Nederlandse silicium anodes dichter bij de gigafactory

Leydenjar heeft aangetoond dat zijn nanogetextureerde silicium anodes de energiedichtheid van batterijen naar recordwaardes tillen. Nu is het Leids-Eindhovense bedrijf begonnen met het ontwikkelen van high-throughput depositieapparatuur om zijn superieure anodes in gigafactory’s te brengen.

Paul van Gerven
9 september

Leydenjar Technologies heeft een anode voor lithium-ionbatterijen ontwikkeld die volledig is gemaakt van silicium. De spinout van TNO heeft aangetoond dat het inruilen van koolstof voor diens chemische verwant silicium batterijen oplevert met een energiedichtheid die tot 70 procent hoger is. Nu worden de voorbereidingen getroffen om de productie van de anode massaal op te schalen.

Beeld: Leydenjar

Silicium is een uitstekende gastheer voor lithium-ionen maar van nature geen goede bouwsteen voor een anode. Dit komt doordat het materiaal de neiging heeft te scheuren wanneer het herhaaldelijk gasten opneemt en weer laat gaan. Door nieuw leven te blazen in een plasma-enhanced chemical vapor deposition-proces (pecvd) dat oorspronkelijk was ontwikkeld voor productie van dunnefilmzonnecellen, wist Leydenjar een vorm van nanosilicium te creëren dat wél de volumeverandering kan opvangen die gepaard gaat met de opname en afgifte van lithium-ionen.

Vorig jaar heeft het Leidse bedrijf bewezen dat het depositieproces geschikt is om commercieel relevante silicium-anodes mee te maken. Sindsdien heeft het de mogelijkheden van zijn uitvinding verder verkend. ‘De prestaties zijn veel beter dan wij voor mogelijk hielden’, vertelt Leydenjar-ceo Christian Rood. ‘We gingen ervan uit dat het inruilen van grafiet voor silicium zou resulteren in een 50 procent hogere energiedichtheid, maar het blijkt dat we 70 procent halen. Daarmee bereiken we de hoogste dichtheid voor lithium-ionbatterijen ter wereld. In combinatie met de allerbeste kathodematerialen die op dit moment beschikbaar zijn, denken we dat we zelfs nog beter kunnen.’

Een ander voordeel van silicium anodes is dat hun eenstapsproductie efficiënter is dan het maken van traditionele grafietgebaseerde anodes. Er is minder materiaal nodig en de winning en verwerking van grafiet zijn vrij energie-intensief. Ook is er voor de productie van grafietanodes een energieverslindende verhittingsstap nodig, namelijk nadat het koolstof als slurry op een substraat is gecoat. Leydenjar schat dat onder de streep de silicium anodes 62 procent minder CO2-uitstoot veroorzaken.

De juiste formule

De batterijen hebben echter nog steeds een relatief korte levensduur. ‘Op dit moment is de levensduur alleen geschikt voor enkele specialistische toepassingen, zoals e-flight, medische apparatuur of robotica. In deze markten is een levensduur van meerdere jaren niet belangrijk. We werken sinds kort samen met partners uit de industrie om commerciële oplossingen te ontwikkelen in deze domeinen’, zegt Rood.

Beeld: Leydenjar

De relatief beperkte levensduur is niet verrassend, want Leydenjar heeft nog niet veel moeite gestoken in de verbetering ervan. De sleutel is het identificeren van de juiste elektrolytsamenstelling – een delicaat proces dat gepaard gaat met vallen en opstaan. Leydenjar heeft de hulp van Duitse specialisten ingeroepen om de perfecte formule te vinden.

Gigafactory’s

Leydenjar heeft ook gewerkt aan de productieaspecten van de anodes. Dit is eigenlijk de corebusiness, aangezien de startup geen anodes of batterijen gaat verkopen, maar de depositieapparatuur en de knowhow. Het eigen batterijonderzoek is echter noodzaak, want het bedrijf zou geen machine verkopen zonder bewijs dat de anodes de prestaties verbeteren. Batterijfabrikanten zullen daarnaast eisen dat Leydenjars tools naadloos passen in de huidige accuproductieprocessen, zonder dat dit extra kosten met zich meebrengt.

De vooruitgang op de productieafdeling is ook goed geweest, onthult Rood. ‘We zijn vorig jaar begonnen met de bouw van onze pilotproductielijn in Eindhoven. Na het installeren en finetunen van de machine die oorspronkelijk door TNO werd gebruikt voor het zonnecelonderzoek, hebben we nu een stabiel roll-to-roll depositieproces (het silicium wordt gedeponeerd op koperfolie, PvG). We krijgen inmiddels proeforders van bedrijven die onze technologie willen testen. Of we maken zelf commerciële prototypes, tegen betaling.’

De volgende stap is de ontwikkeling van een modulaire depositiemachine die geoptimaliseerd is voor de productie. ‘We hebben de expertise om dat zelf te doen, maar natuurlijk werken we samen met partners, zowel Nederlandse als Duitse. Pas als we klaar zijn om op te schalen, zullen we waarschijnlijk de productie gaan uitbesteden.’

Hoewel de productie van accu’s momenteel voornamelijk een Aziatische aangelegenheid is, is de strategie van Leydenjar vooral gericht op Europa – en niet alleen omdat het bedrijf financiering heeft ontvangen van de Europese Unie. De EU is vastbesloten om niet nog eens een sleuteltechnologie aan haar neus voorbij te laten gaan en heeft daarom ambitieuze batterijplannen in gang gezet, die goed aansluiten op de roadmap van Leydenjar. Rood: ‘Er zijn plannen voor de bouw van ongeveer 15 Europese gigafactory’s, die allemaal op zoek zijn naar een concurrentievoordeel. We zijn ervan overtuigd dat we daarin kunnen voorzien, dus dit is een enorme kans voor ons.’