Transportsektorn är en av världens största producenter av växthusgas därav är dess avkarbonisering essentiell för att uppnå Parisavtalets mål för CO2-emissioner. Ett viktigt steg för att uppnå dessa mål utförs genom elektrifiering. Litium-jon-batterier (eng. litium-ion batteries, ’LIB’) har blivit väldigt populära energilagringssystem för batteridrivna elektriska fordon (eng. battery electric vehicles, ’BEV’) men tenderar att åldras, precis som alla andra batterier. Därav krävs forskning kring batteriföråldring på grund av nedbrytningsprocessernas inverkan på prissättningen, prestationerna och miljöpåverkan av BEV. Olika modeller används för att beskriva batteriernas åldrande. Datadrivna modeller som förutspår batteriers livstid ökar i popularitet vars noggrannhet och prestationer till stor del beror på indatats kvalitet. Formatet för tidsinhämtade data kräver enorma mängder lagringsutrymme, hög processkapacitet och längre processer; något ’reducerad’ eller ’aggregerad’ data delvis åtgärdar. Denna avhandling fokuserar på att utveckla en metodik för användning av dynamiska fordonsdata i ’aggregerad’ form. Tidsloggade data inhämtade från kallklimatstesting av Scanias BEV-prototyp användes varav interaktionseffekterna mellan diverse fordonsparametrar samt deras effekt på batteriåldring utifrån en batteriåldringsmodell analyserades. Olika tillvägagångssätt för strukturering av dynamiska fordonsdata i modellen undersöktes också. Tolv aggregeringsscenarion designades och testades. Dessutom valdes tre scenarion för uppskattningar och jämförelser av återstående användbar livslängd (eng. remaining-useful-life, ’RUL’) tillsammans med resultat från tidsinhämtade data. Slutligen drogs slutsatser om: parameterinteraktioner, struktur av dynamiska fordonsdata och RUL. Flera framtida utvecklingsområden har också föreslagits bland annat: tester av andra aggregeringstekniker, utöka modellen till tjänstefordon samt kategorisera användningsbeteenden av fordon för att förbättra RUL-uppskattningar. / The transport sector is one of the world’s largest greenhouse gas producing sector and it’s decarbonisation is imperative to achieve the CO2 emission targets set by the Paris Agreement. One important step towards achieving these targets is through electrification of the sector. Lithium-ion batteries (LIBs) have become very popular energy storage systems for battery electric vehicles (BEVs). However, LIBs like all other batteries, tend to age. Hence, the study of the battery ageing phenomena is very essential since the degradation in battery characteristics hugely determines the cost, performance and the environmental impact of BEVs. Different modelling approaches are used to represent battery ageing behaviour. Data-driven models for predicting the lifetime of batteries are becoming popular. However, the accuracy and performance of data-driven models largely depends upon the quality of data being used as the input. Time-sampled format of logging data results in huge data files requiring enormous amounts of storage space, high processing power requirements and longer processing times. Instead, using data in a ’reduced’ or ‘aggregated’ form can help in addressing these issues. This thesis work focuses on developing a methodology for using dynamic vehicle data in an ‘aggregated’ form. Time-sampled data from a Scania prototype BEV truck, recorded during cold climate test, was used. The interaction effects between various vehicle parameters and their effect on battery ageing in a battery ageing model were analyzed. Different approaches to structuring dynamic vehicle data for use in the model were also studied. Twelve aggregation scenarios were designed and tested. Furthermore, three scenarios were selected for making remaining-useful-life (RUL) estimations and compared alongside time-sampled data results. Finally, conclusions about parameter interactions, structuring of dynamic vehicle data and RUL estimations were drawn. Several next steps for future work have also been suggested such as testing other aggregation techniques, extending the model to vehicle fleets and categorizing vehicle usage behaviours to make better RUL estimations.

Batterimodeller används för att representera batterier. För ändamål som batterihanteringssystem används idag främst empiriska modeller som representerar ett batteri med en motsvarande kretsmodell. Några nackdelar för dessa modeller ligger i dess oförmåga att simulera interna tillstånd och en tidskrävande parametriseringsprocess. Dessa nackdelar motiverar ingenjörer att vända sig till modeller som är baserade på fysiska lagar som ett alternativ eftersom de kan ge insikt i vad som händer inuti batteriet. Batterimodellerna som är baserade på de fysiska lagarna har alltför krävande beräkningar för att kunna användas för vissa applikationer, som batterihanteringssystem. Singel-partikelmodellen (SPM) är en fysikbaserad modell som används i detta avhandlingsprojekt. Syftet med projektet var att hitta en metod för att parametrisera SPM för nya kommersiella cylindriska HTPFR18650 1100mAh 3.2V litiumjärnfosfatceller. En litteraturundersökning och experiment användes för att extrahera parametervärdena. 