The polymer electrolyte membrane fuel cell (PEMFC) converts the chemical energy of hydrogen and oxygen (air) into usable electrical energy. At the cathode (the positive electrode), a considerable amount of platinum is generally required to catalyse the sluggish oxygen reduction reaction (ORR). This has implications regarding the cost in high-power applications, and for making a broad commercialisation of the PEMFC technology possible, it would be desirable to lower the amount of Pt used to catalyse the ORR. In this thesis a number of techniques are described that have been developed in order to investigate catalytic activity at the cathode of the PEMFC. These methodologies resemble traditional three-electrode research in liquid electrolytes, including cyclic voltammetry in inert gas, but with the advantage of performing the experiments in the true PEMFC environment. From the porous electrode studies it was seen that it is possible to reach mass activities close to 0.2 gPt/kW at potentials above 0.65 V at 60 ◦C, but that the mass activities may become considerably lower when raising the temperature to 80 ◦C and changing the measurement methodology regarding potential cycling limits and electrode manufacturing. The model electrode studies rendered some interesting results regarding the ORR at the Pt/Nafion interface. Using a novel measurement setup for measuring on catalysed planar glassy carbon disks, it was seen that humidity has a considerable effect on the ORR kinetics of Pt. The Tafel slopes become steeper and the activity decreases when the humidity level of the inlet gases decreases. Since no change in the the electrochemical area of the Pt/Nafion interface could be seen, these kinetic phenomena were ascribed to a lowered Pt oxide coverage at the lower humidity level, in combination with a lower proton activity. Using bi-layered nm-thick model electrodes deposited directly on Nafion membranes, the behaviour of TiO2 and other metal oxides in combination with Pt in the PEMFC environment was investigated. Kinetically, no intrinsic effect could be seen for the model electrodes when adding a metal oxide, but compared to porous electrodes, the surface (specific) activity of a 3 nm film of Pt deposited on Nafion seems to be higher than for a porous electrode using ∼4 nm Pt grains deposited on a carbon support. Comparing the cyclic voltammograms in N2, this higher activity could be ascribed to less Pt oxide formation, possibly due to a particle size effect. For these bi-layered films it was also seen that TiO2 may operate as a proton-conducting electrolyte in the PEMFC. / I polymerelektrolytbränslecellen (PEMFC) omvandlas den kemiska energin hos vätgas och syrgas (luft) direkt till användbar elektrisk energi. På katoden (den positiva elektroden) krävs betydande mängder platina för att katalysera den tröga syrereduktionsreaktionen (ORR). Detta inverkar på kostnaden för högeffektsapplikationer, och för att göra en bred kommersialisering av PEMFC-teknologin möjlig skulle det vara önskvärt att minska den Pt-mängd som används för att katalysera ORR. I denna avhandling beskrivs ett antal tekniker som utvecklats för att undersöka katalytisk aktivitet på katoden i PEMFC. Metodiken liknar traditionella treelektrodexperiment i vätskeformig elektrolyt, med cyklisk voltammetri i inert gas, men med fördelen att försöken utförs i den riktiga PEMFC-miljön. I försök med porösa elektroder visades att det är möjligt att nå massaktiviteter nära 0.2 gPt/kW för potentialer över 0.65 V vid 60 ◦C, men massaktiviteterna kan bli betydligt lägre om temperaturen höjs till 80 ◦C, och om potentialsvepgränser och elektrodentillverkningsmetod ändras. Försök med modellelektroder resulterade i intressanta resultat rörande ORR i gränsskiktet Pt/Nafion. Genom att använda en ny metodik för att mäta på katalyserade plana elektroder av vitröst kol (glassy carbon), var det möjligt att se att gasernas fuktighet har en betydande inverkan på ORR-kinetiken hos Pt. Tafellutningarna blir brantare och aktiviteten minskar när inloppsgasernas fuktighetsgrad minskar. Eftersom den elektrokemiska arean hos Pt/Nafion-gränsskiktet inte ändrades, ansågs dessa kinetiska effekter bero på en lägre täckningsgrad av Ptoxider vid lägre fuktigheter, i kombination med lägre protonaktivitet. Genom att använda Nafionmembran belagda med nm-tjocka tvåskiktsmodellelektroder undersöktes hur Pt i kombination med TiO2 och andra metalloxider verkar i PEMFC-miljön. Kinetiskt sett hade tillsatsen av metalloxider ingen inre påverkan på aktiviteten, men vid jämförelse med porösa elektroder tycks den specifika ytaktiviteten vara högre hos en 3 nm film av Pt på Nafion än för en porös elektrod baserad på ∼4 nm Pt-korn belagda på ett kolbärarmaterial. Jämför man de cykliska voltammogrammen i N2, kan den högre aktiviteten tillskrivas en lägre grad av Pt-oxidbildning, vilket i sin tur kan bero på en storlekseffekt hos Pt-partiklarna. Försöken med dessa tvåskiktselektroder visade också att TiO2 kan verka som protonledande elektrolyt i PEMFC. / QC 20100706

