Bilindustrin förflyttar sig mer och mer från bensinmotorn till det mer miljövänliga alternativet den batteridrivna motorn. För att denna övergång skall gå smidigt behöver man hålla en viss standard bensinmotorn har satt för tillgång och prestanda på marknaden. En av de större skillnaderna som finns mellan motorerna är livslängden och en av de viktigaste aspekterna man bör hålla koll på för att gå framåt inom teknologin är temperatur-hantering av batteriet. Målet med arbetet är att skapa en modell för minimumtemperaturen av en CATL 620 C batteri modul. Projektet är avgränsat till körning i kallt klimat. Verktygen som använts har varit MATLAB och dess funktioner för regression, filtrering och diagram som har använts för att analysera fram ett godtyckligt resultat av modellen. Resultaten har bearbetats och jämförts med den gamla modellen och ramverket som använts för att skapa modellen. I många fall är den bättre än den gamla modellen och den följer kurvaturen på den gamla väl i de flesta scenariona men det finns problemfall. Ett av de stora kvarvarande problemområdena är då de största influenstemperaturerna för modellen fluktuerar kraftigt. / The vehicle industry is moving away from combustion engines towards the more environmentally affordable solution electrical engines. For this transition to go smoothly the Battery-electric vehicles needs to have a certain standard that was present in the earlier engine types when it comes to availability and performance. One of the bigger differences is the longevity of the vehicles. A big part of solving that problem in a lithium-ion battery is temperature management. The aim of the project is to create a minimum temperature model of a CATL 620 C battery module. The project is limited to acquired test data from cold climate driving. The tool to solve this was with the help of MATLAB and its functions for regression, filtering and plotting to help us analyse together a viable solution. The results were compared to the old model and the framework for building the model. The model is better than the old model in a lot of cases but there are still problem-areas, especially regarding areas where the influencing temperatures are heavily fluctuating. It seems to follow the dynamics of the framework most of the time otherwise but there are still question marks regarding driving in other type of environments than what has been provided from the test-scenarios

Qu’il s’agisse de s’éclairer, de se chauffer, de s’alimenter sainement, de se soigner, de se véhiculer, de s’informer ou encore de se distraire, l’énergie a toujours été au centre des préoccupations et sa conversion en électricité est désormais omniprésente. Le lourd constat environnemental à la suite de l’exploitation intensive de sources fossiles a mené à une indispensable transition vers les énergies renouvelables. Souvent intermittentes, il est nécessaire de les stocker, généralement grâce à des batteries. Parmi les différentes technologies, cette thèse traite des batteries lithium-ion pour le stockage de l’énergie solaire. En effet, cette thèse a pour but l’étude d’un dispositif « tout-en-un » capable de convertir l’énergie solaire et de la stocker. Pour se faire, un semi-conducteur organique photoactif de la famille des pérylènes diimides (PDI) a été emprunté au domaine des cellules solaires organiques et couplé à un matériau phare et durable des batteries lithium-ion : le LiFePO4 (LFP). Cette thèse se décompose en trois parties selon une méthodologie qui vise à la compréhension fondamentale de transferts électroniques photoinduits, en amont du développement d’un dispositif. Pour aboutir à une preuve de concept, une étude de l’extinction de fluorescence du PDI en présence de LFP a d’abord été menée, afin de vérifier l’injection d’électrons en provenance du matériau de batterie dans le semi-conducteur excité. Ce travail a été fait en solution puis à l’état solide, pour la mise au point d’une photoélectrode. Ces deux études ont permis de comprendre les pré-requis du matériau d’électrode positive de batterie pour qu’il soit photoxydé, puis des résultats de spectroscopie Raman ont démontré l’importance des interfaces dans la mise en contact du PDI et du LFP. Finalement, forts d’une première preuve expérimentale de photocharge au sein d’un dispositif « photobatterie », le PDI a été polymérisé et son implémentation dans une photoélectrode de batterie lithium-ion a pu être optimisée. Ses rôles multiples (photoactif, photooxydant, conducteur électronique et liant) ont permis de générer un photocourant sans que cela ne soit au détriment du fonctionnement de la batterie. / Converting energy to electricity is ubiquitous because it plays a vital role in daily life whether for lighting, heating, health, transport, information or entertainment. Societal energy demands are often met with fuel fossils that have had deleterious environmental effects. Transitioning to renewables can mitigate these adverse outcomes. Renewable energy is often intermittent, requiring it to be stored for use during periods when the energy is unavailable. Batteries have become viable means to this end. Among the different technologies, this manuscript examines lithium-ion batteries for solar energy storage. Indeed, this work puts forward an all-in-one device: a device capable of converting and storing solar energy. To this end, a well-known photoactive organic semi-conductor