17 parametrar valdes från litteraturundersökningen eftersom de kunde användas för att parametrisera modellen. Geometriska parametrar hittades genom en cellöppning. Tre typer av icke-destruktiva experiment som var inspirerade av litteraturen utfördes för att extrahera värden för de andra icke-geometriska parametrarna. Ett cykeltest med låg strömhastighet utfördes för att få en pseudo-OCV-kurva och för att extrahera kapacitetsrelaterade parametrarna. En känslighetsanalys genomfördes för galvanostatisk intermittent titreringsteknik testet (GITT) och pulstestet för de parametrar som var kopplade till transportoch kinetiska fenomen. Python matematisk batterimodellering (PyBaMM) användes för att simulera experimenten. Parametersamlingen Prada 2013 användes som standardvärden. Standardvärdena för de valda parametrarna ersattes av de värden som hittades genom experiment. Känslighetsanalysen visade att några av de valda parametrarna var känsliga för experimenten medan andra inte var det. Parametrarna extraherades genom fysiska relationer och genom att anpassa parametervärde för simuleringen så att den passar den experimentella datan under urladdningsförloppet. Värden för 14 av de 17 parametrarna extraherades i metoden. Den parametriserade modellen validerades mot två potentiella applikationer, en för ett batterielfordon och den andra för ett mild-hybridfordon. Den parametriserade modellen visade att den negativa partikelradien inte kan hittas med den föreslagna parametriseringsmetoden. Simuleringen visade sig också matchade den experimentella datan bättre under urladdning av cellerna jämfört till uppladdning. Flera förbättringar för framtida arbete har föreslagits, såsom att utvidgning av känslighetsanalysen, att erhålla OCV-kurvan från GITT istället för att använda pseudo-OCVkurvan, att använda strängare gränser vid kurvanpassningarna samt att skapa mer optimala tester för att extrahera parametervärdena. / Battery models are used to represent batteries. For purposes like battery management systems, empirical based models like the equivalent circuit models are widely used. These models have downsides regarding for example inability to simulate internal states and parametrization time that make engineers look at physics-based models as an alternative. The physics-based models are made up of physical relationships that offer insights into what is happening inside the battery. These are too computationally demanding to be used for certain applications, like battery managements systems. The Single Particle Model (SPM) is a physics-based model that is utilized in this thesis project. The aim of the project is to find a method to parametrize the SPM for fresh commercial cylindrical HTPFR18650 1100mAh 3.2V lithium iron phosphate cells. Literature survey and experiments were used to extract the parameter values. 17 parameters were selected from the literature survey since they could be used to parametrize the model. Geometrical parameters were found through a cell opening. Three types of nondestructive experiments inspired by literature were performed to extract values for the other non-geometric parameters. A low-rate cycling test was performed to get pseudo-OCV curve and to extract capacity related parameters. A sensitivity analysis is done for the GITT and the Pulse test for the parameters that were connected to the transport and kinetic phenomena. Python mathematical battery modelling (PyBaMM) was used to simulate the experiments. The Prada 2013 parameter set was be used as default values. The default values for the selected parameters were replaced by the values found through experiments. The sensitivity analysis showed that some of the selected parameters were sensitive while others were not. The parameters were extracted through physical relations and through curve fitting procedures during discharge. Values for 14 out of the 17 parameters were extracted in the method. The parametrized model was validated against two potential applications, one for a battery electric vehicle and the other for a mild hybrid. The parametrized model showed that the negative particle radius cannot be found through the proposed parametrization procedure. The simulation matched the experimental data better for discharging cells than charging cells. Several improvements for future work have been suggested such as extending the sensitivity analysis, obtaining the OCV-curve from GITT instead of low-rate cycling, having stricter bounds for the curve fitting as well as creating more optimal tests to extract the parameter values.

The Swedish Armed Forces are investigating high-risk applications where lithium-ion batteries (LIB) can replace traditional lead-acid batteries. Understanding the potential safety risks and evaluating a battery's instability is crucial for military applications. This report aimed to identify critical safety parameters (temperature, potential, and impedance) in commercial batteries with NMC and LFP electrode chemistries, and to investigate how surrounding cells are affected when a battery suffers from thermal runaway (TR) in a battery module developed by FOI. Accelerated rate calorimetry (ARC) experiments on NMC-based Samsung SDI INR21700-40T and INR21700-50E and LFP-based A123 Systems ANR26650m1-B batteries were conducted to identify critical onset conditions of TR. ARC experiments were conducted with continuous electrochemical impedance spectroscopy (EIS) measurements to correlate thermal behavior with electrochemical changes in the cell impedance and voltage. The NMC-based batteries showed a distinct endothermic reaction between 116 °C and 121 °C, an onset temperature of exothermic self-heating at around 120 °C, which progressed to an explosive decomposition at about 170 °C and resulted in an adiabatic temperature rise of 250 °C to 290 °C. A significant increase in the cell’s impedance at around 100 °C indicated that the current interrupt device (CID) was triggered due to gas formation and critical pressure build-up within the cell. The LFP-based battery demonstrated improved thermal stability during ARC measurements and did not suffer from TR when heated to 300 °C. Thermal runaway propagation experiments were conducted in a battery module developed by FOI. The identified onset temperatures and electrochemical markers were then used to evaluate the stability of the module cells. Cell temperature increases between 16 °C and 48 °C was observed in cells directly adjacent to the trigger cell. Cells further from the trigger cell experienced uniform temperature increases of between 8 °C and 30 °C. EIS measurements of the module cells revealed no significant changes in their impedance spectra. The insulating polymer wrap around each cell was found to be crucial in preventing TR propagation. TR propagated from cell-to-cell in the module when the insulating wraps were removed, and cells were in direct contact with the thermally conductive heat sink. / Försvarsmakten