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

Lithium‐ion batteries are particularly suitable as energy storage solutions in high power applications, such as hybrid electric vehicles. It is generally considered that one of the processes that limit the power density for lithium‐ion batteries is the mass transport in the electrolyte. Yet, it is still difficult to find a set of properties that fully describe the mass transport for the most common electrolytes. In this work, characterization studies of the mass transport were undertaken for two technically important lithium‐ion battery electrolytes: (1) a liquid electrolyte which consist of LiPF6 dissolved in ethyl methyl carbonate (EMC) and ethylene carbonate (EC) and, (2) a gel electrolyte which consists of LiPF6 dissolved in ethylene carbonate, propylene carbonate (PC) and poly(vinylidenefluoride‐hexafluoropropylene) (P(VdFHFP)).The mass transport in the electrolytes was characterized by combining several experiments. The Maxwell‐Stefan equation was used as basis for the characterization. Models of the transport were formulated from the equation and the apparent transport properties were identified. The characterization methods were first analyzed mathematically in order to establish at which conditions the characterization experiments should be performed. The values of the apparent transport properties were then obtained by optimizing the models to the experimental responses. In order to give the characterization results a comprehensible interpretation and to allow benchmarking of electrolytes, the concept of a normalized potential gradient was introduced.The characterization results of the liquid electrolyte were used in a full cell model of a LiNi0.8Co0.15Al0.05O2 | LiPF6 EC:EMC (3:7) | MAG‐10 cell. The model was developed to analyze the mass transport during a hybrid pulse power characterization (HPPC) test. The analysis was made with a method where the polarization was split up into parts each associated with a process within the cell. The optimum composition in terms of mass transport was found to lie between 0.5 and 1.2 mol/dm3 LiPF6 for the liquid electrolyte and between 5 and 7 wt. % LiPF6 for the gel electrolyte. Less amount of polymer in the gel electrolyte gave a faster mass transport. It was also found that the mass transport in the liquid electrolyte contributed to a major part of the polarization during HPPC tests. / Litiumjonbatterier är speciellt lämpliga som ackumulatorer i högeffektsapplikationer som elhybridfordon. Det är idag allmänt accepterat att en av processerna som begränsar effekttätheten för litiumjonbatterier är masstransporten i elektrolyten. Trots detta är det fortfarande svårt att få tag på data som fullständigt beskriver masstransporten i de vanligaste elektrolyterna. I det här arbetet har masstransportkarakteriseringar gjorts för två tekniskt viktiga elektrolyter: (1) en vätskeelektrolyt som består av LiPF6 upplöst i etylenkarbonat (EC) och etylmetylkarbonat (EMC), och (2) en gel elektrolyt som består av LiPF6 upplöst i EC, propylenkarbonat (PC) och poly(vinylidene fluoride‐hexafluoro propylene) (P(VdFHFP)). Masstransporten i elektrolyterna karakteriserades genom att kombinera ett antal karakteriseringsexperiment. Maxwell‐Stefans ekvation användes som utgångspunkt i karakteriseringarna. Modeller av transporten formulerades från ekvationen och de effektiva transportegenskaperna identifierades. En matematisk analys gjordes först av karakteriseringstekniken, så att det kunde fastslås för vilka förhållanden experimenten skulle utföras. Värderna av transportegenskaperna erhölls genom att optimera modellerna till det experimentella beteendet. För att ge karakteriseringsresultaten en begriplig tolkning och för att kunna mäta prestandan av elektrolyter, infördes konceptet normaliserad potentialgradient. Resultatet från karakteriseringen av vätskeelektrolyten användes i en model av en LiNi0.8Co0.15Al0.05O2 | LiPF6 EC:EMC (3:7) | MAG‐10 cell. Modellen utvecklades för att analysera masstransporten i cellen under ett hybridpulstest (HPPC). Analysen gjordes med en metod där polarisationen delades upp i delar som var och en var kopplad till en process i batteriet. Den optimala sammansättningen med avseende på masstransporten låg i regionen 0.5–1.2 mol/dm3 LiPF6 för vätskeelektrolyten och 5‐7 vikt% LiPF6 för gelelektrolyten. Mindre mängd polymer i gelelektrolyten gav en snabbare masstransport. Det konstaterades också att masstransporten i vätskeelektrolyten bidrog med en av de största delarna till polarisationen i HPPC testen. / QC 20110128

