This thesis describes the development of an electrical system for a solar powered racing vehicle with en emphasis on the Battery Protection System (BPS). This battery protection system was designed for the UTSVT’s (University of Texas Solar Vehicles Team) solar powered vehicle, the Samsung Solorean. The system is required due to the dangers of the lithium-ion cobalt battery chemistry. The system monitors the voltage, temperature, and current of each battery module in the 22 module battery pack and will physically isolate the pack from the rest of the vehicle with a high-current electromechanical contactor if any parameter is outside of the safe range. The system can be expanded to monitor any number of series battery cells. The system uses a master-slave microcontroller architecture with a single master microcontroller that interrogates several slave microcontroller boards for readings over a common serial bus. The system uses a new voltage sensing ASIC to monitor cell voltages, along with an analog current output device to measure temperature and a hall-effect device to measure current. The system was a complete success and has allowed the UT solar car to finish the American Solar Challenge cross-country “Rayce.” / text

In the current context of rapidly depleting petroleum resources and growing environmental concerns, it is important to develop materials to harvest and store energy from renewable and sustainable sources. Hydrogen has the potential to be an alternative energy source, since it has higher energy content than petroleum. However, since hydrogen has very low volumetric energy density, hence it is important to design nano porous materials which can efficiently store large volumes of hydrogen gas by adsorption. In this regard carbon nanotube and Metal Organic Framework (MOFs) based materials are worth studying. Ionic liquids (IL) are potential electrolytes that can improve energy storage capacity and safety in Li ion batteries. Therefore it is important to understand IL's thermodynamic and transport properties, especially when it is in contact with electrode surface and mixed with Li salt, as happens in the battery application. This dissertation presents computation and simulation based studies on: 1. Hydrogen storage in carbon nanotube scaffold. 2. Mechanical property and stability of various nanoporous Metal Organic Frameworks. 3. Thermodynamic and transport properties of [BMIM][BF4] ionic liquid in bulk, in Li Salt mixture, on graphite surface and under nanoconfinement. In the first study, we report the effects of carbon nanotube diameter, tube chirality, tube spacer distance, tube functionalization and presence of Li on hydrogen sorption capacity and thermodynamics at different temperature and pressure. In the second one, we observe high pressure induced structural transformation of 6 isoreticular MOFs: IRMOF-1. IRMOF-3, IRMOF-6, IRMOF-8, IRMOF-10 and IRMOF-14, explore the deformation mechanism and effect of Hydrogen inside crystal lattice. In the third study, we observe the equilibrium thermodynamic and transport properties of [BMIM][BF4] ionic liquid. The temperature dependence of ion diffusion, conductivity, dielectric constant, dipole relaxation time and viscosity have been observed and found similar behavior to those of supercooled liquid. The ion diffusion on graphite surfaces and under nanoconfinement was found to be higher compared to those in bulk.

Vertically aligned multi walled carbon nanotube (MWCNT) arrays fabricated by xylene pyrolysis in anodized aluminum oxide (AAO) templates without the use of a catalyst, were integrated into a resistive sensor design. The steady state sensitivities as high as 5% and 10% for 100 ppm of NH3 and NO2 respectively at a flow rate of 750 sccm were observed. A study was undertaken to elucidate (i) the dependence of sensitivity on the thickness of amorphous carbon layers, (ii) the effect of UV light on gas desorption characteristics and (iii) the dependence of room temperature sensitivity on different NH3 and NO2 flow rates. An equivalent circuit model was developed to understand the operation and propose design changes for increased sensitivity. Multi Walled Carbon NanoTubes (MWCNTs) – Polymer composite based hybrid sensors were fabricated and integrated into a resistive sensor design for gas sensing applications. Thin films of MWCNTs were grown onto Si/SiO2 substrates via xylene pyrolysis using chemical vapor deposition technique. Polymers like PEDOT:PSS and Polyaniline (PANI) mixed with various solvents like DMSO, DMF, 2-Propanol and Ethylene Glycol were used to synthesize the composite films. These sensors exhibited excellent response and selectivity at room temperature when exposed to low concentrations (100ppm) of gases like NH3 and NO2. Effect of various solvents on the sensor response imparting selectivity to CNT – Polymer nanocomposites was investigated extensively. Sensitivities as high as 28% was observed for a MWCNT – PEDOT:PSS composite sensor when exposed to 100ppm of NH3 and -29.8% sensitivity for a MWCNT-PANI composite sensor to 100ppm of NO2. A novel nanostructured electrode design for Li based batteries and electrochemical capacitor applications was developed and tested. High density and highly aligned metal oxide nanowire arrays were fabricated via template assisted electrochemical deposition. Nickel and Molybdenum nanowires fabricated via cathodic deposition process were converted into respective oxides via thermal treatments and were evaluated as electrodes for batteries and capacitor applications via Cyclic Voltammetery (CV). Several chemical baths were formulated for the deposition of pristine molybdenum nanowires. Superior electrochemical performance of metal (Ni and Mo) oxide nanowires was observed in comparison to the previously reported nano-particle based electrodes.