undersöker högriskapplikationer där litiumjonbatterier kan ersätta traditionella blysyrabatterier. Att förstå säkerhetsrisker och utvärdera ett batteris instabilitet är särskilt viktigt för militära tillämpningar. Denna rapport syftar till att identifiera kritiska säkerhetsparametrar (temperatur, spänning och impedans) för kommersiella batterier med NMC- och LFP-elektrodkemier samt undersöka hur omkringliggande celler påverkas när ett batteri termiskt rusar (TR) i en batterimodul utvecklad av FOI. ARC-experiment genomfördes på NMC-baserad Samsung SDI INR21700-40T och INR21700-50E och A123 Systems ANR26650m1-B batterier för att karakterisera förloppet av termisk rusning (TR). ARC-experiment utfördes med kontinuerliga elektrokemisk impedansspektroskopi (EIS) för att korrelera termiskt beteende med elektrokemiska förändringar i cellimpedansen och spänningen. Det NMC-baserade batterierna uppvisade en tydlig endotermisk reaktion mellan 116 °C och 121 °C, exotermiska reaktioner påbörjades vid 120 °C och ledde till explosiv termisk rusning vid cirka 170 °C, vilket gav upphov till en adiabatisk temperaturökning på 250 °C till 290 °C. En signifikant ökning av cellens impedans vid cirka 100 °C indikerade att den inre säkerhetsventilen utlöstes på grund av gasbildning och kritisk tryckuppbyggnad i cellen. Det LFP-baserade batteriet visade förbättrad termisk stabilitet under ARC-mätningar och drabbades inte av TR vid uppvärmning till 300 °C. Termiska rusningsförsök genomfördes på en batterimodul utvecklad av FOI. De identifierade starttemperaturerna och elektrokemiska markörerna användes för att utvärdera modulcellernas stabilitet. Celltemperaturökningar mellan 16 °C och 48 °C observerades i celler direkt intill triggcellen. Celler längre från triggcellen upplevde likformiga temperaturökningar mellan 8 °C och 30 °C. EIS-mätningar av modulcellerna avslöjade inga signifikanta förändringar i deras impedansspektra. Det isolerande polymeromslaget runt varje cell var avgörande för att förhindra propagering av termisk rusning i modulen. Termisk rusning propagerade från cell till cell i modulen när de isolerande omslagen togs bort och cellerna var i direkt kontakt med den värmeledande kylflänsen.

Litiumjonbatterier (LIB) är viktiga komponenter i dagens teknologi och används för att driva en mängd olika elektroniska system, allt från datorer och mobiltelefoner till bilar och flygplan. Eftersom efterfrågan på effektiv energilagring fortsätter att växa finns ett fortsatt behov för forskning och utveckling inom området. Denna rapport undersöker hårt kol, ett lovande material för anoder i litiumjonbatterier och andra alkali-jon batterier. I likhet med grafit är hårt kol ett kolbaserat material som inte är en väldefinierad allotropp utan en komplex blandning med avseende på både hybridiseringstillstånd och långdistansordning.  Därför är den mycket dåligt definierat. Ändå är hårt kol ett önskvärt material eftersom det kan produceras från förnybara resurser samt på grund av dess kompatibilitet med natrium, vilket möjliggör natriumjonbatterier. I den här studien har elektroder av hårt kol syntetiserats och litierats i olika grader och sedan studerats med 7Li NMR-spektroskopi där både spektra och longitudinella relaxationshastigheter mättes. Vid lägre litieringsnivåer observerades tydliga smala 7Li toppar inom intervallet 4-16 ppm, vilket indikerar förekomsten av joniskt litium. Vid högre litieringsnivåer framträdde en bred topp vid 61 ppm. Utseendet av denna topp, tillsammans med en hög Knight-skift, indikerar närvaron av kvasi-metalliskt litium. Det är värt att notera att detta kvasi-metalliska litium finns i de oordnade och porösa områdena hos hård kol. 7Li longitudinella relaxationshastigheter, som rapporterar om jonisk dynamik, registrerades vid olika temperaturer och från det observerade temperaturberoendet beräknades den genomsnittliga aktiveringsenergin för de involverade joniska rörelserna. Intressant nog visade sig denna aktiveringsenergi vara lägre jämfört med den i PAN-baserade kolfibrer och grafit, som båda uppvisar en högre grad av ordning. Denna observation tyder på ett samband mellan lokal oordning och snabbare jondynamik. / Lithium-ion batteries (LIB) are vital components of modern technology, powering a wide range of devices from computers and cell phones to cars and aeroplanes. As the demand for efficient energy storage continues to grow, research and development in the field of lithium-ion batteries remain active. This report focuses on the investigation of hard carbon, a promising anode material for lithium-ion batteries and other alkali-ion batteries. Akin to graphite, hard carbon is a carbon-based material that is not a well-defined allotrope but a complex mixture with regard to both hybridization state and long-range order. Hence it is very poorly defined. Yet, hard carbon is a desirable material as it can be produced from renewable resources and because of its compatibility with sodium, allowing for sodium-ion batteries. In this study, hard carbon electrodes were synthesised and lithiated to various degrees and then studied with 7Li NMR spectroscopy where both spectra and longitudinal relaxation rates were measured.   At lower lithiation levels, distinct narrow 7Li peaks were observed within the 4-16 ppm range, indicating the presence of ionic lithium. At higher lithiation levels a broad peak at 61 ppm emerged. The appearance of this peak, along with a high Knight shift, signifies the presence of quasi-metallic lithium, presumably in the more disordered and more porous regions of hard carbon. The 7Li longitudinal relaxation rates, reporting on ionic dynamics, were recorded at different temperature and from the observed temperature dependence the average activation energy for the involved ionic motions was calculated. Interestingly, this activation energy was found to be lower compared to that for PAN-based carbon fibres and graphite, both of which exhibit a higher degree of order. This observation suggests a correlation between local disorder and faster ion dynamics.

