Många batteriers användningsområden kräver att batterierna har hög upp- och urladdningshastighet samt låg kostnad. För dessa användningsområden är vattenbaserade laddningsbara batterier (ARB) ett möjligt alternativ i och med att de är svårantändliga, har god jonledningsförmåga, lägre inre resistans, billigare elektrolytlösning och tillverkning och har potentiellt högre upp- och urladdningshastigheter.  Genom att utgå från en cell med LiMn2O4 och V2O5 som katod respektive anod, utvecklades en cell med en spänning på 1 V och prestanda för 2 mol/L LiTSFI i organisk respektive vattenlöslig lösning jämfördes i ett SEI-fritt system. Prestandan kvantifierades med avseende på urladdningskapaciteten vid olika urladdningshastigheter samt fördelningen av de interna överpotentialerna. Vid C/4 behöll den organiska elektrolyten 88,3% av den initiala kapaciteten efter 10 cykler medan den vattenlösliga behöll 98,8%. En gräns på 20 °C påvisades för den organiska elektrolyten och vid försök att gå över denna hastighet svällde pouch cellen upp. Den vattenlösliga elektrolyten, å andra sidan, bevarade 37 mAh/g vid 50 °C.  Skillnaden i potentialfördelning i de två systemen analyserades även genom att använda tunnare elektroder. Den organiska elektrolyten visade då en förbättring av prestandan vid höga hastigheter, med en urladdningskapacitet på 8,8 mAh/g vid 50 °C, jämfört med 30 mAh/g för den vattenlösliga elektrolyten. IR-fallet var 7 gånger högre för den organiska elektrolyten. Eventuell skillnad i laddningsöverföring och por-resistans kunde inte analyseras då flera processer ägde rum på samma gång i systemen, vilket gav ett impedansspektrum med en komplex associerad ekvivalent krets. / For several battery applications, high dis-/charge rate and low cost are imperatives. It is for these applications that aqueous rechargeable batteries (ARB) rise as potential candidates given the non-flammability, potentially higher ionic conductivity and dis-/charge rates, lower internal resistances and lower price of the electrolyte solvents and manufacture. By benchmarking a cell with LiMn2O4 and V2O5 as cathode and anode, respectively, a cell with an operating voltage window of 1 V was developed and the performance of 2 mol/L LiTFSI in organic and aqueous solvent compared in a SEI-free system. This performance was quantified in terms of discharge capacity at different rates of discharge and the distribution of internal overpotentials. At C/4, the organic electrolyte held 88.3% of the initial capacity after 10 cycles while the aqueous, 98.8%. A limit of 20 °C for the organic electrolyte was seen, and at the attempt of cycling above this rate, swelling of the pouch cell took place. The aqueous electrolyte, on the other hand, conserved 37 mAh/g at 50 °C. The difference of overpotentials distribution in both systems was also assessed by employing thinner electrodes. The organic electrolyte showed then an improvement on high-rate performance, reaching 50 °C, but with a discharge capacity of 8.8 mAh/g, against 30 mAh/g for the aqueous electrolyte. The IR-drop was 7 times higher for the organic electrolyte. The differentiation between charge-transfer and pore resistance, however, was not possible, because of the presence of several processes taking place at similar time-scales in both systems, yielding an impedance spectra with a complex associated equivalent circuit.