L'objectif de cette thèse est de démontrer que l'Emission Acoustique (AE) est une technique appropriée pour devenir un outil de diagnostic de l'état de charge, de santé et de sécurité pour les batteries lithium-ion. Ces questions sont actuellement des points clés important pour l'amélioration des performances et des durées de vie de la technologie. La structure de ce document est organisée en deux principaux chapitres expérimetaux l'un consacré à deséléments lithium-ion composés de composés d'intercalation et l'autre à desalliages de lithium.Dans le premier cas, les résultats présentés concernent le suivi par AE de la formation de la SEI et de la première intercalation des ions lithium dans la structure du graphite pour des éléments LiFePO4/C. Les événements AE provenant de plusieurs sources ont été identifiés et correspondent à la formation de gaz (bulles) et à des phénomènes de craquelures (ouvertures du bord des plans de graphène quand la SEI est formée et l'écartement quand les stades d'insertion du graphite-lithium sont finis). De plus, une étude par spectroscopie d'impédance a été menée durant un vieillissement calendaire en température sur des éléments formés à différents régimes de courant. Dans le second cas, le mécanisme d'insertion/extraction du lithium dans des éléments LiAl/LiMnO2 a été étudié en associant plusieurs techniques incluant des techniques électrochimiques, AE et post-mortem pour évaluer les mécanismes de dégradation. Lors du cyclage, les événements acoustiques sont plus intenses lors du processus de décharge et ils peuvent être attribués principalement à l'alliage avec la transformation de phase de -LiAl en -LiAl accompagnée d'une expansion volumique importante. L'émission acoustique peut ainsi offrir une nouvelle approche pour gérer le fonctionnement des technologies lithium-ion basées non plus seulement sur des paramètres électrochimiques classiques mais aussi sur des paramètres acoustiques. Des nouveaux d'états de santé et de sécurité peuvent ainsi être envisagés.

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Dans ce travail de thèse, la microspectrométrie Raman a été mise à profit pour décrire les changements structuraux induits par la réaction électrochimique d'insertion/désinsertion des ions lithium dans des composés de structure lamellaire LiCoO2 et cubique LiMn2O4 et LiNi0.4Mn1.6O4, utilisés comme électrodes positives dans les batteries Li-ion. L'étude du composé d'électrode LiCoO2 pendant le processus de charge permet de mettre en évidence une région biphasée où la phase initiale coexiste avec une nouvelle phase hexagonale caractérisée par une expansion du paramètre inter-feuillets de l'ordre de 3% et un affaiblissement de la liaison Co-O dans le plan des feuillets. Dans le cas de LiMn2O4, une nouvelle attribution du spectre Raman a pu être proposée. Pendant la charge à 4V, un mécanisme à trois phases (phase initiale LiMn2O4, phase intermédiaire, phase pauvre en lithium) est décrit par spectroscopie Raman alors que la diffraction des RX ne permet pas d'observer la phase intermédiaire dans nos conditions de mesure. L'étude de l'insertion électrochimique du lithium dans LiMn2O4 (région 3V), a permis de montrer pour la première fois par spectroscopie Raman la formation progressive d'une phase tétragonale de composition Li2Mn2O4 qui coexiste avec la phase cubique initiale et qui est pure en fin de décharge. La réversibilité de cette transition structurale a également été démontrée. Dans le cas du composé substitué au nickel, LiNi0.4Mn1.6O4, une attribution complète du spectre Raman est proposée pour la première fois. L'étude par diffraction des RX du matériau en fonction de l'état de charge et de décharge met en évidence une conservation de la structure cubique avec des variations modérées de paramètres de maille. Le spectre Raman présente quant à lui des variations très significatives qui rendent compte de la présence dans des proportions différentes des espèces redox impliquées dans le fonctionnement électrochimique (Mn4+, Mn3+, Ni2+, Ni3+, Ni4+). Une analyse spectrale par décompositions de bandes permet d'identifier et de quantifier les proportions relatives des différents couples redox du nickel. Une réversibilité complète de la signature Raman est observée en décharge. Une application concrète et originale de la spectroscopie Raman a consisté à étudier le mécanisme d'autodécharge qui est observé pour le matériau LiNi0.4Mn1.6O4 complètement chargé. L'évolution des spectres Raman permet de mettre en évidence une réduction rapide et quantitative des ions Ni4+ pendant les premières heures de séjour dans l'électrolyte, puis un processus plus lent de réduction des ions Ni3+. Enfin, pour la première fois également, l'insertion du lithium dans le composé LiNi0.4Mn1.6O4 a été explorée par microspectrométrie Raman et a permis notamment d'identifier l'empreinte Raman de la phase la plus réduite de symétrie tétragonale Li2Ni0.4Mn1.6O4. L'originalité de ce travail a été d'apporter un grand nombre de données Raman expérimentales sur des matériaux d'électrode performants fonctionnant à 4V. De nouvelles attributions ont pu être proposées pour les composés initiaux, et des données vibrationnelles inédites ont été fournies sur les composés formés en charge et en décharge. Dans certains cas, ces données ont permis, sur la base d'une analyse détaillée des spectres Raman par décompositions de bandes, de proposer un raisonnement quantitatif sur l'existence de phases ou d'espèces redox en mélange. Il conviendrait bien sûr de corroborer ces nouvelles données et attributions par des calculs théoriques ab initio capables de simuler les fréquences et les intensités des modes vibrationnels dans les structures hôtes et lithiées

