Lager silisiumdryss for elbiler

Kjørelengden kan økes med en fjerdedel hvis silisium erstatter grafitt i batterier for elbiler. Ny metode kan drysse ut nanopulveret som trengs.

Forsker og områdeleder Werner Filtvedt henter ut silisumpulver fra Freespace-reaktoren som er utviklet ved Institutt for energiteknikk på Kjeller. (Foto: Arnfinn Christensen, forskning.no.)
Forsker og områdeleder Werner Filtvedt henter ut silisumpulver fra Freespace-reaktoren som er utviklet ved Institutt for energiteknikk på Kjeller. (Foto: Arnfinn Christensen, forskning.no.)

Gjennom et loddrett metallrør på Institutt for energiteknikk (IFE) synker en tung gass. Gassen består av et stoff som heter silan, en kjemisk binding av hydrogen og silisium.

Inne i metallrøret er det varmt, nærmere tusen grader.  Det blir for varmt for silangassen. Atomene i de tunge molekylene klarer ikke å holde sammen lenger.

Fire hydrogenatomer skiller lag. Tilbake er ett atom silisium. Silisiumatomene søker sammen og binder seg til hverandre. Ørsmå fnugg daler mot bunnen av røret, et stille dryss av silisium.

Dette drysset kan Werner Filtvedt, Trygve Tveiterås Mongstad og Jan Petter Mæhlen hente ut i bunnen av røret.

Strenge krav

Silisiumpulveret kan erstatte elektroden av grafitt i litium-ionebatterier. Silisium har egenskaper som gjør at batteriet kan lagre mer energi.

Men nettopp disse egenskapene lager spesielle problemer som stiller strenge krav til pulveret.

Problemene har å gjøre med hvordan batteriet lager strøm. Det skjer når atomer av stoffet litium går fra den positive elektroden til den negative elektroden av silisium på innsiden av batteriet.

Små og jevne

Silisiumpulver fra Freespace-reaktoren. (Foto: Arnfinn Christensen, forskning.no.)
Silisiumpulver fra Freespace-reaktoren. (Foto: Arnfinn Christensen, forskning.no.)

Silisium kan ta imot ti ganger så mye litium som grafitt kan. Det fører til at evnen til å lagre strøm øker med en fjerdedel i batteriet som helhet.

Men ti ganger så mye litium inn i elektroden betyr også at den utvider seg mye mer, til firedobbelt størrelse. 

Hvis silisiumkornene ikke er små nok, og ikke har jevn størrelse og form, vil utvidelsen skape spenninger i elektroden. Da kan den sprekke opp.

Partiklene som snør ut av metallrøret på Institutt for energiteknikk, har nettopp disse riktige egenskapene.

Dessuten er de små, bare 0,1 tusendels millimeter i diameter. Jo mindre partikler, desto større overflate der reaksjonene kan gå. Dermed øker også strømmen fra batteriet.

Flere i startgropa

Seniorforsker Jan Petter Mæhlen arbeider med nanopulver av silisium i et skap fylt av edelgass, for å hindre uønskede kjemiske reaksjoner mellom silisium og luft. (Foto: Arnfinn Christensen, forskning.no.)
Seniorforsker Jan Petter Mæhlen arbeider med nanopulver av silisium i et skap fylt av edelgass, for å hindre uønskede kjemiske reaksjoner mellom silisium og luft. (Foto: Arnfinn Christensen, forskning.no.)

Metallrøret kalles en friromsreaktor (freespace). Navnet har den fått fordi silisiumpulveret dannes under fritt fall gjennom røret. Friromsreaktoren er utviklet her på Institutt for energiteknikk av Filtvedt og kollegene hans.

De er ikke alene om å utvikle silisium for litium-ionebatterier. Det norske firmaet Elkem har nettopp lansert sin metode for å lage silisiumpulver, helt uavhengig av forskerne på IFE.

IFE og Elkem samarbeider også om en tredje metode, der elektroden lages av en blanding av silisium og grafitt.

Også flere elbilprodusenter arbeider med å utvikle batterier med silisium i den negative elektroden.

Det forskes intenst på dette området i hele verden. Selv om det er mange lovende gjennombrudd, er det ifølge IFE-forskerne fortsatt et langt stykke igjen til billig masseproduksjon av silisiumbatterier.

Grunnforskning

Likevel mener Filtvedt og kollegene hans at Institutt for energiteknikk har en viktig rolle å spille.

For silisium er industrien er først og fremst opptatt av å utvikle et godt produkt for salg. Når de har fått fram det, stanser arbeidet med forskning og utvikling ofte opp.

Her kan IFE være med på å drive utviklingen videre. Med grunnforskningen kan de studere prosessene mer grunnleggende, og arbeide mer langsiktig.

Freespace-reaktoren er et eksempel på dette. Batteriproduksjon for elbiler er en vekstindustri, og veksten gir muligheter for uavhengige forskningsinstitutter som IFE.

Lenker:

Om silisiumreaktorer på nettsidene til Institutt for energiteknikk

Powered by Labrador CMS