in solar cells (perylene diimide; PDI) was coupled to a conventional and durable electrode material (LiFePO4; LFP) for lithium-ion batteries. This manuscript is divided into three discrete parts following the methodology to demonstrate the fundamental underlying processes of the future all-in-one device before its development: light harvesting and electron transfer. Towards a proof of concept, the thesis systematically studied the light mediated processes in solution, in the solid state, and in an operating device. Initial studies examined the fluorescence quenching of PDI with LFP. This was to validate the injection of electrons from the battery material to the photoexcited semi-conductor indeed occurred. The same emission studies were applied in the solid state for developing a photoelectrode. The two studies generated knowledge about the compositional and architectural requirements of the positive electrode material for it be photoxidized by PDI. Raman spectroscopy further demonstrated the importance of interfaces between the battery material and the organic semiconductor. These enabled a photocharge when the photobattery was illuminated. The PDI was next polymerized and enabled a photocurrent in the battery, courtesy of its collective properties (light harvester, photo-oxidant, electronic conductor, and binder).

Depuis déjà quelques années, la revente d’électricité à partir des accumulateurs de véhicules à propulsion électrique (VPÉ) vers le réseau électrique, que l’on appelle communément « Vehicle-to-Grid » (V2G), a fait l’objet de nombreuses études. Avec l’utilisation de plus en plus répandue d’accumulateurs Li-ion dans les véhicules à propulsion électrique, la question du seuil de rentabilité du prix de vente d’énergie en production V2G devient un facteur important. En effet, le coût des accumulateurs Li-ion est très élevé alors que leurs vie utile est seulement de l’ordre de 1000 cycles de charge-décharge. L’objectif de ce mémoire est d’élaborer les conditions permettant d’établir le seuil de rentabilité technico-économique de la vente d’énergie électrique au réseau en production V2G d’un véhicule à propulsion électrique alimenté par des accumulateurs Li-ion et équipé d’un chargeur bidirectionnel niveau 1 et 2. Pour y arriver, plusieurs paramètres doivent être pris en compte tels que le coût d’achat des accumulateurs, le nombre total de cycles de charge-décharge pouvant être effectué avant que les accumulateurs ne doivent être remplacés, la caractéristique coût-rendement du chargeur bidirectionnel, le coût d’achat d’électricité au réseau électrique et finalement, la quantité d’énergie électrique pouvant être échangée avec le réseau électrique durant une année. Dans un premier temps, la topologie du chargeur bidirectionnel est choisie et une analyse de sa caractéristique coût-rendement est calculée. Par la suite, des cycles de charge-décharge à différentes profondeurs de décharge sont effectués sur des accumulateurs Li-ion afin de quantifier leurs dégradations. L’élaboration d’une équation de seuil de rentabilité, combinée aux résultats de l’analyse de la caractéristique coût-rendement et de la quantification de la dégradation des accumulateurs Li-ion, permet de déterminer l’influence du coût et du rendement du chargeur bidirectionnel et de la dégradation des accumulateurs Li-ion sur le prix de vente d’énergie électrique en production V2G. / In recent years, the use of electricity routed from batteries of plug-in electric vehicles (BEVs: battery electric vehicles and PHEVs: plug-in hybrid electric vehicles) to the power grid for resale purposes, a concept commonly referred to as Vehicle-to-Grid (V2G), has been the subject of numerous studies. With manufacturers opting more frequently for lithium-ion batteries in the production of such plug-in electric vehicles, the profitability in terms of resale price of such V2G-produced energy is put into question. Indeed, Li-ion batteries are rather expensive given their lifespan of approximately 1000 charge-discharge cycles. The ultimate purpose of this Master’s essay is to determine a set of principles to allow for the establishment of an equally lucrative and technologically-economic plan regarding the resale of V2G-produced electrical energy as the result of BEVs and PHEVs equipped with Li-ion batteries supplied by grade 1 and 2 bidirectional chargers. In order to successfully accomplish this feat, numerous factors must be taken into consideration: the cost of such batteries and their durability relative to their maximum attainable number of charge-discharge cycles; the return value of bidirectional chargers; the expenses incurred by the power network in purchasing such electricity; the maximum permissible quantity of electric energy that can be exchanged with the electric grid per year. Initially, the topology of a chosen bidirectional charger undergoes a mathematical analysis of its performance output with regard to its overall cost. Subsequently, multiple charge-discharge cycles are conducted on the lithium-ion batteries at varying discharge intensities in order to evaluate the cells’ deterioration. The former results, combined with the development of a formula for the financial break-even point, demonstrates the effects of a bidirectional charger’s expense and performance, along with the degeneration of Li-ion batteries, on the resale price of V2G-produced electrical energy.

Temperature is one of the most important parameters for the performance, safety, and aging of lithium-ion batteries and has been linked to all main barriers for widespread commercial success of electric vehicles. The aim of this thesis is to highlight the importance of temperature effects, as well as to provide engineering tools to study these. The mass transport phenomena of the electrolyte with LiPF6  in EC:DEC was fully characterized in between 10 and 40 °C and 0.5 and 1.5 M, and all mass transport properties were found to vary strongly with temperature. A superconcentrated electrolyte with LiTFSI in ACN was also fully characterized at 25 °C, and was found to have very different properties and interactions compared to LiPF6  in EC:DEC. The benefit of using the benchmarking method termed electrolyte masstransport resistivity (EMTR) compared to using only ionic conductivity was illustrated for several systems, including organic liquids, ionic liquids, solid polymers, gelled polymers, and electrolytes containing flame-retardant additives. TPP, a flame-retardant electrolyte additive, was evaluated using a HEV load cycle and was found to be unsuitable for high-power applications such as HEVs. A large-format commercial battery cell with a thermal management system was characterized using both experiments and a coupled electrochemical and thermal model during a PHEV load cycle. Different thermal management strategies were evaluated using the model, but were found to have only minor effects since the limitations lie in the heat transfer of the jellyroll. / Temperatur är en av de viktigaste parametrarna gällande ett litiumjonbatteris prestanda, säkerhet och åldring och har länkats till de främsta barriärerna för en storskalig kommersiell framgång för elbilar. Syftet med den här avhandlingen är att belysa vikten av temperatureffekter, samt att bidra med ingenjörsverktyg att studera dessa. Masstransporten för elektrolyten LiPF6  i EC:DEC karakteriserades fullständigt i temperaturintervallet 10 till 40 °C för LiPF6-koncentrationer på 0.5 till 1.5 M. Alla masstransport-egenskaper fanns variera kraftigt med temperaturen. Den superkoncentrerade elektrolyten med LiTFSI i ACN karakteriserades även den fullständigt vid 25 °C. Dess egenskaper och interaktioner fanns vara väldigt annorlunda jämfört med LiPF6  i EC:DEC. Fördelen med att använda utvärderingsmetoden elektrolytmasstransportresistivitet (EMTR) jämfört med att endast mäta konduktivitet illustrerades för flertalet system, däribland organiska vätskor, jonvätskor, fasta polymerer, gellade polymerer, och elektrolyter med flamskyddsadditiv. Flamskyddsadditivet TPP utvärderades med en hybridbils-lastcykel och fanns vara olämplig för högeffektsapplikationer, som hybridbilar. Ett kommersiellt storformatsbatteri med ett temperatur-kontrollsystem karakteriserades med b.de experiment och en kopplad termisk och elektrokemisk modell under en lastcykel utvecklad för plug-inhybridbilar. Olika strategier för kontroll av temperaturen utvärderades, men fanns bara ha liten inverkan på batteriets temperatur då begränsningarna för värmetransport ligger i elektrodrullen, och inte i batteriets metalliska ytterhölje. / <p>QC 20150522</p> / Swedish Hybrid Vehicle Center

Les besoins énergétiques de la population mondiale ne cessent de croître, cette croissance est beaucoup plus attribuée à la venue de nouveaux consommateurs des pays émergents. Les réserves de gisement de pétrole fossile, principale source d’énergie de notre civilisation ne suivant pas la demande, la recherche de nouvelles sources d’énergie ou compléments énergétiques de ceux classiques demeure un challenge important pour l’avenir de notre société. Les batteries au lithium demeurent une réponse dite énergie renouvelable pour la lutte que se livrent les pays du globe pour limiter l’échéance de la fin des énergies nécessaires à la survie de notre système économique. Cette batterie offre des performances énergétiques plus grandes que celle alcaline par exemple. Ce travail s’inscrit dans la lignée de l’amélioration continue de la technologie des batteries lithium- ion. Cette amélioration passe par l’optimisation des différentes composantes des piles au lithium comme les électrodes (anode et cathode) et les électrolytes (solvants et ion principal à base de lithium). Ainsi, ce travail comporte trois parties. Dans un premier temps, nous avons investigué de nouveaux solvants dits liquides ioniques à base de phosphonium, ces solvants étant tous des précurseurs respectifs de tri-n-buthylphosphine et tri-n-éthylphosphine (TBPhexTFSI, TBPmetTFSI, TBPhoxTFSI, TBPmetOetTFSI, TEPhexTFSI et TEPhoxTFSI, voir la liste des abréviations). Le choix de ces liquides ioniques à base de phosphonium a été fait dans l’optique de la recherche de ceux ayant les meilleures propriétés chimico-physiques et électrochimiques. De ce fait, les mesures de ces propriétés physico-chimiques comme leur conductivité, viscosité, stabilité thermique ont été effectuées. La supériorité des liquides à base de phosphonium ayant des cations à chaîne oxygénée sur ceux non oxygénées a été démontrée. La conductivité du TBPhoxTFSI respectivement supérieure à celle du TBPhexTFSI et la viscosité de TBPhoxTFSI est inférieure à celle du TBPhexTFSI). Cette étude a aussi démontré l’importance d’avoir des liquides ioniques de phosphonium à cation asymétrique de petite dimension pour bénéficier des meilleures propriétés chimico-physiques, notamment les conductivités des TEPhexTFSI et TEPhoxTFSI étant meilleures que celle du TBPhexTFSI et TBPhoxTFSI. Les études électrochimiques, notamment la voltampérométrie cyclique à balayage, ont permis d’étudier les fenêtres de potentiel électrochimique de certains de ces liquides ioniques. Il a été démontré que les liquides ioniques ayant un cation à chaîne carbonylée asymétrique courte et non oxygénée ont des fenêtres de potentiel électrochimique plus large (respectivement 5 et 5,5V pour le TBPmetTFSI et TEPhexTFSI). Notre étude s’est basée seulement sur deux liquides ioniques ayant pour précurseur la tri-n-buthylphosphine : le TBPmetTFSI et le TBPhoxTFSI. Le choix de ces deux liquides ioniques de phosphonium découle aussi des études effectuées sur leurs propriétés chimico-physiques intéressantes. Dans l’amélioration des composantes des batteries lithium-ion, la recherche des meilleures électrodes demeure aussi un enjeu stratégique important dans cette technologie. Les cathodes à plus grande capacité énergétique sont dans cette logique. Les cathodes des piles rechargeables au lithium sont composées de matériaux du type oxydes mixtes des métaux de transition. Un des facteurs importants du choix de ces matériaux est la diffusion rapide du lithium dans leur structure interne c’est-à-dire la vitesse des réactions d’intercalations et de désintercalations des ions de lithium pendant le fonctionnement de ces types de piles. Les matériaux dits à structure cristalline olivine type LiFePO[indice inférieur 4] ont eu une grande percée il y a environ 10 ans. De nos jours ils sont encore présents, mais de façon améliorée par l’ajout des additifs de carbone généralement dans un pourcentage de 7 à 10% en poids et prennent le nom de LiFePO[indice inférieur 4]/C. Nous avons ainsi réussi à synthétiser par approche sol-gel le LiFePO[indice inférieur 4]/C ; ce matériau a ensuite été caractérisé par diffraction à rayon-X, par microscope électronique à balayage (MEB) et comparé à ce matériau de LiFePO[indice inférieur 4] commercial de la compagnie MTI Corporation. Deux conditions expérimentales ont été utilisées pour les caractérisations électrochimiques de ces cathodes de LiFePO[indice inférieur 4] commercial et LiFePO[indice inférieur 4]/C, soit dans les électrolytes classiques 1M LiPF[indice inférieur 6]–EC-DMC (3/7 vol) et dans les électrolytes mixtes 1M LiPF[indice inférieur 6]–EC-DMC (3/7 vol.) + x TBPmetTFSI ou TBPhoxTFSI. Les voltampérogrammes cycliques obtenus dans ces conditions classiques et mixtes ont démontré que les liquides ioniques TBPmetTFSI et TBPhoxTFSI pouvaient être utilisés comme additifs aux solvants classiques jusqu’à des concentrations de 50% en volume de ceux classiques comme EC-DMC (3/7 vol.) tout en favorisant les processus d’intercalation et dedésintercalation du lithium durant le cycle de fonctionnement des batteries lithium-ion. La quasi-réversibilité des pics redox dans ces proportions des liquides ioniques est un indice de bon fonctionnement des batteries lithium-ion avec des électrolytes mixtes composés de solvants classiques et de liquides ioniques à base de phosphonium.