Ce mémoire est consacré à l'étude de nouveaux matériaux composites de type Si/Sn-Ni/Al/C pour former des électrodes négatives de batteries lithium ion. La microstructure de ces matériaux se présente sous la forme de nanoparticules de Si enrobées dans une matrice conductrice constituée de carbone et d'un composé intermétallique Ni3,4Sn4. La nanostructure et la composition du matériau composite lui confèrent de très bonnes performances en termes de capacité réversible, de stabilité électrochimique, et de cinétique de réaction. La mécanosynthèse a été choisie comme méthode d'élaboration. Les propriétés structurales et chimiques du composite ont été déterminées par analyses DRX, par microscopies électroniques MET et MEB, par analyses EDX et EFTEM et par spectroscopie Mössbauer de 119Sn. La caractérisation électrochimique a été réalisée par cyclage galvanostatique et par voltamétrie cyclique. La réactivité de ces matériaux envers le lithium a été étudiée par analyses DRX et spectroscopie Mössbauer de 119Sn in-situ. Ce mémoire détaille les résultats structuraux et électrochimiques obtenus pour différents matériaux composites basés sur Ni3,4Sn4 en ajoutant les éléments C, Al et Si. Une étude des mécanismes réactionnels lors du broyage mécanique ainsi que pendant le cyclage électrochimique a été effectuée et le rôle des différents éléments a été mis en évidence. Enfin, une discussion sur l'influence de la microstructure sur les performances électrochimiques des matériaux composites est donnée. Les meilleures performances électrochimiques sont obtenues pour le composite de composition nominale Ni0,14Sn0,17Si0,32Al0,04C0,35. Il présente une capacité réversible de 920 mAh/g avec une très bonne stabilité sur 280 cycles. Le matériau possède une excellente cinétique de délithiation : 90% de la capacité peut être délivrée en moins de 5 minutes. La capacité irréversible (20%) reste toutefois élevée et doit être encore améliorée en stabilisant l'interface solide/électrolyte (SEI)

Three-dimensional macroporous structures (‘opals’ and ‘inverse opals’) can be produced by colloidal crystal templating, one of the most intensively studied areas in materials science today. There are several potential advantages of lithium-ion battery electrodes based on inverse opal structures. High electrode surface, easier electrolyte access to the bulk of electrode and reduced lithium diffusion lengths allow higher discharge rates. Highly open structures provide for better mechanical stability to volume swings during cycling. Silicon is one of the most promising anode materials for lithium-ion batteries. Its theoretical capacity exceeds capacities of all other materials besides metallic lithium. Silicon is abundant, cheap, and its use would allow for incorporation of microbattery production into the semiconductor manufacturing. Performance of silicon is restricted mainly by large volume changes during cycling. The objective of this work was to investigate how the inverse opal structures influence the performance of silicon electrodes. Several types of silicon-based inverse opal films were synthesised, and their electrochemical performance was studied. Amorphous silicon inverse opals were fabricated via chemical vapour deposition and characterised by various techniques. Galvanostatic cycling of these materials confirmed the feasibility of the approach taken, since the electrodes demonstrated high capacities and decent capacity retentions. The rate performance of amorphous silicon inverse opals was unsatisfactory due to low conductivity of silicon. The conductivity of silicon inverse opals was improved by crystallisation. Nanocrystalline silicon inverse opals demonstrated much better rate capabilities, but the capacities faded to zero after several cycles. Silicon-carbon composite inverse opal materials were synthesised by depositing a thin layer of carbon via pyrolysis of a sucrose-based precursor onto the silicon inverse opals in an attempt to further increase conductivity and achieve mechanical stabilisation of the structures. The amount of carbon deposited proved to be insufficient to stabilise the structures, and silicon-carbon composites demonstrated unsatisfactory electrochemical behaviour. Carbon inverse opals were coated with amorphous silicon producing another type of macroporous composites. These electrodes demonstrated significant improvement both in capacity retentions and in rate capabilities. The inner carbon matrix not only increased the material conductivity, but also resulted in lower silicon pulverisation during cycling.

京都大学 / 新制・課程博士 / 博士(エネルギー科学) / 甲第24002号 / エネ博第438号 / 新制||エネ||83(附属図書館) / 京都大学大学院エネルギー科学研究科エネルギー基礎科学専攻 / (主査)准教授 高井 茂臣, 教授 萩原 理加, 教授 佐川 尚 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Energy Science / Kyoto University / DFAM

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.