Lithium-ion batteries are a possible choice for the energy storage system onboard hybrid electric vehicles and low-earth-orbit satellites, but lifetime performance remains an issue. The challenge is to diagnose the effects of ageing and then investigate the dependence of the magnitude of the deterioration on different accelerating factors (e.g. state-of-charge (SOC), depth-of-discharge (DOD) and temperature). Lifetime studies were undertaken incorporating different accelerating factors for two different applications: (1) coin cells with a LixNi0.8Co0.15Al0.05O2-based positive electrode were studied with a EUCAR power-assist HEV cycle, and (2) laminated commercial cells with a LixMn2O4-based positive electrode were studied with a low-earth-orbit (LEO) satellite cycle. Cells were disassembled and the electrochemical performance of harvested electrodes measured with two- and three-electrode cells. The LixNi0.8Co0.15Al0.05O2-based electrode impedance results were interpreted with a physically-based three-electrode model incorporating justifiable effects of ageing. The performance degradation of the cells with nickelate chemistry was independent of the cycling condition or target SOC, but strongly dependent on the temperature. The positive electrode was identified as the main source of impedance increase, with surface films having a composition that was independent of the target SOC, but with more of the same species present at higher temperatures. Furthermore, impedance results were shown to be highly dependent on both the electrode SOC during the measurement and the pressure applied to the electrode surface. An ageing hypothesis incorporating a resistive layer on the current collector and a local contact resistance (dependent on SOC) between the carbon and active material, both possibly leading to particle isolation, was found to be adequate in fitting the harvested aged electrode impedance data. The performance degradation of the cells with manganese chemistry was accelerated by both higher temperatures and larger DODs. The impedance increase was small, manifested in a SOC-dependent increase of the high-frequency semicircle and a noticeable increase of the high-frequency real axis intercept. The positive electrode had a larger decrease in capacity and increase in the magnitude of the high-frequency semi-circle (particularly at high intercalated lithium-ion concentrations) in comparison with the negative electrode. This SOC-dependent change was associated with cells cycled for either extended periods of time or at higher temperatures with a large DOD. An observed change of the cycling behaviour in the second potential plateau for the LixMn2O4-based electrode provided a possible kinetic-based explanation for the change of the high-frequency semi-circle. / Litiumjonbatteriet är en möjlig kandidat för energilagring i hybridfordon och i satelliter i låg omloppsbana, men än så länge är livslängden på batterierna ett problem. Utmaningen ligger i att kunna förstå hur batteriet åldras genom att utforska hur åldringsprocessen accelereras av faktorer som laddningstillstånd, urladdningsdjup och temperatur. Livslängdsstudier för två olika typer av batterier tänkta för olika applikationer utfördes: (1) knappceller med positiva LixNi0,8Co0,15Al0,05O2-baserade elektroder studerades med en effektstödd (power-assist) hybridcykel från EUCAR, och (2) laminerade kommersiella celler med positiva LixMn2O4-baserade elektroder studerades med en satellitcykel, avsedd för en satellit med låg omloppsbana. Cellerna öppnades och de uttagna elektrodernas elektrokemiska egenskaper utvärderades i två- och tre-elektroduppställningar. Resultaten från elektrokemiska impedansmätningar för den positiva LixNi0,8Co0,15Al0,05O2-baserade elektroden tolkades med hjälp av en fysikalisk tre-elektrod modell som tog hänsyn till de i litteraturen främst föreslagna effekterna av åldring. Prestandadegraderingen av celler med nickelkemi var oberoende av cykel och laddningstillståndet där åldringen skedde, men starkt beroende av temperaturen. Den positiva elektroden visade sig vara den största orsaken till impedansökningen i batteriet. Ytfilmerna på den positiva elektroden hade en sammansättning som var oberoende av laddningstillståndet men beroende av temperaturen. Impedansresultaten från de uttagna elektroderna var starkt beroende av både laddningstillstånd och yttre tryck på elektrodytan. Det visade sig att det var tillräckligt att ta hänsyn till ett resistivt skikt på strömtilledaren och en lokal kontaktresistans mellan kolet och det aktiva materialet (som är beroende av laddningstillståndet) för att anpassa modellen till impedansdata mätt på de uttagna elektroderna. Prestandadegraderingen av celler med mangankemi påskyndades av både högre temperaturer och högre urladdningsdjup. Impedansen ökade något, då både högfrekvenshalvcirkeln och högfrekvensintercepten ändrades. Positiva elektroden hade en större degradering i kapaciteten och en större ökning i magnituden av högfrekvenshalvcirkeln (speciellt vid högre litiumjon koncentrationer i elektroden) jämfört med den negativa elektroden. Denna laddningstillståndsberoende impedans-ökning var kopplad till celler som hade cyklats under en längre tid eller vid en högre temperatur och med ett högt urladdningsdjup. Ökningen i magnituden av högfrekvenshalvcirkeln skulle kunna vara relaterad till kinetiska begränsningar eftersom cyklingsbeteendet vid andra spänningsplatån ändrades samtidigt för de LixMn2O4-baserade elektroderna. / QC 20100621

Målet med arbetet var att undersöka vilka tekniker som finns för att bekämpa bränder i elbilar ombord på fartyg och vilka farliga gaser som elbilar med litiumjonbatterier avger när de brinner.  För att svara på dessa gjordes en metaanalys för att undersöka hälsoriskerna med några av de farliga gaserna som uppstår, hur man minskar hälsorisken som följer bränder i litiumjonbatteri genom användning av särskild utrustning, samt vilka åtgärder som går att utnyttja ombord på fartyg,   Litiumjonbatterier har även visats sig problematiska att släcka, men det har dykt upp särskilda släckmedel för att bekämpa dessa bränder. I arbetet undersöks några av dessa släckmedel. Då teknologin bakom batteridrift i fordon fortfarande är relativt ny och precis börjar bli vanligt på våra gator, så finns det ännu inte mycket direktiv om vilka åtgärder som bör tas för en effektiv släckning, förhindra återtändning och skydda personers hälsa ombord på fartyg. Därför har vi valt att titta på vilka rutiner det finns i land för att se om de går att tillämpa ombord. / The purpose of this thesis was to examine which techniques exists to fight fires in electrical vehicles aboard ships and which harmful substances electrical vehicles releases when burning. To answer these questions, we performed a meta-analysis to understand some of the harmful gases that will be present during an EV fire, how to minimize the health hazard that comes with fires in lithium-ion batteries using certain equipment and what measures that can be taken aboard ships.  Li-ion batteries have also proven to be problematic to extinguish, but there have emerged certain extinguishing agents to fight these types of fires. In this thesis we look at some of these extinguishing agents. As technology being used in battery powered vehicles is still new and just becoming common on our streets, there is not a whole lot of directives on how to be effective in extinguishing them, prevent reignition and protect the health of people abord ships. That is why we have chosen to look at what is being used on shore and see if it can be applied on ships.

