LeydenJar's rol in het bevorderen van schaalbare silicium anode productie

LeydenJar, gevestigd in Leiden en Eindhoven, is een consortiumpartner in project 2, Next-gen Apparatuur voor Batterijen en Batterij Materialen, van NXTGEN Hightech Energy. De focus van dit project ligt op de ontwikkeling van volgende generatie batterijen en de bijbehorende productieprocessen en apparatuur. De rol van LeydenJar is om zich te concentreren op het opschalen van de productie van 100% silicium anodes.

LeydenJar ontwikkelt een foliegebaseerde silicium anode, gebruikmakend van plasma-versterkte chemische dampafzetting (PECVD). Hun doel binnen het NXTGEN Hightech project is om een rol koperen folie te creëren met een laag van 100% puur silicium erop afgezet. Dit maakt hen anders dan andere partners in het consortium die siliciumpoeder ontwikkelen. LeydenJar produceert geen poeder, maar een roll-to-roll anodefolie die verder kan worden verwerkt in batterijproductie.

De zuiverheid van het silicium is een belangrijk technisch voordeel. Omdat het silicium direct op de koperen folie wordt afgezet, is geen extra bindmiddel nodig. In op poeder gebaseerde anodematerialen moet het poeder meestal worden gemengd met bindmiddelen en vervolgens worden gecoat. De bindmiddelen zijn inactieve materialen en dragen niet bij aan de energiebuffering. Door deze te vermijden, kan LeydenJar de hoeveelheid actief materiaal in de anode maximaliseren. Hoe minder inactief materiaal er is, hoe hoger de potentiële energiedichtheid van de batterij.

Binnen het NXTGEN Hightech project is LeydenJar verantwoordelijk voor verschillende activiteiten. Een van deze activiteiten richt zich op het ontwikkelen van een nieuwe, geavanceerde plasmabron. Deze bron is de sleuteltechnologie achter hun productieproces. LeydenJar werkte vroeger met microgolftechnologie als de plasmabron. Maar deze technologie bood niet de prestaties die nodig waren om te schalen naar de productievolumes en productiviteit die de markt vereist. Het proces moest sneller en efficiënter worden.

Het werk resulteerde in een nieuwe plasmabron die zeer veelbelovend bleek te zijn. Deze ontwikkeling bleek zo relevant dat LeydenJar besloot de nieuwe plasmabron eerder te implementeren dan oorspronkelijk gepland. Als gevolg hiervan werd het volgende deel van het project aangepast.

Een andere activiteit waar LeydenJar zich op richt, is het ontwikkelen van een functioneel model en ontwerp voor een productie machine van de volgende generatie. Tot nu toe werkten ze met generatie 1 en generatie 2 machines, die oorspronkelijk uit andere toepassingen kwamen en zwaar werden aangepast voor de productie van silicium anodes. Ze werken nu aan een generatie 3 machine, op maat gemaakt voor de eisen van LeydenJars eigen productieproces.

Door de nieuwe plasmabron is het ontwerp van de nieuwe generatie 3 machine gewijzigd. Het doel van dit project is nu om de nieuw ontwikkelde plasmabron te integreren in dit volledig aangepaste productiehulpmiddel. Dit is belangrijk voor verdere opschaling, maar ook voor het opbouwen van intellectueel eigendom. LeydenJar ontwikkelt niet alleen kennis rond het proces zelf, maar ook rond het productiehulpmiddel en de bijbehorende infrastructuur.

Een ander deel van LeydenJars activiteiten binnen het NXTGEN Hightech project richt zich op solid-state batterijen. Solid-state batterijen worden gezien als een volgende generatie batterijtechnologie. In deze batterijen wordt de vloeibare elektrolyt vervangen door een vast materiaal. Dit kan voordelen bieden op het gebied van veiligheid, omdat de vloeibare elektrolyt in traditionele batterijen ontvlambaar is. Solid-state batterijen kunnen ook een hogere energiedichtheid mogelijk maken, waardoor batterijen meer energie kunnen opslaan in dezelfde ruimte.

LeydenJar heeft al kennis opgedaan op dit gebied, maar deze activiteiten zijn onlangs teruggeschroefd omdat solid-state batterijen verder verwijderd zijn van hun directe commerciële focus. LeydenJar blijft echter bij dit onderwerp betrokken via samenwerking met de Technische Universiteit Delft, in het bijzonder met Professor Marnix Wagemaker. Samen hebben ze een aanvullend project opgezet waarin twee promovendi zullen werken aan solid-state batterijen met gebruik van LeydenJars silicium anodes. Dit houdt de kennisontwikkeling gaande en helpt nieuwe onderzoekers op te leiden in dit veld.

Een verschil vergeleken met andere anodeontwikkelingen is dat LeydenJar de siliciumlaag direct op de koperen folie deponeert in een enkele productiestap. Poeder-gebaseerde oplossingen vereisen verschillende stappen: het poeder moet worden gemengd, bindmiddelen moeten worden toegevoegd, het materiaal moet worden gecoat en vervolgens verder verwerkt. Met het proces dat LeydenJar gebruikt, wordt het eindproduct in één stap gecreëerd. Dit biedt voordelen op het gebied van energieverbruik, procescomplexiteit en kosten.

LeydenJar heeft ook een levenscyclusanalyse uitgevoerd waarin hun eigen productietechnologie wordt vergeleken met conventionele grafiet anode productie. Dit toont aan dat hun productieproces de uitstoot tot 85% zou kunnen verminderen vergeleken met het traditionele grafietproces. Dit maakt de technologie relevant, niet alleen vanuit het perspectief van batterijprestaties, maar ook vanuit het perspectief van duurzaamheid en productdoelmatigheid.

