Nitrogen fra lufta reagerer med silisium – et lovende elektrodestoff for batterier – i laboratoriet til Institutt for energiteknikk. Nitrogenet kan gjøre batteriene mer holdbare over tid. (Foto: Trygve Mongstad, IFE)
Nitrogen fra lufta reagerer med silisium – et lovende elektrodestoff for batterier – i laboratoriet til Institutt for energiteknikk. Nitrogenet kan gjøre batteriene mer holdbare over tid. (Foto: Trygve Mongstad, IFE)

Bedre batterier – rett ut av lufta

Det vanligste stoffet i luft kom ut av solcellelaben og inn i batteriet – etter en idé som nærmest falt ned fra himmelen.

Publisert

Batteriforskere strever med et vrient dilemma. Jo heftigere kjemiske reaksjoner i batteriet, desto mer energi kan de lagre.

På den andre siden – jo heftigere kjemiske reaksjoner, desto lettere kan reaksjonene gå av skaftet.

– Alt som inneholder mye energi, er vanskelig å kontrollere, sier Asbjørn Ulvestad.

Silisium - en løve i spranget

Han burde vite det. Han er stipendiat på Institutt for energiteknikk. I forskningen sin har han balet med et stoff som både kan lagre mye energi og som lager mye trøbbel for batteriforskerne – silisium.

Andre forskere på Institutt for energiteknikk (IFE) har også jobbet lenge med å ta i bruk silisium i den negativt ladede elektroden til batterier – anoden. I dag er denne elektroden laget av grafitt, en form for karbon.

Silisium er et helt annet kjemisk dyr enn grafitt. Hvis grafitt er som en gammel gammel sofakatt, da er silisium er en løve i spranget.

24-dobling av reaksjonene

Seks karbonatomer i grafitten trengs for å reagere med ett litiumatom og lage strøm. Ett enkelt silisiumatom kan erstatte de seks karbonatomene.

Men ikke bare det. Silisiumatomet kan ikke bare reagere med ett litiumatom - men rundt fire. Seks ganger fire – en 24-dobling av reaksjonene for hvert atom i anoden.

Dette gir også en mangedobling av lagringskapasiteten i batteriet. Dessverre blir ikke gevinsten totalt sett like stor.

En femtedel total økning

– Selv om du ga anoden uendelig kapasitet, ville batteriet bare få rundt en femtedel mer kapasitet ut fra vekten, sier Ulvestad. Vekten er viktig for batterier.

Innkapsling, nødvendige deler og ikke minst den positive elektroden i batteriet – katoden – setter fortsatt grenser.

Likevel – silisium i anoden kan øke energilagringen for hvert kilo batteri med rundt en femtedel, som forskning.no også tidligere har skrevet om.

Sprekker opp

Silisium er altså en løsning, men også et problem. Silisium reagerer lett og kan lagre mye energi, men det kan sprekke opp under opp- og utlading.

Ulvestad sammenligner det med hvordan et drikkeglass kan sprekke opp når du fyller det med varmt vann.

Ned som en skinnfell

Silisiumet kan også lett danne uønskede stoffer som ikke har noen funksjon i batteriet.

– Vi kaller det parasittreaksjoner, sier Ulvestad.

Dermed skjer det som ikke bør skje. Parasittreaksjonene lager forbindelser som ikke er aktive i lagringen av energi. Kapasiteten går ned for hver opplading.

Som ordtaket sier – opp som en løve, ned som en skinnfell.

Hallgeir Klette og Thomas J. Preston følger med på hvordan partiklene av silisiumnitrid formes i gasstrømmen på silisiumlaboratoriet til Institutt for energiteknikk (IFE). (Foto: Trygve Mongstad, IFE)
Hallgeir Klette og Thomas J. Preston følger med på hvordan partiklene av silisiumnitrid formes i gasstrømmen på silisiumlaboratoriet til Institutt for energiteknikk (IFE). (Foto: Trygve Mongstad, IFE)

Ligger i lufta

Hvordan beskytte silisiumet mot slike uhumskheter og samtidig holde lagringskapasiteten oppe?

Det var nettopp i arbeidet med å finne svar på dette spørsmålet at Ulvestad fant en løsning, godt hjulpet av sin veileder Martin Kirkengen, leder for energilagringsgruppa på IFE.

Løsningen kom rett ut av lufta – nitrogen. Rundt tre fjerdedeler av lufta vi puster inn er nitrogen. Med andre ord: Batteriprodusentene vil neppe skrike opp om nitrogenmangel med det første.

Ut av solcellelaben

Nå er ikke nitrogen i batterier noe nytt. Helt siden 1990-tallet har forskere over hele verden sett at dette stoffet kan gjøre batteriene bedre.

Men hvordan? Resultatene sprikte og usikkerheten var stor.

Ulvestad arbeidet også med å utforske dette, som en del av doktorgraden. Han brukte utstyr i solcellelaboratoriet på IFE for å prøve ut idéene om nitrogen.

Fra antirefleks til dårlig beskyttelse

På solceller legges det nemlig et lag av nitrogen forbundet med silisium – silisiumnitrid.

– Dette laget er blåfarget og skal hindre at sollyset reflekteres ut av solcellen igjen, forteller Ulvestad.

Nå ville han bruke utstyret til å legge et tilsvarende tynt lag av silisiumnitrid over batterianoden av rent silisium.

Ikke for å hindre refleksjoner av lys, men for å hindre uønskede kjemiske reaksjoner – parasittreaksjonene som forkortet levetida.

– Effekten forsvant fort. Belegget holdt ikke tett, forteller Ulvestad videre.

Men han og Kirkengen oppdaget noe uventet. Det beskyttende belegget av silisiumnitrid deltok også i reaksjonene som lagret energi.

