Different kinds of batteries suit different applications, and consequently several different chemistries exist. In order to better understand the limitations of low temperature performance, a Li-ion battery chemistry normally intended for room temperature use, graphite-Lithium Iron Phosphate, with 1 M LiPF6 ethylene carbonate:diethylene carbonate electrolyte, is here put under testing at -10°C and compared with room temperature cycling performance. Understanding the temperature limitations of this battery chemistry will give better understanding of the desired properties of a substitute using alternative materials. The experimental studies have comprised a combination of battery cycle testing, and surface analysis of the electrodes by Scanning Electron Microscopy and X-Ray Photoelectron Spectroscopy. Results showed that with low enough rate, temperature is less of a problem, but with increased charge rate, there are increasingly severe effects on performance at low temperatures. XPS measurements of low charge rate samples showed similar Solid Electrolyte Interface layers formed on the graphite anode for room- and low temperature batteries, but with indications of a thicker layer on the former. A section of the report handles specific low temperature battery chemistries. The conclusions- and outlook were made by comparing the results found in the study with earlier findings on low temperature Li-ion batteries and present possible approaches for modifying battery performance at lowered temperatures. / I detta projekt har litium-jon-batterier testats i avseende på sina lågtemperaturprestanda. Arbetet gjordes genom att testa och jämföra prestantda mellan prover vid -10°C och rumstemperaturprover. Med analytiska instrument studerades både den morfologiska och kemiska förändring som skett under användning. Vald batterikemi har varit av slaget grafit-litiumjärnfosfat med en typisk organisk elektrolyt. Denna batterikemi är inte på något sätt anpassad för lågtemperaturprestanda och med det hoppas kunna påvisas de effekter som en mer lämpligt lågtemperaturkemi åtgärdar, och förstå hur de gör det. Med låg temperatur uppkommer en större ’tröghet’ för de kemiska reaktioner som sker i ett batteri. Om designen inte är särskilt gjord för låg temperatur kan effekterna bli osäkra, rent av farliga. Risken ökar nämligen för plätering av metalliskt litium på den negativa elektroden, och skulle litiumdeponeringen växa i den riktning som kopplar samman batteriets poler så kortsluts systemet. Med den höga energidensitet som karaktäriserar litium-jon-batterier vore en kortslutning extra beklaglig då den organiska elektrolyten kan antändas, med en potentiell explosion som följd.Inom särskilda applikationer kan lågtemperaturmiljöer förväntas för ett batteri, till exempel för fordon. En elbil i skandinaviskt klimat skulle behöva fungera ohindrat även vintertid, då temperaturerna ofta når -10°C och lägre. Samtidigt får man påminnas om att litium-jon-batterierna är relativt moderna och ännu inte har fått något stort genomslag som framdrivningsmedel. Detta försätter bilindustrin i ett krafigt behov av omfattande forskning för att kunna ta strategiskt sunda beslut för att möjliggöra en ordentlig introducering av elbilar som trovärdig ersättare till de fossilt drivna bilarna. I linje med trenden att ständigt bygga säkrare bilar måste elbilarna kunna visa upp förutsägbarhet, och med detta pålitlighet och säkerhet. I detta arbetet erhölls resultat som visade på batterifunktion även vid den sänkta temperaturen, men med gränser för hur snabbt laddningöverföring kunde ske jämfört med i rumstemperatur. Bevis för bildande av skyddsfilm på anod efter 1.5 battericykler, snarlik komposition för -10°C - och rumstemperaturbatterier – men med vissa indikationer på ett tjockare bildat lager hos den senare. Därtill gjordes jämförelser med specifika lågtemperaturselektrolyter, där en skillnad i framförallt innehåll utav etylkarbonat (mindre andel vid lågtemperaturapplikationer) uppvisar stora förbättringar i kallare klimat. En sådan provblandning gjordes och uppvisade bättre prestanda vid -10°C än rumstemperaturbatterier med standardelektrolyt. Arbetet har utförts vid Institutionen för Kemi-Ångström vid Uppsala universitet.

