Kiselgrafen-komposit elektrod för litiumjonbatterier
Resultat
I projektet har proof-of-concept visats för en ny metod att tillverka ett grafenkiselbaserat anodmaterial för litiumjonbatterier. Via fem arbetspaket har de ingående materialkomponenterna i kompositmaterialet studerats och optimerats både ur kompositframställnings- och produktionsuppskalnings-aspekter.
Insikten av grafenets roll i elektrodmaterialet är att grafen i sig leder till förbättrade elektriska egenskaper på grund av dess ledningsförmåga och ytarea men för att fungera bra som elektrodmaterial krävs fler komponenter än grafen och detta för att rätt elektrodporositet och mekanisk hållfasthet ska erhållas.
Sammanfattat så är grafen bra som ett additiv och detta är gynnsamt för skalbarhet av tekniken och grafenets tjocklek kan därför låtas variera från enlagers till multilagers för bättre kostnad och funktion. Beträffade nanopartikelkislet som är del av kompositen så har tillverkningen av dessa optimerats och förenklats. Parterna har valt att tekniken kommer göras publik via vetenskaplig publicering.
Projektet har fokus på anodmaterialet men har även stöttats av kringliggande projekt som var för sig fokuserat på andra nödvändiga delar för en batteriprodukt. Exempelvis grafenproduktion och storskaliga elektrodbestrykningar. Initialt i detta projekt förutspåddes att en batteriprodukt baserad på den utvecklade tekniken kan vara möjlig inom 2-3 år efter projektets avslut. Som en del av det sista arbetspaket i projektet var framställande av en plan, vilket också genomförts, för fortsatt utveckling av tekniken via en demonstrator där det bedömts att demonstrerad produkt kan ske inom 3 år. Nödvändiga parter finns på plats och täcker hela värdekedjan.
Projektet har följts upp via dess milstenar, tre i varje arbetspaket. Sammanfattat, i det första arbetspaketet som berör grafenkomponenten är alla åtagande uppfyllda. I elektroden används en grafen/grafit-blandning och optimeringen visade på att blandningsförhållandena påverkar i huvudsak den mekaniska stabiliteten och inte den elektrokemiska.
Arbetspaket två berör kiselkomponenten i kompositen och har fullföljts. Optimering av dess processparametrar genomfördes. Den milsten det lades mest tid på var förklarandet av syntesmekanismen för dessa kiselnanopartiklar, detta visade sig vara svårare än planerat men vid projektet avslut finns nu en förklaringsmodell för syntesen. Önskvärt hade varit även en förklaringsmodell för själva formeringen av partiklarna på grafenet men detta uppnåddes inte.
Arbetspaket tre och fyra avser elektrod- och battericells-mätningar ur elektrokemisk synpunkt på de framställda materialen. Projektet har lett till att materialen kan framställas under mer kontrollerade förhållanden, dock så visar de elektrokemiska resultaten att täckningsgraden av kiselnanopartiklar inte ökat nämnvärt och den övergripande batteriprestandan inte blivit bättre jämfört med projektstart. Detta kopplar till kunskapsbristen i partikelformeringen som omnämndes i paket två.
Arbetspaket fem berörde uppskalningsfrågorna för tekniken och planering för en fortsättning av produktens utveckling efter projektslut. Tekniken har initialt provats under uppskalningsbara förhållanden och kunskapen har förmedlats till företagspartnerna. Ett spinn off företag har bildats som ett led i detta. Det finns en plan för en fortsatt utveckling via ett demonstratorprojekt.
➡️ Läs pressmeddelande om projektet här!
Abstract in English Silicon graphene composite electrode for lithium ion batteries
Results
The project has done a proof-of-concept of a new method for production of a graphene-silicon based anode composite with usage in lithium-ion battery applications. With the help of five work packages each component of the composite was studied and optimized both from manufacturing as well as up-scaling perspectives.
The project gave insight into graphene’s role as electrode material and its provided increase of properties such as conductivity and surface area. However, outcomes were also that graphene can only be one component of many in a fully functioning electrode material and this to provide both the right type of porosity as well as mechanical stability necessary.
In conclusion, graphene is good as an additive, and this allows for more lose restriction on its quality where larger distributions of single layers to multilayers of graphene gives best performance but also best from the cost perspective as well. The silicon nanoparticles that are part of the composite have been optimized and simplified. The participating partners have agreed on making the technology public through a scientific publication.
The project focused on the anode material but several side projects, each focusing on the other aspects of this battery technology such as graphene production and large-scale electrode coating have been supporting this technology development. Initially at project start a ready battery related product was predicted to be achieved within 2-3 years after project end. As part of the final work package of this project a plan for future development was set in which a demonstrator is to be reached within 3 years and in accordance with the initial prediction. The necessary partners covering the whole value chain exist to do so.
The project was followed up by its milestones, three in each work package. To summarize, in the first package that regards the graphene component all actions have been fulfilled. In the electrode a graphene/graphite mixture is used, and its optimization showed that its main influence is on the mechanical stability rather than the electrochemical.
The second package belongs to the silicon component of the composite in which optimization of its process parameters for manufacturing was made. The milestone demanding most work was related to the description of the synthesis mechanism of these silicon nano particles. It was shown to be tougher than planned, but at project end the goal was reached. It would have been useful if one also could explain the formation of the silicon nano particles on the graphene surface, but this was not reached.
Work package three and four belongs to the work in electrochemical performance measurements of the electrodes and battery cells made from the materials. The project has resulted in that the used materials can be produced under better conditions although the electrochemical results are lacking mainly caused by the coverage rate of the silicon particles being in similar ratios as when project was started. This links to lack of understanding in the particle formation mentioned in package two above.
Work package five belongs to the issues regarding upscaling and implementation of the developed technology after project-end. Initial studies of upscaling have been conducted during the project and the knowledge has been assimilated into the participating companies, one spin off was formed as part of this process. Finally, a plan for a continuation through a demonstrator project was set.