The electric vehicle segments of companies have broadened, and their sales have increased in the past decade. The electric motorcycle sector is growing fast, with improved technology on electric powertrains, increased ranges, charging speeds, and infrastructure. Parallel to the increased sales, the electric battery sector is advancing rapidly, thereby lowering the environmental impacts of these vehicles. The competitive adventure sports sector also benefits from using electric powertrains with their incredible power-to-weight ratio and instant torque. The benefits of using electric vehicles over conventional ones can be seen during the use phase, with zero tailpipe emissions and clean, silent riding.   However, with the expansion of the electric motorcycle sector rolling out new technologies and models, there are uncertainties about whether the overall lifecycle has reduced impacts on the environment. Finding and improving the most sustainable model(s) or solution(s) implies scrutinizing the effects of these motorcycles on the environment, which is the goal of CAKE 0 Emission AB, a Swedish lightweight electric motorbike manufacturer.   The current project will assess the potential environmental impacts of Kalk&, an off-road electric motorcycle model certified for on-road use, designed, and manufactured by CAKE 0 Emission AB. For this purpose, Attributional Life Cycle Assessment was chosen as the method to study the impact of one whole motorbike over a lifetime of 500 battery charging cycles, used by a hypothetical example user in Stockholm, Sweden. The potential environmental impacts are focused on 12 categories using the ReCiPe Midpoint (H) method.   As expected from an electric vehicle, the results show that the impacts mainly stem from the manufacturing phase of the motorbike. The hotspots in the manufacturing phase arise from producing the battery, the electric motor, and the electrical components like lights, the charger, and cables. The materials used for construction that have a high share of impact are Copper and Aluminium. Another environmental hotspot is the casting manufacturing process. Within the vehicle use phase, the impact of using solar energy in Sweden for charging the batteries is not immediately intuitive and has shown to be higher than the Swedish electricity board mix; the results argue that the choice of electricity is vital in reducing emissions. Transporting the vehicle overseas by ship instead of by flight decreases emissions by about 82% to 97% within the various impact categories.   A sensitivity scenario was created for a hypothetical user in Barcelona, Spain, to better understand the influence of the selected lifetime and user behavior on the impacts. The results indicate that using an additional battery and thereby increasing the lifetime of the vehicle shows a 34% decrease in emissions per km driven within the lifetime of the motorcycle. Lastly, it is recommended whenever possible to source the numerous components of the vehicle closer to the assembly unit to reduce the transportation impacts incurred from transoceanic freight. / Företagens elfordonssegment har breddats och deras försäljning har ökat under det senaste decenniet. Den elektriska motorcykelsektorn växer snabbt, med förbättrad teknik på elektriska drivlinor, ökade räckvidder, laddningshastigheter och infrastruktur. Parallellt med den ökade försäljningen går elbatterisektorn snabbt framåt, vilket minskar miljöpåverkan från dessa fordon. Den konkurrensutsatta äventyrssportsektorn drar också nytta av att använda elektriska drivlinor med deras otroliga kraft-till-vikt-förhållande och omedelbara vridmoment. Fördelarna med att använda elfordon framför konventionella kan ses under användningsfasen, med noll avgasutsläpp och ren, tyst körning.  Men med expansionen av elmotorcykelsektorn som rullar ut nya tekniker och modeller, finns det osäkerheter om huruvida den övergripande livscykeln har minskat miljöpåverkan. Att hitta och förbättra de mest hållbara modellerna eller lösningarna innebär att man granskar dessa motorcyklars effekter på miljön, vilket är målet för CAKE 0 Emission AB, en svensk lättviktstillverkare av elmotorcykel.  Det aktuella projektet kommer att bedöma de potentiella miljöeffekterna av Kalk&, en terrängmodell av elektrisk motorcykel certifierad för användning på väg, designad och tillverkad av CAKE 0 Emission AB. För detta ändamål valdes Attributional Life Cycle Assessment som metoden för att studera effekten av en hel motorcykel under en livstid på 500 batteriladdningscykler, som används av en hypotetisk exempelanvändare i Stockholm, Sverige. Den potentiella miljöpåverkan är fokuserad på 12 kategorier med hjälp av metoden ReCiPe Midpoint (H).  Som förväntat av ett elfordon visar resultaten att effekterna huvudsakligen härrör från motorcykelns tillverkningsfas. Hotspots i tillverkningsfasen uppstår från att producera batteriet, elmotorn och de elektriska komponenterna som lampor, laddare och kablar. De material som används för konstruktion som har en hög andel av påverkan är koppar och aluminium. En annan miljömässig hotspot är tillverkningsprocessen för gjutning. Inom fordonsanvändningsfasen är effekten av att använda solenergi i Sverige för att ladda batterierna inte direkt intuitiv och har visat sig vara högre än den svenska elkortsmixen; resultaten talar för att valet av el är avgörande för att minska utsläppen. Att transportera fordonet utomlands med fartyg istället för med flyg minskar utsläppen med cirka 82% till 97% inom de olika påverkanskategorierna.  Ett känslighetsscenario skapades för en hypotetisk användare i Barcelona, Spanien, för att bättre förstå inverkan av den valda livslängden och användarbeteendet på effekterna. Resultaten indikerar att användning av ett extra batteri och därmed ökad livslängd på fordonet visar en 34% minskning av utsläppen per körd km under motorcykelns livslängd. Slutligen rekommenderas det när det är möjligt att köpa de många komponenterna i fordonet närmare monteringsenheten för att minska transportpåverkan från transoceanisk frakt.  Note: The abstract has been translated to Swedish from English using Google Translate