The aim of the project was to develop a method to measure and studythe degree of activation of the negative electrode (MH) in a NiMH battery.This was done by characterization of the gases produced during charge of a battery – O2 and H2 – using a Gas Chromatograph. The current applied in the very first charge of the battery was varied in order to examine how this affects the gas evolution. In the developed method, batteries were charged to 8Ah with 9A, after which a gas sample was taken and analyzed with Gas Chromatography. An additional goal was to use the method to examine the difference in activation between virgin and recycled negative electrode material. A module charged stepwise with 0.07C followed by 0.2C had the lowest share of H2 after two cycles, indicated best activation. However, a higher amount of H2 in the beginning of the activation process could possibly enhance the degree of activation during the following cycles. The method indicated that the module with recycled MH was better activated than the virgin MH. To improve the technique, repeated measurements to get better statistics should be done. Gas samples should be taken at dV/dt=0 in order to take samples at same SoC. The charge current should be adjusted so that the same C rate is always used. This would make the results easier to interpret.

Capacitive deionization is a promising technology for purification and desalination of brackish water with great advantages over current technologies due to its low operating cost and high-water recovery ratio. Most of the system studied relies on the adsorption/desorption capacity of activated carbon electrodes due to its high surface area. However, its specific adsorption capacity is limited since the adsorption is predominantly on the surface of the electrodes. In this thesis we propose the use of polyaniline as a chloride-ion adsorption material. Polyaniline is a redox polymer able to accommodate anions in several of its three states when subjected to an external voltage. To this end, we synthesized polyaniline by electrodeposition technique and its electrochemical behavior was studied. A hybrid CDI system was assembled, using PANI as anode material and activated carbon cloth as cathode, showing outstanding adsorption of 37.26 mg/g Cl at current densities of 250 A/g. The energy consumption of this system was of 0.4979 kWh/m3. Its stability was evaluated over 50 cycles with negligible capacity loss. Along with its use in a CDI system, the aim of this thesis was to understand the mechanisms of operation of this material, by means of its physical and electrochemical characterization, as well as its efficiency and stability through the use of this material in capacitive deionization cells. / Kapacitiv avjonisering är en lovande teknik för rening och avsaltning av bräckt vatten med stora fördelar jämfört med nuvarande teknik på grund av dess låga driftskostnader och höga vattenåtervinningsgrad. De flesta av de studerade systemen bygger på adsorptions/desorptionskapaciteten hos elektroder av aktivt kol på grund av dess stora yta. Dess specifika adsorptionskapacitet är dock begränsad eftersom adsorptionen huvudsakligen sker på elektrodernas yta. I den här avhandlingen föreslår vi att polyanilin används som adsorptionsmaterial för kloridjoner. Polyanilin är en redoxpolymer som kan ta emot anjoner i flera av sina tre tillstånd när den utsätts för en extern spänning. För detta ändamål syntetiserade vi polyanilin genom elektrodepositionsteknik och dess elektrokemiska beteende studerades. Ett hybrid CDI-system monterades med PANI som anodmaterial och aktiverad kolduk som katod, vilket visade en enastående adsorption av 37,26 mg/g Cl vid en strömtäthet på 250 A/g. Energiförbrukningen för detta system var 0,4979 kWh/m3. Systemets stabilitet utvärderades över 50 cykler med försumbar kapacitetsförlust. Förutom användningen i ett CDI-system var syftet med denna avhandling att förstå detta materials funktionsmekanismer genom fysisk och elektrokemisk karakterisering samt dess effektivitet och stabilitet genom användning av detta material i kapacitiva avjoniseringsceller.