Le développement des véhicules électriques est actuellement en plein essor. Par contre, l’utilisation de ces véhicules est encore limitée en grande partie dû aux problèmes associés à la batterie : coût élevé, faible autonomie, long temps de recharge et durée de vie incertaine. L’influence de la température d’opération sur ces aspects de la batterie est grande et doit être considérée dès les phases initiales de conception de ce type de véhicule. Ce projet présente donc un modèle transitoire du système de gestion thermique d’un véhicule récréatif rechargeable. L’objectif de ce modèle est d’évaluer différentes options et configurations du système de refroidissement afin de minimiser l’impact de la température sur les performances du véhicule.

Le marché des accumulateurs lithium-ion est en expansion. Cette croissance repose partiellement sur la multiplication des niches d’utilisation et l’amélioration constante de leurs performances. En raison de leur durabilité exceptionnelle, de leur faible coût, de leur haute densité de puissance et de leur fiabilité, les anodes basées sur les titanates de lithium, et plus particulièrement le spinelle Li4Ti5O12, présentent une alternative d’intérêt aux matériaux classiques d’anodes en carbone pour de multiples applications. Leur utilisation sous forme de nanomatériaux permet d’augmenter significativement la puissance disponible par unité de poids. Ces nanomatériaux ne sont typiquement pas contraints dans une direction particulière (nanofils, nanoplaquettes), car ces formes impliquent une tension de surface plus importante et requièrent donc généralement un mécanisme de synthèse dédié. Or, ces nanostructures permettent des réductions supplémentaires dans les dimensions caractéristiques de diffusion et de conduction, maximisant ainsi la puissance disponible, tout en affectant les propriétés habituellement intrinsèques des matériaux. Par ailleurs, les réacteurs continus reposant sur la technologie du plasma thermique inductif constituent une voie de synthèse démontrée afin de générer des volumes importants de matériaux nanostructurés. Il s’avère donc pertinent d’évaluer leur potentiel dans la production de titanates de lithium nanostructurés. La pureté des titanates de lithium est difficile à jauger. Les techniques de quantification habituelles reposent sur la fluorescence ou la diffraction en rayons X, auxquelles le lithium élémentaire se prête peu ou pas. Afin de quantifier les nombreuses phases (Li4Ti5O12, Li2Ti3O7, Li2TiO3, TiO2, Li2CO3) identifiées dans les échantillons produits par plasma, un raffinement de Rietveld fut développé et validé. La présence de γ-Li2TiO3 fut identifiée, et la calorimétrie en balayage différentiel fut explorée comme outil permettant d’identifier et de quantifier la présence de β-Li2TiO3. Différentes proportions entre les phases produites et différents types de morphologies furent observés en fonction des conditions d’opération du plasma. Ainsi, des conditions de trempe réductrice et d’ensemencement en Li4Ti5O12 nanométrique semblent favoriser l’émergence de nanomorphologies en nanofils (associés à Li4Ti5O12) et en nanoplaquette (associées à Li2TiO3). De plus, l’ensemencement et les recuits augmentèrent significativement le rendement en la phase spinelle Li4Ti5O12 recherchée. Les recuits sur les poudres synthétisées par plasma indiquèrent que la décomposition du Li2Ti3O7 produit du Li4Ti5O12, du Li2TiO3 et du TiO2 (rutile). Afin d’approfondir l’investigation de ces réactions de décomposition, les paramètres cristallins du Li2Ti3O7 et du γ-Li2TiO3 furent définis à haute température. Des mesures continues en diffraction en rayon X à haute température furent réalisées lors de recuits de poudres synthétisées par plasma, ainsi que sur des mélanges de TiO2 anatase et de Li2CO3. Celles-ci indiquent la production d’un intermédiaire Li2Ti3O7 à partir de l’anatase et du carbonate, sa décomposition en Li4Ti5O12 et TiO2 (rutile) sur toute la plage de température étudiée, et en Li2TiO3 et TiO2 (rutile) à des températures inférieures à 700°C.