In response to the present and projected growth of the EV industry, the development of a large-scale, reliable and efficient lithium-ion battery recycling sector is vital to ensure circularity of the embedded valuable metals and ensure overall sustainability of the technology. One of the main recycling procedures under development is based on hydrometallurgy. As a pretreatment step before lithium-ion batteries can undergo this process, they have to be deactivated to prevent uncontrolled release of the contained electrical energy. This deactivation step is often performed by deep discharging batteries to 0.0 V, instead of the usual lower cut-off around 3.0 V. Usually, deep discharging is performed by connection to resistors or through submersion in a salt solution. However, due to the discharge current derating proportionally to the terminal voltage, this procedure can be quite slow, especially if considerable rebound voltages are to be prevented. This work explores the feasibility of a faster discharge procedure in terms of discharge speed, effectiveness, and safety. The proposed procedure entails deep discharging at constant current using a controllable load, followed by applying an external short-circuit immediately. The C-rate during constant current discharging is varied to study its effects. The short-circuit is applied at a terminal voltage of 0.0 V or 1.0 V. The safety of both process steps is assessed experimentally. The main safety risks that are reviewed are the temperature rise and subsequent risk of thermal runaway, as well as the risk of electrolyte leakage due to pressure increase and swelling. In the experimental work, two types of large format prismatic NMC811 cells are deep discharged starting from an SoC of 0%. The experiments are limited to single cells. It is found that an additional 4% of additional capacity is available in the deep discharging region for a stationary cell at 0% SoC. The risk of thermal runaway is assessed as low based on the temperature measurements and a literature review. To investigate the rise in pressure, the thickness of all cells are measured, and the in situ pressure is measured for three samples. The risk for electrolyte leakage is assessed as low. The rebound voltage and cell thickness are followed up to one week after the discharge procedure. After a short-circuit of 30 minutes, the rebound voltage of all cells is near 2.0 V, but a slightly longer short circuit duration would be necessary to reliably achieve this threshold. The total procedure time is much shorter than those of alternative discharge procedures, while still remaining safe. / Som svar på den nuvarande och förväntade tillväxten inom elbilsindustrin är utvecklingen av en storskalig, tillförlitlig och effektiv återvinningssektor för litiumjonbatterier avgörande för att säkerställa cirkularitet för de inbäddade värdefulla metallerna och säkerställa teknikens övergripande hållbarhet. En av de viktigaste återvinningsmetoderna som är under utveckling baseras på hydrometallurgi. Som ett förbehandlingssteg innan litiumjonbatterier kan genomgå denna process måste de avaktiveras för att förhindra okontrollerad frisättning av den elektriska energi som de innehåller. Detta deaktiveringssteg utförs ofta genom djupurladdning av batterierna till 0.0 V, istället för den vanliga lägre gränsen runt 3.0 V. Vanligtvis utförs djupurladdning genom anslutning till resistorer eller genom nedsänkning i en saltlösning. Eftersom urladdningsströmmen avtar proportionellt mot terminalspänningen kan denna procedur dock vara ganska långsam, särskilt om man vill förhindra stora återkopplingsspänningar. I detta arbete undersöks genomförbarheten av en snabbare urladdningsprocedur när det gäller urladdningshastighet, effektivitet och säkerhet. Det föreslagna förfarandet innebär djupurladdning vid konstant ström med en kontrollerbar belastning, följt av omedelbar applicering av en extern kortslutning. C-hastigheten under urladdning med konstant ström varieras för att studera dess effekter. Kortslutningen appliceras vid en terminalspänning på 0.0 V eller 1.0 V. Säkerheten för båda processtegen bedöms experimentellt. De huvudsakliga säkerhetsriskerna som granskas är temperaturökningen och den efterföljande risken för termisk rusning, samt risken för elektrolytläckage på grund av tryckökning och svullnad. I det experimentella arbetet djupurladdas två typer av prismatiska NMC811-celler i storformat från en SoC på 0%. Experimenten är begränsade till enstaka celler. Det visade sig att ytterligare 4% kapacitet finns tillgänglig i djupurladdningsområdet för en stationär cell vid 0% SoC. Risken för termisk urladdning bedöms som låg baserat på temperaturmätningarna och en litteraturgenomgång. För att undersöka tryckökningen mäts tjockleken på alla celler och in situ-trycket mäts för tre prover. Risken för elektrolytläckage bedöms som låg. Återkopplingsspänningen och cellernas tjocklek följs upp upp till en vecka efter urladdningsproceduren. Efter en kortslutning på 30 minuter är returspänningen för alla celler nära 2.0 V, men en något längre kortslutningstid skulle vara nödvändig för att tillförlitligt uppnå detta tröskelvärde. Den totala tiden för proceduren är mycket kortare än för alternativa urladdningsprocedurer, samtidigt som den fortfarande är säker.