With an increasing demand for sustainable transport solutions, there is a demand for electrified vehicles. One way to store energy on board an electrified vehicle is to use a lithium-ion battery (LIB). This battery technology has many advantages, such as being rechargeable and enabling reasonably high power output and capacity. To ensure reliable operation of LIB:s, the battery management system (BMS) must be designed with regards to the electrochemical dynamics of the battery. However, since the battery ages over time, the dynamics changes as well. It is possible to predict ageing, but some ageing mechanisms can occur randomly, e.g. due to variations of circumstances during manufacturing, and variations of battery user choices. Hence, by monitoring ageing mechanisms in situ, the BMS can adapt accordingly, similar to a closed loop control system. One ageing mechanism in LIB:s is lithium plating. This mechanism signifies when Li ions are electrochemically deposited as metal onto the negative electrode of the LIB during charging, and can induce other ageing mechanisms, such as gassing or electrolyte reduction. The present project has investigated a method for detecting Li plating in situ after its occurrence by both analysing the voltage change over time during open-circuit voltage (OCV) periods after charging and monitoring battery swelling forces. Results show a correlation between a high probability of Li plating and the appearance of a swelling force peak and an OCV plateau. However, results also show a possible correlation between the onset of Li plating and the onset of the swelling force peak, while also showing a greater detectability of the force signal compared to the electrochemical signal. Furthermore, the present results show that the magnitudes of both signals are probably related to the amount of plated Li. The amount of irreversibly lost Li from plating is shown to have a possible correlation with accumulation of swelling pressure. However, to further validate the feasibility of these two signals, more advanced analysis is required, which was not available during this project. / Med en ökande efterfråga på hållbara transportlösningar så finns det ett behov av elektrifierade fordon. Ett sätt att lagra energi ombord ett elektrifierat fordon är att använda et litium-jon-batteri. Denna batteriteknologi har många fördelar: t.ex. är dessa batterier återladdningsbara, och de kan leverera höga uteffekter samtidigt som de kan ha ett stort energiinnehåll. för att säkerställa en säker drift av litium-jon-batterier måste batteriets styrsystem vara designat med hänsyn till den elektrokemiska dynamiken inuti batteriet. Dock åldras batteriet med tiden, vilket innebär att denna dynamik ändras med tiden, vilket innebär att styrningen av batteriet måste anpassa sig till denna föråldring. Det är möjligt att förutspå åldring av batterier, men vissa åldringsmekanismer kan ske slumpartat, t.ex. via slumpmässiga förändringar i tillverkningsprocessen av batteriet, eller variationer i användningen av batteriet. Genom att därmed bevaka dessa åldringsmekanismer in situ så kan styrsystemets algoritm anpassa sig utmed batteriåldringen, trots dessa slumpartade effekter. En åldringmekanism hos litium-jon-batterier är s.k. litiumplätering. Denna mekanism innebär att litium-joner elektrokemiskt pläteras i form av metalliskt litium på ytan av litium-jon-batteriets negativa elektrod. Mekanismen kan också inducera andra åldringsmekanismer, t.ex. gasutveckling eller elektrolytreduktion. Detta projekt har undersökt en metod för att detektera litiumplätering in situ efter att plätering har skett, genom att både analysera öppencellspänningens (OCV) förändring med tiden direkt efter uppladdning samt analysera de svällande krafterna som uppstår under uppladdning av batteriet. Resultaten visar på en korrelation mellan en hög sannolikhet för litiumplätering och observationen av en topp i svällningskraft och en platå i OCV-kurvan. resultaten visar också en möjlig korrelation mellan påbörjandet av litium-plätering och påbörjandet av toppen i svällningskraft. Vidare visar även resultaten ett troligt samband mellan signalernas magnitud och mängden pläterat litium. Slutligen visar resultaten också ett möjligt samband mellan irreversibelt pläterat litium och ett svällningstryck som ackumuleras med varje uppladdningscykel. Dock krävs det en validering med mer avancerade analysmetoder för att säkerställa användningsbarheten av dessa två signaler, vilket ej var möjligt inom detta projekt.