Detta projekt syftar till att undersöka den termiska rusningsprocessen hos ett litiumjonbatteri med en fluorfri elektrolyt och jämföra den med en kommersiellt använd fluor-innehållande elektrolyt. Battericellerna innehöll silikon-grafit som anod och LiNi0.6Mn0.2Co0.2O2 (NMC622) som katod. Den fluorfria elektrolyten var baserad på litium bis(oxalato)borat (LiBOB) i organisk lösning med additivet vinylen karbonat(VC). Det jämfördes med en fluor-innehållande elektrolyt med LiPF6 i samma organiska lösning tillsammans med VC och fluoroetylene karbonat (FEC). De termiska stabilitetstesterna utfördes med Accelerating Rate Calorimetry (ARC) och Differentiell svepkalorimetri (DSC). Både knappceller och pouchceller har undersökts med hjälp av ARC. Trots flera försök med olika uppställning kunde den termiska rusningen inte bli detekterad för någon av celltyperna, med slutsatsen att en störremängd aktivt material behövs. Istället användes DSC för att undersöka de termiska reaktionerna hos batteri-komponenterna. Resultaten visade att anoden var mer termisk stabil med den fluorfria elektolyten, medan samma elektrolyt visade mindre termisk stabilitet på katoden. Vidare undersökningar behövs dock för bekräftelse av katoden. / This project aims to investigate the thermal runaway process of fluorine-free lithium ion battery cells and to compare this with a commercially used fluorinated electrolyte. The cells consisted of a silicon-graphite composite anode and a LiNi0.6Mn0.2Co0.2O2(NMC622) cathode. The non-fluorinated electrolyte used was based on lithiumbis(oxalato)borate (LiBOB) in organic solvents with the additive vinylene carbonate(VC). Moreover, the fluorinated electrolyte consisted of LiPF6 in the same organic solvents together with VC and fluoroethylene carbonate (FEC). The thermal stability measurements have included Accelerating Rate Calorimetry (ARC) and Differential Scanning Calorimetry (DSC). Moreover, both coin cells and pouch cells have been examined by ARC. However, thermal runaway could not be detected for either type of cells, concluding that a greater amount of active material was needed. In order to measure the thermal reactions of the battery components, DSC was used. These results concluded that the anode was more thermally stable with a non-fluorinated electrolyte. However, the thermal stability appeared to be lower for the cathode, therefore, further investigation is needed for confirmation of the cathode.

Many countries including Sweden are planning to replace fossil fuel-based vehicles with electric vehicles. This is one of the main reasons that companies all over the world are investing more and more money in the development of lithium-ion batteries, for electric vehicles. There are several different risks with the conventional lithium-ion batteries including the high flammability of the electrolytes, which can lead to high heat release rate, risk of explosion and high toxicity in the form of hydrogen fluoride gas. The hydrogen fluoride is lethal even at low concentration. These potential risks are based on the structure of the flammable electrolytes inside the lithium-ion batteries. Because of that, there is a big interest in finding an electrolyte with similar battery performance and better fire properties as compared with the conventional electrolytes commercially available on the market.   The intent with this work is to investigate the fire properties of different halogen-free electrolytes. The two newly developed salts Li[MEA] & Li[MEEA] as well as the available salt Li[BOB] will be compared with the commercially used halogen-containing electrolyte based on lithium hexafluorophosphate (LiPF6) salt.   Physical and electrochemical properties of these electrolytes such as solubility in different organic solvents, density, viscosity, ionic conductivity and electrochemical window will be studied in the first step. The electrolytes showing the most promising electrochemical properties will then be further investigated regarding fire properties, heat release rate, flash point and toxicity. The electrolytes will be compared with the conventional electrolyte containing LiPF6.   Li[BOB] was not dissolved in the solvents with the strongest dissolving properties, therefore it was not further tested. The electrolytes that were tested regarding fire properties were Li[MEA] and Li[MEEA] with the organic solvents of ethylene carbonate and dimethyl carbonate. Ionic liquid was also added to Li[MEEA] to investigate how it affected the fire properties for the electrolyte.   When examine the heat release rate for the newly developed salts, as well as LiPF6, it was observed that the highest peaks were similar to each other. The combustion time for the electrolyte containing LiPF6 was noticeable shorter than for the other three electrolytes. This is likely due to the fluorine content in LiPF6. The electrolytes undergoing the cone calorimeter test in this work was not charged so therefore the peaks of the heat release rate may look different. For further studies, it could be of interest to construct a complete lithium-ion battery using these electrolytes to see how the battery cells and the electrolytes behave in different set of charges.   Another essential point, is the ignition time that showed varied times for the tests containing Li[MEEA] together with the organic solvents and with the added ionic liquid. This is an interesting result that probably can be explained by the homogeneity of the electrolyte. The homogeneity was only verified with the help of the human eye and therefore it may not be fully dissolved.   The flashpoint for the different mixtures of electrolytes showed values of interest where the electrolyte containing ionic liquid that showed the lowest flashpoint. This was unexpected concerning that these types of additives are common for improving the fire resistance capacity.   The key aspect discussed when analyzing the result from the FTIR spectroscopy was how the Li[MEA], Li[MEEA] and LiPF6 salts varied. The ones that did not have any fluorine in its structure resulted in production of carbon dioxide. However, the electrolyte containing fluorine resulted, as expected, in values of hydrogen fluorine and carbon dioxide but also other combustion products that was hard to determine.   These salts and electrolytes need to be further studied and tested to see if it is possible to use them in an actual lithium-ion battery. Besides further tests of the salts and ionic liquid tested in this work, it is important that the work with conventional and newly developed electrolytes aims for improvements in fire resistance as well as toxicity. / Många länder inklusive Sverige planerar att byta ut fordon som använder fossila bränslen mot elfordon. Detta är en av huvudanledningarna till att företag runt om i världen satsar mer och mer pengar på att utveckla litiumjonbatterier för elfordon. Litiumjonbatterier medför en del risker såsom hög värmeutveckling, brandfarliga vätskor, risk för explosion och toxiska gaser samt produceringen av vätefluorid. Redan vid låga koncentrationer är vätefluoriden dödlig. Riskerna baseras på strukturen av elektrolyten som finns i litiumjonbatteriet. På grund av dessa risker så är det intressant att utveckla en elektrolyt som har liknande batteriegenskaper men bättre brandegenskaper än de elektrolyter som finns och används idag.   I detta arbete har brandegenskaper för olika halogenfria elektrolyter testats. De två nyutvecklade salterna Li[MEA] & Li[MEEA] har tillsammans med det existerande saltet Li[BOB] jämförts med det kommersiella saltet litium hexafluorfosfat (LiPF6) som används till många elektrolyter i dagens litiumjonbatterier.   De fysiska och elektrokemiska egenskaperna såsom löslighet i organiska lösningsmedel, densitet, viskositet, jonkonduktiviet och elektrokemiskt fönster har testats för elektrolyterna i den första delen av arbetet. Elektrolyterna som uppvisade de mest lovande elektrokemiska egenskaper har även testats med avseende på brandegenskaperna, så som värmeutveckling, flampunkt och toxicitet. Elektrolyterna jämfördes mot den vanligt förekommande elektrolyten som innehåller litium hexafluorfosfat.   Saltet Li[BOB] löstes inte i lösningsmedel med bra lösningsegenskaper, vilket var anledningen till att det inte genomfördes ytterligare tester på den. Elektrolyterna som det genomfördes tester på avseende på brandegenskaper innehöll Li[MEA] och Li[MEEA] tillsammans med de organiska lösningsmedlen etylenekarbonat och dimetylkarbonat. För Li[MEEA] tillsattes det även jonvätska för att undersöka hur jonvätskan påverkar brandegenskaperna för elektrolyten.   När värmeutveckling för det nyutvecklade salterna och LiPF6 undersöktes, så uppvisade de liknande värden. Anmärkningsvärt var dock att förbränningstiden för LiPF6 varade under en kortare period i jämförelse med de tre andra elektrolyterna. En trolig orsak till detta är att LiPF6 innehåller fluor. Elektrolyterna som provades i konkalorimeter i detta arbete var ej laddade, vilket kan medföra att värmeutvecklingen kan se annorlunda ut vid ett laddat tillstånd. För framtida studier kan det vara intressant att konstruera ett komplett litiumjonbatteri, för att se hur elektrolyterna fungerar och påverkas, beroende på laddningsnivå.   Antändningstiden för Li[MEEA] blandat med de organiska lösningsmedlen tillsammans med jonvätska varierade mycket. Detta är ett intressant resultat, som förmodligen kan förklaras av homogeniteten på elektrolyten. Homogeniteten verifierades enbart okulärt, vilket inte säkerställer att jonvätskan har löst sig fullständigt i elektrolyten.   Resultat för flampunkten för det olika elektrolyterna var intressant, då elektrolyten som innehöll jonvätska visade på lägst flampunkt. Detta var oväntat då tillsatser som jonvätska brukar förbättra brandmotståndet.   Resultatet för FTIR-spektroskopin analyserades för att se hur Li[MEA], Li[MEEA] och LiPF6 skiljde sig åt. De elektrolyter som inte innehöll fluor, producerade bara koldioxid. Medans elektrolyten som innehöll fluor producerade, som väntat, vätefluorid och koldioxid, men även andra gaser som var svåranalyserade.   De framtagna elektrolyterna i detta arbete behöver studeras vidare och fler tester bör genomföras för att se om det finns en möjlighet att använda dem i faktiska litiumjonbatterier. Förutom att testa elektrolyterna i just detta arbete är det viktigt att forskningen kring brandegenskaper och toxiska egenskaper för elektrolyter fortsätter i framtiden.