Lithium-ion (Li-Ion) batteries are widely used in various applications and are viable for automotive applications. The effective management of Li-Ion batteries in battery electric vehicles (BEV) plays a crucial role in performance and range. One can achieve good performance and range by using efficient battery models in battery management systems (BMS). Hence, these battery models play an essential part in the development process of battery electric vehicles. Physics-based battery models are used for design purposes, control, or to predict battery behaviour, and these require much information about materials and reaction and mass transport properties. Model parameterization, i.e., obtaining model parameters from different experimental sets (by fitting the model to experimental data sets), can be challenging depending on model complexity and the type and quality of experimental data. Based on the idea of parameter sensitivity, certain current/voltage data sets could be chosen that theoretically has a more considerable sensitivity for a given model parameter that is of interest to extract. In this thesis work, different methods for extracting model parameters for a Nickel-Manganese-Cobalt (NMC) battery composite electrode are experimentally tested and compared. Specifically, model parameterization using \emph{optimal experiments} based on performed parameter sensitivity analysis has been benchmarked against a 1C discharge test and low rate pulse tests. The different parameter sets obtained have then been validated on a drive cycle and 2C pulse tests. Comparing the methods show some promising results for the optimal experiment design (OED) method, but consideration regarding the state of charge (SOC) dependencies, the number of parameters has to be further evaluated. / Litiumjonbatterier (Li-jon) används i olika applikationer och är ett bra alternativ förfordonsapplikationer. Den effektiva hanteringen av litiumjonbatterier i elbilar har en viktigroll för fordonens prestanda och räckvidd. Man kan nå bra prestanda och räckviddgenom att använda bra batterimodeller i batteriets övervakningssystem (BMS). Därförspelar dessa batterimodeller en viktig roll i utvecklingen av elbilar. Fysikbaseradebatterimodeller används för design, reglering eller för att prediktera beteendet hos batteriet,vilket kräver mycket information om material samt dess reaktion och andra beskaffenheter.Modellparametrisering, dvs. att införskaffa modellparametrar från olika experiment (genom attanpassa modell till experimentella data) kan vara utmanande beroende på modellkomplexitetoch typen samt kvalitén på experimentell data. Baserat på idén om parametersensitivitet kan data om ström och spänning väljas så att de teoretiskt har mer sensitivitet för engiven modellparameter som är av intresse att extrahera. I detta examensarbete testas ochjämförs olika metoder för att extrahera modellparametrar för en Nickelmangankobolt (NMC)batterielektrod. Mer specifikt, modellparametrisering genom optimala experiment baseradepå genomförd parametersesitivitetsanalys jämförts med 1C urladdningstest och låg nivåpulstest. Jämförande av metoderna visar goda resultat för OED metoden men flera parametrarmåste fortsatt utvärderas gällande laddningstatusberoenden (SOC).

An increased amount of intermittent electricity production, more electric vehicles (EV), and an overall electrification of society may all cause a higher variability between the balance of supply and demand on the electric grid. Battery storage has been identified as a solution to the emerging problem asit can be charged during hours of low power demand and then discharged to help meet the power demand during peak loads. This master thesis investigates how characteristics from yearly power demand data can be defined so that a battery energy storage system (BESS) can be dimensioned for it and which parameters are important when dimensioning a BESS. The investment cost of the dimensioned BESS is investigated and calculated, and there is as well a general discussion of potentials, drivers, and barriers for a grid owner to implement a BESS. The master thesis includes a literature study and a case study performed together with Tekniska verken and its subsidiary company Tekniska verken Nät where three cases of varying sizes were investigated:• An EV charging station, with a peak power demand of up to 1 MW.• A distribution station, with an original peak power demand of close to 3 MW.• Purchased power from the regional grid, with a peak power demand of almost 152 MW. By dimensioning a BESS from a year-long data curve of the hourly power demand, a power limit was set. The highest peak power value over the power limit, the longest peak duration, and the highest energy peak were then identified to establish the curve characteristics. A battery storage was investigated to see if it could be used to meet the demand occurring when implementing a power limit to the yearly power demand curve. Batteries store electrical energy in the form of electrochemical energy and then transforms the energy back into electrical energy when needed and does so with varying efficiency according to the type of chemistry that is used in the battery. The so-called lithium ion (li-ion) battery is mostly used today and utilizes lithium in the shape of ions along with a metallic cathode and a carbon anode. The cathode and anode can vary in a li-ion battery chemistry, which varies its characteristics and means that there are multiple types of li-ion battery chemistry types. The specific li-ion battery chemistry lithium iron phosphate (LFP), was established as the most applicable battery due to its high energy density, easy to attain materials, general safety, maturity, and amount of discharge cycles it can handle throughout its lifetime. A BESS could be modelled from the LFP limitations and data curve for each case. The results showed that a short-duration variability of a power demand was a success factor for the implementation of a BESS. It allows the BESS to recharge often and the minimum required energy capacity could be lower and more optimal. An investment cost insecurity was established from literature when comparing estimates, as it could vary depending on the published date, used