Grafen Energi (avslutat)

Syfte och mål

Silikon i litiumjonbatterier (LIB) kan avsevärt öka lagringskapaciteten. Emellertid har den dåliga elektriska konduktiviteten hos kisel och en mycket stor volym expansion vid litiering begränsat användningen av kisel. Idag har kommersiella batterier endast 3-7 % av kisel i sina anoder på grund av dessa begränsningar.

Det föreslagna konceptet är att använda grafen för att förbättra den elektriska ledningsförmågan och för att förbättra anodens mekaniska styrka, tillsammans med att ge ett skydd av Si-partiklar för att minska problemet associerat med bildandet av SEI (fast elektrolytgränssnitt).

Grafen kommer tillföras i processen där storleken på kiselpartiklarna reduceras. En av den kritiska aspekterna av det föreslagna konceptet är att reducera partikelstorleken av kisel under en viss tröskel för att förhindra den signifikanta nedbrytningen av lagringskapaciteten under litiering och av-litieringscykeln.

Även om liknande koncept har undersöks tidigare, kommer den primära distinktionen av innovation från användningen av proprietär ytkemi av kiselpartiklar och deras interaktion med grafen, den unika blandningsprocessen för att förhindra en legeringseffekt samtidigt som man tillhandahåller en intim blandning av grafen och kiselpulver. Potentialen i detta är enorm! För att utnyttja denna potential och för att påskynda kommersialiseringsprocessen är det redan nödvändigt att initiera en värdekedja redan vid denna tidpunkt. Samtidigt måste vi titta noga på frågan hur grafen och kisel påverkar batteriets ”livslängd”.

Målen för denna förundersökning är: 

  1. Ett bevis på konceptet grafen som möjliggörare för ökad mängd av kisel i anoder för litiumjonbatterier. 
  2. Initiering av en Supply Chain som kan kommersialisera idén.
  3. En mindre studie kommer utföras om hur grafen och kisel kommer påverka hur uttjänta batterier ska tas om hand och hur de kan återvinnas.

Resultat

Denna förstudie visade att det finns en stor potential att använda malda kiselpartiklar i blandningar av grafen och nano-grafit, för att tillverka anoder till Li-jon batterier. Det ser ut som vi har kommit ett stort steg framåt med att få god cyklingsbarhet, vilket tidigare har varit problemen med kiselpartiklar. Vi uppfyllde i stor de uppsatta målen och resultaten var faktiskt över våra förväntningar.

Målen var:

  1. Ett “proof-of-concept” som visar att kiselpartiklar kan fungera i anoder, med goda cyklingsegenskaper. Det målet nåddes.
  2. Att som sätta ihop en värdekedja som kan kommersialisera idén. Där nådde vi nästan ända fram, men vi saknar engagerade slutanvändare.
  3. Att göra en enkel ”livscykelanalys”. Livscykelanalysen visade att inga negativa effekter kan förväntas av att använda kisel in Li-jonbatterier.
Abstract in English

Graphene Energy

Silicon in lithium ion batteries (LIB) can significantly increase their storage capacity. However, the poor electrical conductivity of silicon and a very large volume expansion when lithiated have limited the use of silicon. Today commercial batteries only have 3-7 % of silicon in their anodes, due to these limitations.
The proposed concept is to use graphene to enhance the electrical conductivity and to enhance the mechanical strength of the anode, along with providing a protection of Si particles to reduce the problem associated with formation of the SEI (solid electrolyte interface). Graphene will be added in the particle size reduction process of silicon. One of the critical aspects of the proposed concept is to reduce the particle size of silicon below a certain threshold to prevent the significant degradation of the storage capacity during lithiation and de-lithiation cycle. Although similar concepts have been explored before, the primary distinction of innovation comes from the utilization proprietary surface chemistry of silicon particles and their interaction with graphene, the unique mixing process to prevent an alloying effect while providing intimate mix of graphene and silicon powders. The potential of this is immense! To exploit this potential and to speed up the commercialisation process it is necessary already at this point to initiate a value chain. Simultaneously, we need to look closely at the question of how graphene and silicon affects the “end of life” of a battery.

Results

This preliminary study showed that there is a great potential for using ground silica particles in mixtures of graphene and nano-graphite, to produce anodes for Li-ion batteries. It looks like we have come a big step forward in getting good cyclability, which has previously been the problems with silicon particles. We met the set goals and the results were actually above our expectations. The goals were:
1) A proof-of-concept that shows that silicon particles can work in anodes, with good cycling properties. That goal was reached.
2) To put together a value chain that can commercialize the idea. We almost reached it all the way, but we lack dedicated end-users.
3) Making a simple "life cycle analysis". The life cycle analysis showed that no adverse effects can be expected from using silicon in Li-ion batteries.

Utlysning:
FoI-projekt och Genomförbarhetstudier (2) 2017

Projektpartners: 2D fab, VestaSi, Woxna Graphite, Uppsala universitet och Mittuniversitetet

Projektledare: Sven Forsberg

E-mail: sven.forsberg@2dfab.se

Bidrag: 300 000 kr

Projektets löptid: nov 2017 - april 2018

Relaterade styrkeområden:

Med stöd från: