Strömmar ut från metall till elektrolyt orsakar korrosion vilket försvagar metallen och kan leda till sönderfall. Det finns sätt att skydda mot korrosion. Ett isolerande skikt kan läggas mellan metall och elektrolyt för att dämpa strömmen ut i elektrolyt. För att hindra att ström alls går ut i elektrolyt kan anod och katod sammankopplas metalliskt. Vissa ämnen som kallas inhibitorer kan hämma korrosionshastigheten när tillagda i rätt mängd. Kan också mota elektroner som vill ut med elektroner in. I uppsatsen undersöks läckströmmars beteende för olika marktyper, metaller och spänningar.

Smältkarbonatbränslecellen (MCFC) är en högtemperaturbränslecell för stationära applikationer. Den har samma höga totalverkningsgrad som konventionella kraftvärme-anläggningar, men kan byggas i mindre moduler (från 250 kWe). De små modulerna och den bränsleflexibilitet (naturgas, biogas, etanol, diesel) som MCFC har, gör den intressant för exempelvis industrier med organiska restprodukter och höga krav på tillförlitlighet. Den höga temperaturen och närvaron av en saltsmälta gör dock materialdegradering till en viktig faktor för forskning och utveckling inom området. För även om de fälttester som nyligen gjorts har visat på att vissa av degraderingsprocesserna är mindre allvarliga än förväntat, finns fortfarande ett behov av utveckling för att sänka kostnaderna och förlänga livstiden. I första delen av detta arbete undersöktes material för olika delar av cellen inom ramarna för EU-projektet IRMATECH. Materialen ansågs vara interessanta alternativ till de nuvarande materialen på grund av deras lägre kostnad och/eller bättre prestanda. Två alternativa anodströmtilledarmaterial undersöktes. För anodströmtilledaren är korrosionen och den elektriska resistansen av det eventuella oxidlagret nyckelparametrar. Dessa parametrar undersöktes och utvärderades. Fastän de båda alternativa materialen hade oxidlager med låg resistans, fanns indikationer på korrosionsprocesser som kan äventyra materialets långtidsstabilitet. För katodmaterialet, NiO, har upplösningen varit problemet. De upplösta nickeljonerna fälls ut i elektrolyten och bildar dendriter som kan kortsluta cellen. Därför undersöktes nickelupplösningen hos tre alternativa katodmaterial. Det mest lovande materialet, en nickeloxid-katod dopad med magnesium och järn testades i en singelcell för att studera elektrokemisk prestanda, morfologi och områden där nickelutfällning skett. Resultaten visade att prestandan var jämförbar med NiO, men att den mekaniska stabiliteten måste undersökas ytterligare. I ”wet-seal”-området är det rostfria stålet belagt med ett aluminiumskikt för att skydda det från den mycket korrosiva miljön. Tillverkningsprocesserna för dessa aluminiumbeläggningar har hittills varit dyra och komplexa. Därför utvärderades en alternativ tillverkningsprocess. Beläggningen, studerad i både reducerande och oxiderande miljö visade en tendens till att spricka och därmed exponera det underliggande rostfria stålet. Detta berodde troligtvis på en manuell beläggningsprocess som resulterade i ett inhomogent ytskikt. I den andra delen av arbetet föreslogs en alternativ tillverkningsmetod, baserad på nyligen publicerade resultat där man elektrodeponerat aluminium från jonvätskor. Dessa har ett större katodiskt fönster än vatten och möjliggör därför elektrodeponering av elektropositiva material. För att göra processen industrivänlig provades ett alternativ till den vanligen använda aluminiumtrikloriden. Det visade sig dock att påverkan av miljön på stabiliteten hos jonvätskan behövde undersökas innan några material kunde tillverkas. Vatten i kombination med syre visade sig ha en stor inverkan på den katodiska strömtätheten. I frånvaro av dessa komponenter var jonvätskan mycket stabil. / The Molten Carbonate Fuel Cell (MCFC) is a high temperature fuel cell for stationary applications. It has the same high over-all efficiency (90%) as traditional combined heat and power plants, but MCFC can be built in small modules (from 250 kWe). The small modules in combination with fuel flexibility (natural gas, biogas, ethanol, diesel) makes MCFC an interesting alternative for industries with organic waste and high demands for reliability. The high temperature (650 °C) and the presence of molten salt result however in material degradation. Corrosion and dissolution of the materials used have been the challenge for MCFC. Although long-term field trials have shown that some of the material problems are not as severe as first believed, further material development is necessary to decrease the cost and prolong the life-time. In the first part of this work, materials for different parts of the cell were tested within the EU project IRMATECH. The materials were interesting alternatives to the state-of-the-art materials due to their lower cost and/or better performance. Two alternative anode current collector materials were tested. For the anode current collector the corrosion and electrical resistance of the possible oxide layer are key parameters. These parameters were investigated and evaluated. Although both the materials showed a low resistance, there were indications of corrosion processes which could affect the life-time of the material. For the cathode material, NiO, the dissolution of the material has been a problem. The dissolved nickel ions precipitate in the electrolyte and form conductive nickel dendrites that eventually short-circuit the cell. Therefore, the nickel dissolution of three alternative cathode materials was tested. The most promising material, a NiO doped with magnesium and iron, was tested in a single cell to study the electrical performance, the morphology after operation and the area where nickel had precipitated. The results showed that the performance was comparable to NiO, but it is necessary to investigate the mechanical strength of the material further. In the wet-seal area, the stainless steel is coated with an aluminium coating to protect the material from a severe corrosion environment. The production of aluminium coatings has so far been expensive and complex and an alternative coating process was evaluated. The alternative coating, tested in both reducing and oxidising environments showed a tendency to crack and expose the stainless steel to the corrosive environment. This was suggested being due to the manual coating process that resulted in inhomogeneous coatings. In the second part, an alternative process to coat the wet-seal was suggested, based on recently published results where aluminium had been electrodeposited from ionic liquids. These solvents have a wider electrochemical window than water, and electropositive materials can therefore be deposited. To make the coating process suitable for industrial applications, an alternative to the commonly used AlCl3 was tested. It was shown however, that the influence of the environment had to be investigated before any materials could be produced. The environment, especially water in combination with oxygen was shown to influence the cathodic current density. In absence of these components, the ionic liquid was shown to be very stable. / QC 20100906

”Coin cell”-tillverkningen täcker hela processen från NMC-pulver till faktisk cell- och prestandautvärdering genom att cykla celler. Nydanande utveckling av elektrodmaterialen är nyckeln till att öka energitätheten hos litium-jon/metall-batterier för elfordon och nätlagring. Prestandan hos nya katodmaterial utvärderas vanligtvis genom att sätta samman knappcellsbatterier (coin cell) som s.k. halvceller med katodmaterialet som arbetselektrod och litium som motelektrod. Detta dokument beskriver ingående metodvalideringen för tillverkning av knappcellsbatterier. Dokumentet innehåller metodik, resultat och slutsatser från den genomförda metodvalideringen. Syftet med denna studie var att validera en befintlig metod för tillverkning av knappceller, och förbättra metoden genom att upptäcka de största källorna till avvikelser och eliminera dem. För validering Gauge R och R görs linjäritetstest för att validera noggrannhet och precision av metoden vilket är en del av sex sigma-strategin som används i många industrier. Verifieringen görs med livscykeltest och impedansspektroskopi. Den validerade metoden kommer att implementeras som standard i kvalitetskontrollabbet vid Northvolt Labs för att testa de elektrokemiska egenskaperna och prestandan hos kalcinerat NMC-material. / Coin cell manufacturing involves the entire process from NMC powder to the actual cell and performance evaluation through cycling. The development of novel positive electrodes is the most important way to increase the energy density of lithium-ion/metal batteries for electric vehicles and grid storage. The performance of new cathode/anode materials is usually evaluated by assembling coin half cells with a working electrode as the cathode and lithium as the counter electrode. This document describes in detail the procedure used in method validation for coin cell fabrication. The document includes the validation study methodology, results, and conclusions. The objective of this study was to validate an existing method for coin cell manufacturing, to identify and eliminate the main sources of variation, and thus to improve the method. For validation, Gage R and R measurements, linearity and bias tests are performed to verify the accuracy and precision of the method, which is part of the Six Sigma strategy used by many companies. Cycle life and electrochemical impedance spectroscopy are used to verify the developed methods. The validated method will be implemented as a standard in Northvolt’s quality control laboratory to test the electrochemical properties and performance of calcined NMC material.

Testing of hardware to be used in space sometimes involves using vacuum chambers. The need to test hollow cathodes, used as neutralizers for some Electric Propulsion Thrusters, and low power Hall Effect Thrusters at OHB Sweden requires a vacuum chamber to be upgraded. The thesis aims firstly to show the process of adapting the vacuum chamber at OHB to test a heaterless hollow cathode. The requirements of the test included a maximum temperature of a 100 °C in the cathode’s bracket and a pressure inside the chamber around 10¯6 mbar during the test. To accomplish the first, the mounting structure was subjected to a thermal simulation using CREO. Once, the requirement was fulfilled the structure was manufactured and mounted. For the second requirement, a vacuum chamber characterization was done to see the pressure evolution inside the facility. Lastly, the fluid line was designed and mounted in the facility. An upgrade of the current vacuum chamber was deemed insufficient to test low power Hall Effect Thrusters. A comparison between the current vacuum chamber at OHB Sweden and other vacuum chambers designed for this purpose was made. The conclusion was drawn that a new vacuum chamber is necessary. Proposals for the design of a new vacuum facility are presented with particular focus on dimensions, the pump system, sputter protection and thermal protection. / Testandet av hårdvara som ska användas i rymden involverar ibland vakuumkammare. Behovet av att testa hollow cathodes, som används som neutraliserare för vissa jonmotorer, och Hall Effect Thrusters med låg effekt hos OHB Sweden kräver att en vakuumkammare uppgraderas. Avhandlingen syftar först till att redogöra för hur en av vakuumkammarna hos OHB Sweden kan anpassas för att testa en heaterless hollow cathode. Kraven för testet inkluderar en maximal temperatur på 100 °C grader i katodens fäste och och ett vakuum runt 10 ¯6 mbar. En jig designades genom bland annat termisk simulering i CREO. När det termiska kravet ansågs uppfyllas tillverkades och installerades denna jig. För det andra kravet karakteriserades vakuumkammaren med dess vakuumpumpar i syfte att bedöma om dessa kunde uppfylla kravet. Slutligen designades och installerades ett rörsystem som möjliggör matning av bränsle till testobjekten. En uppgradering av nuvarande vakuumkammare bedömdes otillräcklig för att testa Hall Effect Thrusters med låg effekt. En jämförelse mellan nuvarande vakuumkammare på OHB Sweden och andra vakuumkammare designade för detta ändamål gjordes och slutsatsen drogs att en ny vakuumkammare är nödvändig. Förslag på design av ny vakuumkammare presenteras med särkilt fokus på dimensioner, pumpssystemet, sputtingskydd och termiskt skydd.