– Dette var det første hintet, sier Ulvestad.

Ut av lufta – ned i hodet

Det neste som skjedde, var at Martin Kirkengen var på en konferanse der han diskuterte med andre forskere om hvor bra nitrogen kunne fungere sammen med litium i batterier.

Der kom en idé nærmest ut av lufta og rett ned i hodet hans. Hvorfor ikke prøve ut nitrogen – ikke bare som et belegg, men i selve anodestoffet de jobbet med på IFE – silisium?

– Konferansen bekrefter at hvis du sitter lenge nok og ikke stresser med andre tanker, så kan det løsne, sier Kirkengen til forskning.no. Veien til flere forsøk var ikke lang.

– Jeg hadde faktisk en tynn film med rent silisiumnitrid liggende. Vi kunne raskt gå i gang med de første forsøkene, sier Ulvestad.

Løven som ble kanin

De var lovende. Silisium gikk ikke opp som en løve og ned som en skinnfell lenger – når det hadde reagert med nitrogen til silisiumnitrid.

Løven fikk stamina som en velkjent kanin fra batterireklamene. Batteriet hadde riktignok lavere kapasitet enn for en anode av rent silisium i starten, men mye høyere enn standardanoden av grafitt.

Forsøk pågår – i ett år

Og til gjengjeld holdt det på kapasiteten over mange flere ladesykluser. Men hvor mange?

Det arbeider forskerne nå med å finne ut.

– Den opprinnelige tynne filmen står fortsatt og lader inn og lader ut. Det har den gjort i rundt ett år, forteller Ulvestad.

Fra film til pulver

Slike tynne filmer gir rene og stabile resultater og egner seg godt på laboratoriet, men de er for små til å brukes i det virkelige liv.

Derfor har forskerne på IFE nå også utviklet utstyr som kan lage silisiumnitrid i pulverform. Det er nødvendig for å lage kommersielle batterier.

Pulverformen gir mye større overflate for de kjemiske reaksjonene enn en flat film. Hvert pulverkorn har en stor overflate, og overflaten blir større i forhold til innmaten i pulverkornet jo mindre det er.

Slik faller kapasiteten til batteriet med antall opp- og utladinger. Rent silisium – orange linje – starter med høy kapasitet, men faller ganske raskt. Jo mer nitrogen anoden inneholder – i form av silisiumnitrid – desto jevnere holder kapasiteten seg over langen. (Foto: (Figur: Trygve Mongstad, IFE/oversatt av forskning.no))
Slik faller kapasiteten til batteriet med antall opp- og utladinger. Rent silisium – orange linje – starter med høy kapasitet, men faller ganske raskt. Jo mer nitrogen anoden inneholder – i form av silisiumnitrid – desto jevnere holder kapasiteten seg over langen. (Foto: (Figur: Trygve Mongstad, IFE/oversatt av forskning.no))

Pulver er et annet dyr

– Stor reaksjonsflate gir raske reaksjoner, men kan også by på utfordringer, sier Ulvestad.

– Hvis man ikke har kontroll på pulveret kan materialet oppføre seg annerledes, sier han.

Bra resultater

Trygve Mongstad har ledet forprosjektet for å vise at det er mulig å framstille dette pulveret. Han har data som viser at pulveret til IFE gir både høy kapasitet og stabilitet.

– Resultatene fra pulverforsøkene viser samme trend som for de tynne filmene. Kapasiteten holder seg mye mer stabil enn for rent silisiumpulver, skriver han i en e-post til forskning.no.

Lignende pulver av silisiumnitrid fra kommersielle leverandører har ikke noe særlig kapasitet i det hele tatt, ifølge Mongstad.

Fra praksis til teori

Arbeidet startet med et praktisk eksperiment. Nå vil forskerne på IFE lage teoretiske modeller som kan forklare resultatene.

De skal ut i en forskningsartikkel. Så vil framtida vise om silisiumnitrid blir enda et viktig skritt på vei mot flere mil mellom hver lading for elbilene.

Alene om resultatene

Siden resultatene ennå ikke er publisert, er det vanskelig for andre forskere å kommentere dem.

– Så vidt jeg kjenner til har ingen andre publisert liknende resultater, sier professor Anne Mari Svensson ved Institutt for materialteknologi på NTNU til forskning.no.

Svensson har samarbeidet med IFE, men ikke om silisiumnitrid i batterier.

Neste på benken – katoden

Når anoden blir forbedret, blir det desto viktigere å utvikle de andre delene av batteriet videre for å øke den totale mengden energi det kan lagre i forhold til vekten.

Innpakning og andre faste komponenter er det lite å gjøre med. Videre forbedring kan gjøres i den positive elektroden – katoden, ifølge Ulvestad.

– Det er nok katoden det forskes mest på, sier han.

Langt fram for litium-luft

Katoden består av forbindelser med sjeldne metaller, som kobolt eller mangan. Forsøk går nå ut på å erstatte disse sjeldne og tunge stoffene med mindre sjeldne og lettere stoffer.

Ett slikt forsøk er litium-luftbatteriet. Der reagerer litium med oksygen fra lufta. Teoretisk sett kan det lagre like mye energi som bensin ut fra vekten.

Forskerne på IFE er likevel skeptiske til om dette batteriet vil dukke opp i for eksempel elbiler i nær fremtid.

– Det er veldig tydelig at de teoretiske resultatene fra litium-luftbatterier er langt fra de praktiske, kommenterer Kirkengen.

– Derfor har vi på IFE nå mer tro på silisiumnitrid for å forbedre en batteriteknologi som allerede har vist seg å fungere i praksis, sier Mongstad.