battery chemistry, taxes, and subsidies in the origin country of the literature. Therefore an estimate given by the Swedish transmission system operator (TSO), Svenska Kraftnät of 5-6 MSEK/MWh from a report published in late 2022 was deemed most relevant. An investment cost for each scenario in every case could be calculated and additional economical benefits relevant in the cases such as comparing to the cost of conventional grid reinforcement or economical gains from a lowered grid subscription were investigated. However, an overall conclusion that the investment cost of a BESS was too expensive to be deemed feasible and that there were no overwhelming economical gains from reducing the peak loads was made. A final generalization and discussion of drivers and barriers concluded that the applicability of a BESS can be identified by the defining characteristics of a demand curve. Moreover, it was found that the BESS investment cost was too high when only applying it for grid reinforcement methods. Although, a BESS can have additional benefits to the grid stability. The grid owner cannot however, own a BESS and use it on the frequency service market which otherwise would potentially make it economically feasible to strengthen the grid. The ultimate goal of the project is to help create a broader understanding of battery storage as part of the electrical network, where and when it can be applicable, and how one could go about investigating its use. / En ökad mängd variabel elproduktion, fler elbilar och en elektrifiering av samhället i helhet. Detta kommer skapa en högre variabilitet och därmed större obalans mellan tillförsel och efterfrågan på elnätet. Batterilagring har identifierats som en potentiell lösning till det ökade problemet då det kan laddas vid ett lågt effektbehov och urladdas vid ett högt effektbehov. Genom detta examensarbete kommer det undersökas hur karaktäristik från årliga effektkurvor kan definieras. Det görs i syfte av att dimensionera ett batterilagringssystem utefter datan. Därefter undersöks även vilka parametrar som är viktiga vid dimensioneringen av ett batterilagringssystem. Utefter de dimensionerade batterilagringssystemen tas även en investeringskostnad fram. En diskussion framförs även utifrån den generella potentialen, drivkrafter och barriärer som finns vid implementering av ett batterilagringssystem från perspektivet av en nätägare. Examensarbete består av en litteraturstudie och en fallstudie som genomförs i samarbete med Tekniska verken i Linköping AB och Tekniska verken Nät, där tre fall av varierande storlek undersöks:• En elbilsladdningstation, med ett toppeffektbehov på upp till 1 MW.• En fördelningsstation, med ett ursprungligt toppeffektbehov på nästan 3 MW.• Köpt effekt från det regionala nätet, där toppeffektbehovet uppgår till nästan 152 MW. Vid dimensionering av ett batterilagringssytem från den årliga effektkurvan måste en effektbegränsning sättas. Därefter kan den överstigande effektopplasten, den längsta tiden effektbegränsningen överstigs och den högsta överstigande energin tas fram, för att etablera kurvans karaktäristik. En undersökning gjordes om ett batterilager kunde användas för att möta effektbehovet då en effektbegränsning införs till den årliga effektkurvan. Batterier lagrar elektrisk energi i formen av elektrokemisk energi för att sedan transformera tillbaka det till elektrisk energi då det finns ett behov. Effektiviteten av transformeringen varierar beroende på den kemiska blandningen som batteriet är uppbyggt av. Det så kallade litiumjonbatteriet är det mest använda idag och nyttjar litium i formen av joner tillsammans med en metallisk katod och en anod av kol. Katod och anod kan variera vilket medför en förändrad karaktäristik och betyder alltså att det finns olika sorters litiumjonbatterier. Den specifika litiumjärnfosfat (LFP) blandningen ansågs mest användbar i elnätsapplikationer. Detta på grund av sin höga energidensitet, lättillgängliga material, generella säkerhet, teknikens mognad och mängden urladdningscyklar den kan hantera. Ett batterilagringssytem kunde då modellerades utefter LFP-batterikemin i kombination med den årliga effektkurvan för varje fall. Resultatet därifrån visade att en korttidsvariabilietet av effektbehovet var en framgångsfaktor vid implementeringen av ett batterilagringssystem. Detta då det tillåter för ett batterilagringsystem att återladdas oftare och en lägre minimal energikapacitet kan dimensioneras vilket gör den mer optimal. Vid undersökning av investeringskostnaden upptäcktes en svaghet i litteraturen vid jämförandet av kostnadsuppskattningar. Uppskattningen kunde variera beroende på publiceringsdatum, val av batterikemi, landets skatter och bidrag. Därav valdes en kostnadsuppskattning från den svenska stamnätsägaren, Svenska Kraftnät på 5–6 MSEK/MWh utifrån en rapport publicerat sent i 2022 som mest relevant. Utifrån kostnadsuppskattningen kunde en beräkning av investeringskostnad och ytterligare ekonomiska gynnsamheter relevanta för varje fall undersökas (såsom en jämförelse mot konventionell nätförstärkning eller sänkt abonnemangskostnad). Den generella slutsatsen som drogs var däremot att investeringskostnaden för ett batterilagringssystem var för dyrt för att vara ekonomiskt genomförbart. Det var dessutom inga betydande ekonomiska gynnsamheter som kunde ändra på det då batterilagringssystemet endast användes till att sänka toppeffektlaster. En avslutande generalisering och diskussion av drivkrafter och barriärer framgav att applicerbarheten av ett batterilagringsystem kunde definieras utifrån den identifierade karaktäristiken av den årliga effektkurvan. Dessutom framkom det att investeringskostnaden i varje fall var för hög då batterilagringssystemet endast nyttjades som nätförstärkning. Hursomhelst kan ett batterilagringssystem bidra till ytterligare fördelar i elnätets stabilitet. Elnätsägaren kan inte äga ett batterilagringssystem och använda det på effektreservmarknaden som annars kunde bidra till batterilagringssystemets ekonomiska genomförbarhet. Det slutliga målet av arbetet har varit att ge en bredare förståelse för batterilagring som en del av elnätet. Detta genom att ta reda på när och var det är applicerbart och hur man kan utvärdera dess användning.