Nederland heeft een sterke positie op het gebied van innovatieve anode- en elektrodecomponenten. Verschillende bedrijven binnen het Nederlandse ecosysteem werken aan nieuwe batterijmaterialen en anode technologieën, waaronder E-magy, LionVolt en LeydenJar. De technologieën verschillen, maar ze richten zich allemaal op het verbeteren van batterijprestaties. Terwijl E-magy werkt met siliciumpoeder en LionVolt zich richt op andere volgende generatie batterijconcepten, werkt LeydenJar aan een foliegebaseerde 100% silicium anode.

Naast de ontwikkeling van de plasmabron en de productiemachine werkt LeydenJar ook aan nabehandelingstechnieken binnen het project. Nadat de siliciumlaag is afgezet op de folie, moet de kwaliteit van de anodes worden gecontroleerd voordat het materiaal naar klanten kan worden gestuurd. Hiervoor ontwikkelt LeydenJar een inspectie- en terugspoelgereedschap. De rol materiaal wordt door het inspectiesysteem geleid terwijl inline sensoren de kwaliteit controleren.

Verschillende sensortechnologieën worden verkend voor deze inspectiestap. Deze kunnen variëren van visuele inspectie met camera's tot technieken die meer gedetailleerde informatie over het materiaal zelf bieden. LeydenJar werkt ook aan laserablatie. Omdat de koperen folie volledig bedekt is met silicium, moeten delen van de siliciumlaag op sommige plekken worden verwijderd om de koperen stroomcollector weer bloot te leggen. Dit is noodzakelijk om later elektrische verbindingen te maken in het batterijproductieproces. Laserablatie is hiervoor een logische keuze, omdat het al op grote schaal wordt gebruikt in celproductie.

Een product gericht op het valideren van de anodes in echte batterijcellen is ook aan dit deel van het project toegevoegd. LeydenJar ontwikkelt anodes, maar klanten willen uiteindelijk zien hoe deze anodes presteren in daadwerkelijke batterijcellen. Daarom is het belangrijk om te laten zien dat het materiaal presteert als anodefolie en ook succesvol in cellen kan worden verwerkt door celproducenten.

LeydenJar werkt hieraan samen met een celproducent in China. Ze sturen hun anodes naar hun partner, waar ze worden verwerkt tot daadwerkelijke batterijcellen. Deze cellen worden teruggestuurd om te worden getest. Dit geeft inzicht in hoe de anodes zich gedragen in een echte celproductieomgeving.

De keuze van een partner in China is vooral praktisch en strategisch. Momenteel heeft Nederland nog geen volledige celproductiecapaciteit. Er zijn ontwikkelingen, zoals een toekomstige productielijn op de Automotive Campus, maar China loopt in dit veld voorop. In de productie van batterijcellen is China een van de belangrijkste spelers. Door samen te werken met een ervaren Chinese celproducent kan LeydenJar leren van partijen met expertise in grootschalige celproductie.

LeydenJar ziet China niet als een concurrent. Vooral in de batterij-industrie is samenwerking met China belangrijk, omdat daar veel kennis en productiecapaciteit is. Het uiteindelijke doel is om zelfstandiger te worden op Nederlands en Europees niveau, maar om daar te komen, is het noodzakelijk om strategisch samen te werken en te leren van de bedrijven die momenteel toonaangevend zijn in het veld.

Voor LeydenJar sluit het NXTGEN Hightech-project nauw aan bij zijn eigen ontwikkelingsroutekaart. De ontwikkeling en demonstratie van de innovatieve plasma-bron in het eerste werkpakket voedt direct de implementatie in de generatie 3-productiemachine. Dit wordt gezien als een belangrijke stap in de ontwikkeling van het bedrijf.

Voor verdere opschaling ziet LeydenJar verschillende kansen. Het huidige proces is nog niet volledig continu, maar werkt in batches. Dit betekent dat verdere optimalisatie mogelijk is op het gebied van looptijd en depositiesnelheid. LeydenJar streeft naar opschaling door meer generatie 3-machines te bouwen zodra de eerste machine goed is begrepen en gevalideerd. Rond 2027 verwachten ze een beter inzicht te hebben in hoe de machine presteert en hoe deze nog verder kan worden opgeschaald.

De belangrijkste ontwikkeling binnen het NXTGEN Hightech-project tot nu toe is de ontwikkeling van de innovatieve plasma-bron en de vertaling ervan naar de generatie 3-productiemachine. Het project heeft bijgedragen aan een belangrijke stap in de technologische ontwikkeling van LeydenJar. De combinatie van procesontwikkeling, machineontwikkeling en schaalvergroting maakt het project waardevol voor LeydenJar en voor de bredere ontwikkeling van batterijtechnologie in Nederland.

Over NXTGEN Hightech

Dit project wordt mede mogelijk gemaakt door een bijdrage uit het Nationaal Groeifondsprogramma NXTGEN Hightech. Dit programma zal tot 2030 maar liefst € 1 miljard investeren met meer dan 330 partners, in meer dan 60 projecten en in zes essentiële domeinen. Daarmee levert NXTGEN Hightech een belangrijke bijdrage aan de structurele en duurzame economische groei in Nederland en biedt oplossingen voor de grote maatschappelijke uitdagingen op het gebied van energietransitie, gezondheid, veiligheid en voedsel. Voor meer informatie, bezoek alstublieft www.nxtgenhightech.nl