This thesis investigates several approaches to the development of high-performance batteries. A general background to the field and an introduction to the experimental methods used are given in Chapters 1 and 2 respectively. Chapter 3 presents a study of ordered and disordered LiNi₀.₅Mn₁.₅O₄ materials produced using an optimised resorcinol-formaldehyde gel (R-F gel) synthetic technique. Both materials exhibited good electrochemical properties and minimal side reaction with the electrolyte. Structural analyses of the materials in various states of discharge and charge were undertaken, and from these the charge / discharge processes were elucidated. In chapter 4 R-F gel synthesised Li(Ni₁/₃Mn₁/₃Co₁/₃)O₂ is studied and found to exhibit a high degree of structural stability on cycling, as well as excellent capacity, cyclability and rate capability. Photoelectron spectroscopy studies revealed that the R-F gel derived particles have highly stable surfaces. A discussion of the results and their significance, with particular regard to the outstanding electrochemical performance observed, is also presented. Chapter 5 sets out an investigation into the nature of R-F gel synthesised 0.5Li₂MnO₃:0.5LiNi₁/₃Mn₁/₃Co₁/₃O₂. The electrochemical data revealed that, after an initial activation stage, the R-F gel derived material exhibited a high capacity, good cyclability and exceptional rate capability. This chapter also considers some initial structural investigations and the electrochemical processes occurring on charge. In chapter 6 the use of ether-based electrolytes, combined with various cathode materials, in lithium-oxygen batteries is examined. The formation of decomposition products was observed, and a scheme suggesting probable reaction pathways is given. It was noted that significant quantities of the desired discharge product, lithium peroxide, were formed on the 1st cycle discharge, implying some electrolyte / cathode combinations do demonstrate a degree of stability. A summary of the results and a discussion of their significance are also included.

The research presented in this thesis includes a detailed investigation into factors influencing ionic conductivity in the crystalline polymer electrolyte PEO₆:LiPF₆. It has previously been shown that preparing PEO₆:LiPF₆ with PEO modified with larger –OC₂H₅ end groups increases ionic conductivity by one order of magnitude [¹],primarily due to disruption of the crystal structure caused by the inclusion of the larger end groups. In this study it is shown that by reducing PEO molecular weight in crystalline PEO₆:LiPF₆ ionic conductivity is also increased. This was attributed to an increasing concentration of polymer chain end regions upon lowering molecular weight resulting in the creation of more defects, as well as possible increases in crystallite size resulting in longer continuous pathways for ion transport. Similar results were observed using both polydispersed and monodispersed PEO to prepare complexes. In addition, it is demonstrated here that ionic conductivity in crystalline polymerelectrolytes is not confined to PEO₆:LiXF₆ (X=P, As, Sb)[²][³] type materials. The structures and ionic conductivity data are reported for a series of new crystalline polymer complexes: the alkali metal electrolytes. They are composed of low molecular weight PEO and different alkali metal hexafluoro salts (Na⁺, K⁺ and Rb⁺), and include the best conductor poly(ethylene oxide)₈:NaAsF₆ discovered to date [⁴], with a conductivity 1.5 orders of magnitude higher than poly(ethylene oxide)₆:LiAsF₆. A new class of solid ion conductor is reported: the crystalline small-molecule electrolytes. Such materials consist of lithium