Varaktig vattenavvisning från engelskans Durable Water Repellents (DWR) är en kemi som appliceras på textil för att göra den motståndskraftig mot vätska. En DWR-kemi som visat sig vara till stor belastning för miljön och därför genomgått en utfasning inom industrin är fluorkarboner. Detta har lett till fluorfria alternativ och även modifierade fluorkarboner vilka det finns bristande information kring gällande risker för miljö och hälsa. I och med övergången från fluorerade DWR till de fluorfria alternativen aktualiserades frågan kring hur ”durable”, alltså motståndskraftiga mot tvätt och användning, dessa verkligen är. Detta har resulterat i ett stort utbud av konsumentprodukter för återupplivning av vattenavvisning på beklädnad i hemmamiljö. Dessa konsumentprodukter har benämnts som återimpregneringar i denna studie. Återimpregneringar kan göra att användaren förblir nöjd med beklädnaden och detta minskar i sin tur det textila avfallet. Området är outforskat och industrin vill veta mer om dessa konsumentprodukter inklusive hur det textila materialet påverkas av dem. Studien har utgått från ett kundperspektiv vid val av relevanta parametrar och på ett kreativt sätt översatt dessa till laborativa testmetoder. De parametrar som funnits med i studien har varit vattenavvisning, färgförändring, luftgenomsläpplighet samt känsla vilka har använts för analys och jämförelse mellan åtta stycken fluorfria återimpregneringar. Två etablerade appliceringstekniker, wash-in och spray-on, har undersökts på fyra olika textilier som skulle kunna representera frilufts- samt arbetskläder. Två av textilierna var av polyester och två var av polyamid. Samtliga återimpregneringar gav en ökad vattenavvisande effekt. Resultatet varierade beroende på vilket textilt material och vilken återimpregnering som användes. De övriga testmetoderna, färgförändring, luftgenomsläpplighet och böjstyvhet, visade även de liknande variationer i resultaten. Wash-in och spray-on teknikerna kunde generellt visa på statistiska skillnader. Även produkter med samma varumärke applicerade med wash-in och spray-on teknik visade skilda resultat. De laborativa testmetoderna som valts ut visade sig vara användbara verktyg för utvärdering av återimpregneringar vid textilapplicering.  Utifrån litteraturens rön och denna studies resultat har slutsatsen dragits att konsumentprodukter för återimpregnering av textil har betydande skillnader beroende av vilken DWR-kemi de består av samt textiliens konstruktion och fibersort. Det säkraste fluorfria alternativet ur miljösynpunkt tros av rapportförfattarna vara vax som klassas som en kolväteskemi, men det finns mycket kvar att utforska innan en sådan slutsats kan dras med säkerhet. Denna studie har varit ett inledande steg mot att undersöka återimpregneringar som förhoppningsvis i framtiden kan leda till ett minskat textilt avfall med minsta möjliga miljöbelastning. / The textile industry uses durable water repellents (DWR) to achieve water repellency on textiles. One of these DWR chemistries, fluorocarbons, is an environmental issue and has therefore been phased-out in the industry. This has resulted in a market where both modified fluorocarbons and fluorine-free alternatives are available and there is a lack of information about these DWR regarding health and environmental aspects. Due to the changeover from the fluorinated DWR to the non-fluorinated options, the question was raised about how durable these really are. This resulted in a wide range of do-it-yourself consumer products for the water repellency revival. These consumer products have been referred to as reimpregnations in this study. The purpose of reimpregnations is to give clothing a longer life cycle. The customer remains satisfied with the garment and this in turn reduces the textile waste. The industry wants to know more about these unexplored consumer products, including how the textile material is affected by them. A customer perspective has been the basis for selecting relevant parameters in this study, which has been creatively translated into laboratory test methods. Parameters in this study have been water repellency, color change, air permeability and fabric hand. These have been used for analysis and comparison of eight fluorine-free reimpregnations. The techniques used were wash-in and spray-on and have been investigated on four different textiles representing outdoor clothing and workwear, two made of polyester and two of polyamide. All the reimpregnations showed an increased effect in water repellency. The result varied depending on which textile material and what kind of reimpregnation that was used. The other test methods also showed variation according to these factors. Over all the wash-in and spray-on techniques showed a statistical significance. Products from the same brand applied with wash-in and spray-on techniques also showed different results. The selected laboratory test methods proved to be useful tools for evaluation of reimpregnations in textile applications. Based on the literature combined with the results from this study the conclusion has been made that reimpregnation, of textile materials, has a significant difference between DWR chemistries as well as the construction and fibre type of the textile. The safest fluorine-free option, from an environmental point of view, is believed to be wax, which is classified as a hydrocarbon chemistry, however there is much left to explore before such a conclusion can be made with certainty. This study has been an initial step towards the investigation of reimpregnations, which hopefully in the future can lead to reduced textile waste with as little environmental impact as possible.