”Coin cell”-tillverkningen täcker hela processen från NMC-pulver till faktisk cell- och prestandautvärdering genom att cykla celler. Nydanande utveckling av elektrodmaterialen är nyckeln till att öka energitätheten hos litium-jon/metall-batterier för elfordon och nätlagring. Prestandan hos nya katodmaterial utvärderas vanligtvis genom att sätta samman knappcellsbatterier (coin cell) som s.k. halvceller med katodmaterialet som arbetselektrod och litium som motelektrod. Detta dokument beskriver ingående metodvalideringen för tillverkning av knappcellsbatterier. Dokumentet innehåller metodik, resultat och slutsatser från den genomförda metodvalideringen. Syftet med denna studie var att validera en befintlig metod för tillverkning av knappceller, och förbättra metoden genom att upptäcka de största källorna till avvikelser och eliminera dem. För validering Gauge R och R görs linjäritetstest för att validera noggrannhet och precision av metoden vilket är en del av sex sigma-strategin som används i många industrier. Verifieringen görs med livscykeltest och impedansspektroskopi. Den validerade metoden kommer att implementeras som standard i kvalitetskontrollabbet vid Northvolt Labs för att testa de elektrokemiska egenskaperna och prestandan hos kalcinerat NMC-material. / Coin cell manufacturing involves the entire process from NMC powder to the actual cell and performance evaluation through cycling. The development of novel positive electrodes is the most important way to increase the energy density of lithium-ion/metal batteries for electric vehicles and grid storage. The performance of new cathode/anode materials is usually evaluated by assembling coin half cells with a working electrode as the cathode and lithium as the counter electrode. This document describes in detail the procedure used in method validation for coin cell fabrication. The document includes the validation study methodology, results, and conclusions. The objective of this study was to validate an existing method for coin cell manufacturing, to identify and eliminate the main sources of variation, and thus to improve the method. For validation, Gage R and R measurements, linearity and bias tests are performed to verify the accuracy and precision of the method, which is part of the Six Sigma strategy used by many companies. Cycle life and electrochemical impedance spectroscopy are used to verify the developed methods. The validated method will be implemented as a standard in Northvolt’s quality control laboratory to test the electrochemical properties and performance of calcined NMC material.

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.

På senare år har efterfrågan på stålmaterial av låg vikt ökat, speciellt inom transportsektorn. Genom att addera Al till stål sänks densiteten vilket gör att FeAl-legeringar är ett lovande material för fordonskonstruktion. Vätskekorrosionsegenskaper undersöktes av 3D – printade FeAl prover som innehöll 0 – 10 vikt% Al och 0,1 vikt% Zr för att bestämma hur korrosionsegenskaperna förändrades med avseende på Al – innehållet. Korrosionsresistansen var i stor utsträckning beroende av huruvida en passiv film av Al2O3 bildades på ytan eller ej. Korrosionshastigheten bestämdes genom EIS – och PDP – analyser utförda i 3,5 vikt% NaCl-lösning samt genom viktförlusttester i 1 M HCl respektive 0,5 M H2SO4. Vidare karaktäriserades proverna genom XRF, XRD, EDS, SEM och optisk mikroskopi vilket bland annat visade på att samtliga prover var enfassystem samt att den kemiska sammansättningen var enligt förväntan. Vidare indikerade optisk mikroskopi och SEM att ett högre Al – innehåll resulterar i att proverna blir mer porösa. Elektrokemiska tester antyder att ett Al – innehåll om 10 vikt% förbättrade korrosionsresistansen. Detta antyder möjligen, men kan inte definitivt fastslås från de utförda experimenten, att det krävs 10 vikt% Al för att en passiv film som täcker hela materialytan ska bildas. Korrosionshastigheten var 7 – 10 gånger högre vid viktförlusttest jämfört med elektrokemiska test. Detta förklaras genom att den skyddande passiva filmen bröts ned under de sura förhållanden som viktförlusttesten utfördes i medan den passiva Al2O3 filmen kunde bestå i de pH – neutrala förhållanden som elektrokemiska test utfördes vid. Detta speglar att bildandet och stabiliteten av Al2O3-filmen är vitalt för att sänka korrosionshastigheten. / In recent years the demand for lightweight ferritic steels has increased, particularly for transport applications. The addition of Al lowers the density, hence making FeAl alloys promising materials for such constructions. Aqueous corrosion properties of 3D – printed FeAl samples ranging from 0 – 10 wt% Al and containing 0.1 wt% Zr were investigated to determine how the Al content affects the corrosion resistance. The corrosion rate was found to greatly depend on the formation and stability of a protective passive film of Al2O3 forming on the material surface. A corrosion rate was obtained via EIS and PDP in 3.5 wt% NaCl as well as via weight loss testing in 1 M HCl and 0.5 M H2SO4. Additionally, XRF, XRD, EDS, SEM and optical microscopy tests were carried out to characterize the samples. XRF and EDS confirmed that the elemental composition of the samples was as expected and XRD indicated that all samples were single phase systems. Furthermore, optical microscopy and SEM indicated that higher Al content makes the samples more porous. Electrochemical testing indicated that addition of 10 wt% Al greatly improves the corrosion properties suggesting that it may require 10 wt% Al to form a passive film that covers the whole surface, although this cannot be said for certain from these experiments. Moreover, the corrosion rate was 7 – 70 times lower during electrochemical testing compared to weight loss testing, in which the passive film breaks down due to the acidic conditions. This emphasizes that the stability of the Al2O3 film is vital for slowing down the corrosion rate of FeAl alloys.