salts dissolved in low molecular weight glyme molecules [CH₃O(CH₂CH₂O)[subscript(n)]CH₃, n=1-12], forming crystalline complexes [⁵][⁶]. These materials are soft solids unlike ceramic electrolytes and unlike polymer electrolytes they are highly crystalline, are of low molecular weight and have no polydispersity. By varying the number of repeat units in the glyme molecule, many complexes may be prepared with a wide variety of structures. Here, ionic conductivity and cation transference number (t₊) data for several such complexes is presented [⁷][⁸][⁹].These complexes have appreciable ionic conductivities for crystalline complexes and their t₊ values vary markedly depending on the glyme molecule utilized. The differences in t₊ values can be directly attributed to differences in their crystal structures. [¹] Staunton, E., Andreev, Y.G. & Bruce, P.G. Factors influencing the conductivity of crystalline polymer electrolytes. Faraday Discussions 134, 143-156 (2007). [²] Gadjourova, Z., Andreev, Y.G., Tunstall, D.P. & Bruce, P.G. Ionic conductivity in crystalline polymer electrolytes. Nature 412, 6846 (2001). [³] Stoeva, Z., Martin-Litas, I., Staunton, I., Andreev, Y.G. & Bruce, B.G. Ionic Conductivity in the Crystalline Polymer Electrolytes PEO₆:LiXF₆, X = P, As, Sb. J. Am. Chem. Soc. 125, 4619-4626(2003). [⁴] Zhang, C., Gamble, S., Ainsworth, D., Slawin, A.M.Z., Andreev, Y.G. & Bruce, P.G. Alkali metal crystalline polymer electrolytes. Nature Materials 8, 580-584 (2009). [⁵] Henderson, W.A., Brooks, N.R., Brennessel, W.W. & Young Jr, V.G. Triglyme-Li⁺ Cation Solvate Structures: Models for Amorphous Concentrated Liquid and Polymer Electrolytes (I). Chem. Mater. 15, 4679-4684 (2003). [⁶] Henderson, W.A., Brooks, N.R. & Young Jr, V.G. Tetraglyme-Li⁺ Cation Solvate Structures: Models for Amorphous Concentrated Liquid and Polymer Electrolytes (II). Chem. Mater. 15, 4685-4690 (2003). [⁷] Zhang, C., Andreev, Y.G. & Bruce, P.G. Crystalline small-molecule electrolytes. Angewandte Chemie, International Edition 46, 2848-2850 (2007). [⁸] Zhang, C., Ainsworth, D., Andreev, Y.G. & Bruce, P.G. Ionic Conductivity in the Solid Glyme Complexes [CH₃O(CH₂CH₂O)[subscript(n)]CH₃]:LiAsF₆ (n = 3,4). J. Am. Chem. Soc. 129, 8700- 8701 (2007). [⁹] Zhang, C., Lilley, S.J., Ainsworth, D., Staunton, E., Andreev, Y.G., Slawin, A.M.Z. & Bruce, P.G. Structure and Conductivity of Small-Molecule Electrolytes [CH₃O(CH₂CH₂O)[subscript(n)]CH₃]:LiAsF₆ (n = 8-12). Chem. Mater. 20, 4039-4044 (2008).

The thesis presents a modeling framework for simulating three dimensional effects in lithium-ion batteries. This is particularly important for understanding the performance of large scale batteries used under high power conditions such as in hybrid electric vehicle applications. While 1D approximations may be sufficient for the smaller scale batteries used in cell phones and laptops, they are severely limited when scaled up to larger batteries, where significant 3D gradients can develop in concentration, current, temperature, and voltage. Understanding these 3D effects is critical for designing lithium-ion batteries for improved safety and long term durability, as well as for conducting effective design optimization studies. The model couples an electrochemical battery model with a thermal model to understand how thermal effects will influence electrochemical behavior and to determine temperature distributions throughout the battery. Several modeling example results are presented including thermal influences on current distribution, design optimization of current collector thickness and current collector tab placement, and investigation of lithium plating risk in three dimensions. / text