial er at svovelet kan ta opp og gi i fra seg to litiumioner per svovelatom, men dette fører også til en volumøkning som kan gjøre at batteriet går fort i stykker.
  • GB har derfor utviklet et egg av grafenoksid (som produseres av grafitt) med svovelatomer inni. GBs løsning lar elektroner og litium passere inn og ut gjennom dette «grafenoksidegget».
  • Når batteriet lades fylles svovelet opp og volumet øker. I GBs løsning skjer dette inne i et hardt skall, som heller ikke påvirkes når batteriet brukes og litium og elektroner skal ut av svovelet igjen. I og med at svovelet er formatert på en spesiell måte, vil ikke katodens vegger bli påvirket av det fysiske stresset som oppstår med volumøkning/-minking ved inn- og utlading av batteriet.
  • Testresultatene viser en svært høy energitetthet i katoden, samtidig som antall ladesykluser er tilfredsstillende. Alt tyder på at man har klart å lage en fysisk stabil katode: Testene viser så langt at man ikke mister aktivt materiale (svovel) over tid.
  • Denne «grafen-svovel-katoden» åpner for en hel rekke forbedringer. Vi kan lykkes bedre med kjent LiS-teknologi, og i tillegg se konturene av en helt ny teknologiplattform i fremtiden.
  • Teknologien vil ikke benytte metaller som kobolt, kadmium eller nikkel. Vi forventer derfor svært billig fremtidig produksjonskost for denne teknologien.
  • Vi har kalt den QSSB (Quasi Solid State Battery).

Bellona

info@bellona.no