In recent years, the demand for Li-ion-type batteries has been increasing significantly in various fields of applications including portable electronics, electric vehicles, and also in renewable energy support. These applications ask for a highly efficient charging strategy in order to maintain a long life cycle of the batteries. Recently, a new charging technique referred as sinusoidal ripple current-constant voltage charging (SRC-CV) technique has been proposed and is in certain publications claimed to realize an improved charging per-formance on Li-ion batteries than conventional constant-current constant-voltage charg-ing (CC-CV) techniques. In this thesis, the charging performance of the SRC-CV charging method applied to a prismatic Li-ion cell for an automotive traction application is inves-tigated. An existing experimental setup is upgraded to realize charging of the Li-ion cells using the SRC-CV charging method. Electrochemical impedance spectrums of three Li-ion cells have been obtained using electrochemical impedance spectroscopy (EIS). These spectrums were used to determine the charging ripple-current frequency where the mag-nitudes of the ac impedance of the cell are minimized. Key parameters like charging time, discharging time, and energy efficiency are calculated in order to compare the charg-ing performance of the CC-CV and SRC-CV charging techniques. The results reported from the experimental results obtained in this thesis indicate that there is no significant improvement with the SRC-CV charging method (implemented using a constant ripple-current frequency) compared to the CC-CV method in terms of charging time and energy efficiency. / På senare tid har behovet av batterier av Li-jontyp ökat kraftigt inom ett flertal applikationsområden inkluderande portabel elektronik, elfordon och miljövänlig elenergiproduktion. I dessa applikationsområden behövs en högeffektiv laddstrategi för att möjliggöra ett stort antal cyklingar av batterierna. Nyligen har en new laddmetod, benämnd sinusoidal ripple current-constant voltage-laddning (SRC-CV-laddning) föreslagits och har i vissa publikationer demonsterat en förbättring av laddprestanda hos Li-jonbatterier jämfört med konventionell constant-current constant-voltage-laddning (CC-CV-laddning). I detta examensarbete undersöks laddprestandan hos SRC-CV och CC-CV-laddning när de appliceras på prismatiska Li-jonceller avsedda för traktionsdrift. En existerande experimentuppsättning har uppgraderats för att realisera laddcykling med SRC-CV-laddning. Med hjälp av elektrokemisk impedansspektroskopi på tre Li-jonceller har den frekvens vid vilken magnituden på cellernas impedans är minimerad identifierats. Nyckelparametrar såsom laddtid, urladdningstid och energieffektivitet har uppmätts för både SRC-CV- och CC-CV-laddning. De experimentella resultaten visar ingen signifikant förbättring mellan SRC-CV-laddning (implementerat med en konstant rippelströmfrekvens) och konventionell CC-CV-laddning.