Batterier blir stadig viktigere i det grønne skiftet. Det handler om alt fra elbiler, elbåter og andre transportmidler til lagring av kraft fra variable energikilder som vindkraftverk og solcelleanlegg.

Men batteriteknologien må bli både mer effektiv og mer miljøvennlig enn den er i dag. Et stadig økende antall forskere, innovasjonsmiljøer og selskaper jobber med dette. Så også i Norge og ikke minst på Institutt for energiforskning (IFE).

Gruppeleder Jan Petter Mæhlen forteller at det er stor kommersiell og internasjonal interesse for IFEs nye batterimateriale. Foto: Gunhild Haugnes

– For ti år siden var det kanskje bare en håndfull forskere som jobbet med batterier. Nå er det 40-50 i sving bare her på IFE, sier Jan Petter Mæhlen, gruppeleder for batteriutvikling på IFE på Kjeller.

Vidundermaterialet silisium

Mæhlen og kollegene forsker blant annet på materialer som produseres i Norge. Det gjelder ikke minst silisium, hvor Elkem er en av storprodusentene. Målet er å erstatte grafitt med silisium i Litium-ion-batterier (Li-ion).

En viktig årsak til dette er at silisium er i stand til å lagre ti ganger flere litium-atomer enn grafitt. Silisium er på mange måter et vidundermateriale. Ikke bare har det gitt navn til USAs IT-mekka Silicon Valley, fordi det er et materiale som brukes i elektronikk, men det blir også stadig mer sentralt i energiskiftet. Blant annet brukes materialet i solceller og er nå på full fart inn i batteriene

– Ja, silisium er et takknemlig materiale å jobbe med. Det er masse av det og det er heller ikke etiske problemstillinger rundt det som det er med en del andre batterimaterialer, sier Tine Uberg Nærland som er fungerende avdelingsleder for batteriavdelingen på IFE.

Forskerne understreker imidlertid at det fortsatt er utfordringer med silisium som batterimateriale, men det forskes massivt på å løse disse både i Norge og i mange andre land.

Imidlertid er allerede 5-10 prosent av grafitten byttet med silisium og om et par år tror forskerne at andelen vil være rundt 20 prosent.

Voldsom batteri-drive i Europa

Nærland påpeker at tidligere har asiatiske land som Japan og Korea vært førende på batteriutvikling, mens Europa kun har vært kjøpere.

– Men det har endret seg, det er en voldsom batteri-drive i Europa nå. Og Norge har åpenbare fordeler. Vi har masse solid metallindustri, er flinke å kjøre store prosjekter, er gode på å samle inn og resirkulere gamle batterier, blant annet fra elbiler. Dessuten har vi massevis av ren og billig energi, sier Nærland.

I innovasjonsprosjektet Batman, som Forskningsrådet er med på å finansiere, jobber IFE-forskerne med å utvikle verdikjedene rundt ulike råmaterialer, som brukes i batteriproduksjon som aluminium, nikkel, lithium, silisium og karbon.

Dette skjer i samarbeid med en stor gruppe andre aktører, blant annet Elkem, Hydro, Agder Energi, NTNU og Eyde-klusteret. Målet er at prosjektet skal bidra til å videreutvikle norsk industri knyttet til batterier.

Beyonder, Freyr og Morrow

IFE samarbeider også med selskaper som vil bygge store batterifabrikker. Det dreier seg blant annet om Freyr, som skal sette opp sin batterifabrikk i Mo i Rana, Morrow som skal bygge batterifabrikk på Sørlandet og Beyonder som også har planer om å bygge produksjonskapasitet i Norge.

Samarbeidet med Freyr dreier seg om et såkalt KPN-prosjekt (kompetanseprosjekt for næringslivet) i regi av Forskningsrådet - et prosjekt som ledes av NTNU.

Batteri av treflis og silisium

Beyonder og IFE utvikler dessuten battericeller med høy effekt med utgangspunkt i treflis og silisium. Dette høyeffektsbatteriet skreddersys for å glatte ut strømmen som blir produsert av vindturbiner.

– Her kombineres de gode egenskapene fra superkondensatorer med fordelene til li-ion batteriene. Vi håper å få det beste fra to verdener, sier Nærland som påpeker at IFE også har samarbeider med Statkraft og Equinor innen batterier.

Marine batterier

Selv om Norge er i verdenstoppen i bruk av elbiler, så er det ikke her verdikjeden er. Bilene produseres ikke her i landet.

Fungerende avdelingsleder Tine Uberg Nærland (til venstre) og forsker Julia Wind foran batteritesteren i IFE-laben. Her testes og monitoreres flere av batterienes egenskaper under ulike forutsetninger. Foto: Gunhild Haugnes

– Men innen maritim sektor er det noe helt annet. Der kan Norge gjennom samarbeid med akademia og næringsliv ta en lederrolle i hele verdikjeden, sier Nærland.

Det skjer blant annet gjennom nullutslippsprosjektet Mozees, som er et FME-prosjekt (Forskningssentre for miljøvennlig energi). Mozees fokuserer på verdikjeden innen batteri og hydrogen i transportsektoren. Her er deltar en rekke norske og internasjonale selskaper samt næringsklynger på Vestlandet.

Silisium-nitrogen-legering

IFE har også utviklet sitt eget batterimateriale, nemlig en legering av silisium og nitrogen. Dette ble gjort gjennom SiliconX-prosjektet som Norge og IFE for et par år siden fikk stor oppmerksomhet om. En av titlene i utenlandsk presse lød «Has Norway discovered the X-factor for silicon-Li-ion-cells).

– Lagringskapasiteten i dette materialet er litt lavere enn i rent silisium, men problemet med rent silisium er at det dør fort ut. Silisium-nitrogen-legeringen vil gjøre at batteriet lever lengre, sier Mæhlen, som tilføyer at det er stor kommersiell interesse rundt materialet.

Silisium er et takknemlig materiale å jobbe med

Andre batteriprosjekter på IFE

Seamless: Bygge et bibliotek bestående av fremtidens silisium-baserte nanomaterialer for neste generasjon Li-ion-batterier.

Saga: Innovasjonsprosjekt i samarbeid med Elkem og Sintef for å forbedre grafitten i batterier.

Sibanode: Innovasjonsprosjekt i samarbeid med Elkem og Sintef for å lage best mulig silisium for batterier.

HAST: Innovasjonsprosjekt med Cenate hvor man jobber med optimerte silisium-partikler laget ved hjelp av kondensering av silisiumholdig gass.

SAIL: Forskerprosjekt i samarbeid med UiO og University of Cambridge for å forstå mer om hvorfor silisium-nitrogen-legeringene fungerer såpass bra i batterier.

Silicon on the Road: Utvikle silisium-baserte anoder for Li-ion-batterier hvor overflaten til silisiumpartiklene er forandret slik at de tåler mer.

BatMarine: Kompetanseprosjekt som setter søkelys på å øke den nasjonale kunnskapen innen bruk av batterier innen marin sektor.

Cofbat: Øke EUs konkurranseevne innen avanserte batterimaterialer, og utvikle koboltfrie løsninger.

E-land: Løsninger for energi-øyer. (EU-prosjekt)

Hydrogen4Mobility: Kommersiell implementering av hydrogenbaserte kjøretøy. (EU-prosjekt)

Portable Energy Supply: NATO-prosjekt innen bærbare hydrogenbaserte energisystemer. (EU-prosjekt)