Den gröna omställningen kräver solceller och GREEN14 ska få fram rent kisel snabbare, enklare och billigare
Av Jörgen Städje
Företaget GREEN14 vill göra kisel till solceller och elektroder i litium-jon-batterier med en ny metod. Företaget som nu har fyra anställda, och aktiverar nio personer startade 2021, med avsikten att få bort kolet ur tillverkningen av kisel och att få tillbaka tillverkningen av kisel till halvledare, batterielektroder och solceller till Europa, eftersom den huvudsakliga produktionen för närvarande försiggår i Kina. Avsikten är vidare att ha en fungerande pilotanläggning igång detta år och producera kisel till industrin. Sverige är tyvärr inte något stort land för halvledarproduktion, men framställning av kisel har inget med halvledare att göra utan hamnar i kategorin metallurgi.
Den enda anledningen till att GREEN14 etablerade sig i Sverige är att vi är bra på gruvdrift. Jordskorpan består som tur är huvudsakligen av kisel, så råvaran är inte särskilt svåråtkomlig. Tillverkningen av solceller i Sverige är dock minimal i förhållande till Italien, Tyskland, USA och Kina. De stora producenterna av litiumjonbatterier finns i USA, så man förväntar sig att få sälja dit.
Gammalt och nytt
Den gängse metoden att framställa rent kisel ur kiseldioxid är genom reduktion av kiseldioxid med kol vid 1627 °C i ljusbågsugn, varefter man fortsätter med den sk Siemens-processen. Processen är långdragen, kräver mycket höga temperaturer och drar därmed mycket energi och det tar cirka 24 timmar för kislet att komma igenom processen. Ur processen kommer givetvis rent kisel, men kolet som förenar sig med syret blir till koldioxid som man inte kan göra något med, utan släpper ut. Det påminner inte så lite om den numera gammalmodiga metoden att framställa järn ur järnmalm, genom att reducera malmen med kol i masugn. Och resultatet blir detsamma: koldioxid.
GREEN14 vill ersätta ljusbågs- och siemens-processerna med en betydligt snabbare process, som inte åstadkommer koldioxid. Kislet som kommer från GREEN14 blir varken renare eller bättre än andras kisel, men tillverkningen är betydligt snabbare och förbrukar mindre energi. Det enda som kommer ur processen är vattenånga. Och ädelgasen argon, men den gasen är och har alltid varit en naturlig del av atmosfären, där den alltid förekommit i en koncentration av en procent.
Processen
Kiselmalmen kvartsit grävs upp ur en gruva i Dalsland, krossas till pulver och får falla genom ett munstycke in i en reaktionskammare där det blandas med argon och vätgas och joniseras till ett plasma med hjälp av elektrisk ljusbåge.
Reaktionskammaren är inte mer än ett par centimeter lång och temperaturen i plasmat, som var cirka 15 000 grader i början, faller snabbt till cirka 5000 grader och det är i detta temperaturområde som reaktionen sker.
Som framgår av processdiagrammet används ädelgasen argon i plasmat. Argon kan inte delta i någon kemisk reaktion, men gasen är lätt att jonisera och underlättar därför skapandet och vidmakthållandet av ett stabilt plasma. Argonet underlättar energiöverföringen i plasmat genom att argonjonerna kolliderar med andra ämnen i plasmat, överför sin energi och ökar verkningsgraden i processen.
Man kan förenklat se det hela som att man kastar in kvartsitpulver i en jetmotor och samlar upp kislet som kommer ut i andra änden. Ur plasmat kommer både kisel i fast form och kisel som förenats med vätet och blivit till silan. Silan är en gas som består av en kiselatom och fyra väteatomer. Halvledartillverkare föredrar metalliskt kisel, medan tillverkare av batterielektroder föredrar silan-gas.
Vätet förenar sig också med syret i kiseldioxiden och resultatet blir vatten, som lämnar processen.
Dessutom kommer det ut en del skräp, främst de föroreningar som fanns i kiselstenen, diverse metalloxider och liknande, som inte kan användas vidare.
