Diss. Linköping : Univ., 2001.

Diss. (sammanfattning) Linköping : Univ., 2005.

Diss. Linköping : Univ., 2002.

Solid-state batteries are gaining a lot of attention in the commecial sector today. Development of the solid state electrolytes is an important part in making commercially viable solid-state batteries. While many solid-state electrolytes are struggling with low ionic conductivity, some have shown comparatively high conductivities that can be engineered to perform better to be implemented for consumer market. Silica based solid composite electrolytes (SCEs) are one of the materials that are of huge interest as solid-state electrolytes. As a continuation of the previous research into the silica based SCE’s, the current work focuses on the study of SCEs based on the commercially available mesoporous silica (MPS) of different pore sizes and nanosized silica powder (SNP). Ionic Liquid electrolyte (ILE) based on Li-TFSI and BMP-TFSI mixture was used to prepare composities under different humidity conditions. The effect of the extent of -OH group functionalization of silica, determined by FTIR on treated and untreated powders, on ionic conductivity was also evaluated. Obtained composities were evaluated with electrochemical impedance spectroscopy (EIS) and analysed with TGA to establish correlations based on particle size and pore characteristics of MPS powder. Camparison with SNP was also made in anticipation to draw correlations with MPS. It was found that the pore size and pore volume change have more impact on the conductivity compared to surafce area of commercially obtained MPS and an unexplored pheonomenon was observed in case of SNP based SCE’s. Glovebox (GB) samples at relative humidity (RH)-0.005% have higher conductivity than dryroom samples at RH-0.5%. These findings can be used for a future reference in evaluating commercial MPS based composites as solid-state electrolytes. / Solid-state-batterier får stor uppmärksamhet i den kommersiella sektorn idag. Utveckling av fasta elektrolyter är en viktig del för att göra kommersiellt gångbara solid state-batterier. Medan många fasta elektrolyter kämpar med låg jonledningsförmåga, har vissa visat jämförelsevis höga ledningsförmåga som kan konstrueras för att prestera bättre för att implementeras för konsumentmarknaden. Kiselbaserade fasta kompositelektrolyter (SCE) är ett av de material som är av stort intresse som fasta elektrolyter. Som en fortsättning på den tidigare forskningen om de kiselbaserade SCE:erna fokuserar det nuvarande arbetet på studiet av SCE:er baserade på den kommersiellt tillgängliga mesoporösa kiseldioxiden (MPS) av olika porstorlekar och nanosized kiseldioxidpulver (SNP). Jonisk flytande elektrolyt (ILE) baserad på Li-TFSI och BMP-TFSI-blandning användes för att framställa kompositer under olika luftfuktighetsförhållanden. Effekten av omfattningen av -OH-gruppfunktionalisering av kiseldioxid, bestämd med FTIR på behandlade och obehandlade pulver, på jonkonduktiviteten utvärderades också. Erhållna sammansättningar utvärderades med elektrokemisk impedansspektroskopi (EIS) och analyserades med TGA för att fastställa korrelationer baserat på partikelstorlek och poregenskaper hos MPS-pulver. Kamparison med SNP gjordes också i väntan på att dra korrelationer med MPS. Det visade sig att porstorleken och porvolymsförändringen har mer inverkan på konduktiviteten jämfört med ytan för kommersiellt erhållen MPS och ett outforskat fenomen observerades i fallet med SNP-baserade SCE. Handskbox (GB) prover vid relativ fuktighet (RH)-0,005 % har högre konduktivitet än torrrumsprover vid RH-0,5 %. Dessa resultat kan användas för en framtida referens vid utvärdering av kommersiella MPS-baserade kompositer som fasta elektrolyter.

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

Strukturella batterier är multifunktionella; de tillhandahåller lagring av elektrokemisk energi samtidigt som de bidrar med en lastbärande funktion. Tillsammans möjliggör detta att batteriet kan integreras i karossen hos ett elektriskt fordon eller apparat. Denna multifunktionalitet möjliggör således en avsevärd reducering i fordonets vikt. Kompositmaterialet är förstärkt av kolfiberelektroder, innesluten i en elektrolytstruktur. För att förverkliga detta koncept måste batteriets elektrolyt kunna motstå mekanisk belastning, samtidigt som den transporterar joner mellan batteriets elektroder. Denna studie syftar till att bygga vidare på konceptet av fas-separerade polymerelektrolyter, skapade från polymerisationsinducerad fasseparation via termisk härdning, vilket är en teknik utvecklad av Schneider et al. och Ihrner et al. Vidare undersöks effekten av att dels använda en elektrolytlösning baserad på EC:PC, men även att inkorporera tioler till polymernätverket. Tvärbindningsmolekylerna som användes i denna studie inkluderade trimetylolpropan tris(3-merkaptopropionat) (3TMP), pentaerythritol tetrakis(3-merkaptopropionat) (4PER), och dipentaerythritol hexakis-(3-merkaptopropionat) (6DPER). Dessa skiljer sig i antal funktionella tiolgrupper. Konduktivitet, termo-mekanisk prestanda och strukturberoende egenskaper undersöktes genom tre laborativa faser. Den första fasen behandlade inverkan på elektrolytsystemet av ändrat lösningsmedel, tiol-funktionalitet samt tiolgruppförhållandet gentemot allyl gruppen på den primära monomeren. Sampolymeren innehållandes 6DPER uppvisade bäst multifunktionalitet, varpå denna utvecklades vidare i fas två där en optimal sammansättning fastställdes som bestod utav 45 viktprocent jonlösning. I den slutliga fasen konstruerades en halv-cell baserat på den tidigare optimerade elektrolytkompositionen; den uppmätta kapaciteten visar tydlig förbättring jämfört med tidigare forskning. Resultatet som erhölls i denna studie bidrar till förståendet av strukturella batteri-elektrolyter samt den forskning som en dag kan komma att förverkliga strukturella batterier och dess tillämpningskrav. / Structural batteries are multifunctional; providing electrochemical energy storage synergistically with a load-bearing function that enables their integration into the body panels of electric devices and vehicles. Thus, massless energy can be achieved. As a composite material, it is composed of reinforcing carbon fibre electrodes embedded in an electrolyte matrix. To realize this concept, the electrolyte must simultaneously transfer mechanical load and transport ions between electrodes. The following study builds on a phase-separated polymer electrolyte, created using polymerization-induced phase separation via thermal curing, formulated by Schneider et al. and Ihrner et al.. The impact of the incorporation of thiols for copolymerization and as cross-linking agents for the polymer network was researched along with use of an EC:PC-based solvent. The three thiols studied were: trimethylolpropane tris(3-mercaptopropionate) (3TMP), pentaerythritol tetrakis(3-mercaptopropionate) (4PER), and dipentaerythritol hexakis-(3-mercaptopropionate) (6DPER). These differed in regard to the amount of thiol functional groups present. Ionic conductivity, thermo-mechanical performance and structure-property relationships were studied across 3 laboratory phases. The first phase concerned the effect of thiol-functionality, the thiol functional group ratio relative to the allyl group present in the primary monomer, and the solvent interaction. 6DPER was concluded to be the most promising cross-linking agent. During the second phase, the effect of electrolyte content was evaluated with an optimum of 45 weight% determined. The third phase concluded the study, wherein a half-cell was assembled with the optimized electrolyte formulation showing improved capacity relative to previous studies. The results developed here contribute to the understanding of structural battery electrolyte systems and their continued research to meet application demands.