Vidarebearbetning
Kislet som GREEN14 säljer, undergår samma reningsprocess som allt annat kisel som ska bli högrent. Kislet säljs i form av stora block, till företag som renar det genom att dra upp ett kristallint göt (avlång klump) ur en smälta med Czochralski-metoden, vilket sedan renas ytterligare genom zonsmältning, där alla föroreningar dras ur götet och samlas i ena änden, vilken sedan sågas av. Efter detta har man högrent kisel, som kan sågas i skivor (wafers) och slipas och poleras till sådan grad att det kan användas till halvledartillverkning eller solceller.
Det kisel som GREEN14 producerar förädlas inte direkt i Sverige, för vi har (tyvärr) ingen massproduktion av halvledare eller tillverkning av solceller. Istället säljer man huvudsakligen till det norska förädlingsföretaget NorSun som just producerar högrent kisel för solceller med Czochralski-metoden. NorSun säljer det färdiga, uppsågade kislet vidare i form av polerade skivor till en solcellsproducent, som i sin tur säljer de färdiga, dopade kiselskivorna vidare till en solpanelsproducent, och slutligen kommer solpanelerna tillbaka till Sverige för att installeras på ett hustak av en installationsfirma.
Silanet går vidare till flera amerikanska och en holländsk tillverkare av batterielektroder: Sila, Group14 och LeydenJar Technologies. De två förstnämnda vurmar för elektroder i kisel-grafit, eftersom grafitanoder för litiumjonbatterier inte längre är senaste teknik, då dessa nådde sin energigräns för flera år sedan. Framtiden är istället kisel-grafit som både ökar batteriets verkningsgrad och ger 30 procent högre lagringsförmåga. Sila är först med att leverera en beprövad kiselbaserad anod med betydande energitäthet, utan att kompromissa med livslängden eller säkerheten. Materialet kallas Titan Silicon och de stora elbilstillverkarna verkar vara med på noterna. Group14 ska inte vara sämre, utan vill också göra sig av med grafitelektroder och införa kisel-grafit. De kallar sitt elektrodmaterial för SCC55. Kisel-grafit är tänkt att förkorta laddningstiden för elbilar betydligt, något som bilindustrin just nu skriker efter.
Holländska LeydenJar menar emellertid att elektroder i rent, flexibelt kisel är framtiden för litium-jon-batterier. De menar att deras nyutvecklade anodfolie i mjukt, poröst kisel kan eliminera de nuvarande så vanliga problemen med svällande och trasiga batterier. Deras nya hypertunna anoder gör batterierna dessutom effektivare, med 70 procent högre energidensitet än gängse batterier, varför man kan göra batterierna ungefär tio gånger tunnare än idag.
Återbruk
Intressant nog degraderas solpaneler och kan återanvändas i GREEN14s process. Vissa sorter degraderas snabbare, främst på grund av att kislet påverkas av övriga material, främst plaster, som finns i solpanelen. De kan i bästa fall leva i 25 år och inte tappa så mycket verkningsgrad, men sedan måste de skrotas. Dessutom finns det en mängd sekunda solpaneler i Europa, efter att USA slutade ta emot paneler från Kina. Gammalt kisel är överdraget med ett oxidskikt, men det kan GREEN14 klara av i sin process.
Framtiden
Samarbetet med KTH har varit ett stort framsteg för GREEN14 och man håller för närvarande på med att bygga en pilotanläggning som avses kunna producera upp till fem kilo kisel per timme. Senare kommer en demoanläggning som kan producera hela 20 kilo per timme. Efter detta avser GREEN14 att börja bedriva större produktion i Sverige och producera för den norska och tyska markanden, och sedan gå vidare och starta fabriker i USA och Sydostasien (Taiwan, Vietnam, Sydkorea etc), eftersom det är där majoriteten av alla solpaneler produceras.
Läs mer
Läs mer hos
GREEN14
NorSun
Batterielektroder
Mera batterielektroder
Tunna, böjbara batterielektroder
Faktaruta: Grönt kisel
Företagsnamnet GREEN14 är funktionellt. Det kommer sig av att kisel har atomnummer 14 i det periodiska systemet, och att materialet utvinns på ett miljövänligt sätt.