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Die Röntgenabsorptionsspektroskopie (XAS) ist eine element-spezifische Charakterisierungs-methode, welche es erlaubt die elektronische und chemische Struktur der SEI zu untersuchen. In dieser Arbeit stelle ich ein neues Verfahren vor, das die Transmissions-XAS von Flüssigkeiten und Dünnschicht-Batterieelektroden unter in-situ Bedingungen mit weicher Röntgenstrahlung ermöglicht. Thematisch ist die Arbeit in zwei Teile gegliedert. Das neuartige Verfahren wird zunächst umfangreich vorgestellt und dann zur Untersuchung der Solid Electrolyte Interphase (SEI) auf Silizium angewendet. Das Verfahren basiert auf einer elektrochemischen Halbzelle, die mit einem Stapel aus zwei Siliziumnitrid-Membranfenster ausgestattet ist, um den Elektrolyten einzuschließen. Eines der Membranfenster ist gleichzeitig der Träger für die Dünnschicht-Siliziumanode, die Ladezyklen mit einer Kathode aus metallischem Lithium durchläuft. Nachdem sich die SEI gebildet hat, wird mittels eines Röntgenstrahls von hoher Intensität vorsätzlich eine Blase erzeugt, um überschüssigen Elektrolyten abzudrängen und einen dünnen Elektrolytfilm über der SEI zu stabilisieren. Durch den Elektrolytfilm bleibt die SEI in-situ. Das erzeugte System aus Blase, Elektrolytfilm, SEI und Siliziumanode wird dann mittels Transmissions-XAS untersucht. Im zweiten Teil meiner Arbeit werden dann Silizium Dünnschicht-Anoden mit dem vorgestellten Verfahren am Elektronenspeicherring BESSY II in Berlin untersucht. Bei der elektrochemischen Charakterisierung zeigen die Dünnschicht-anoden alle für die De-/Lithiierung von Silizium üblichen Merkmale. Als Hauptbestandteile der SEI wurden Lithiumacetat, Li Ethylendicarbonat oder -monocarbonat, Li Acetylacetonat, LiOH und LiF ermittelt. Darüber hinaus deuten Anzeichen von Aldehyden auf flüssige Einschlüsse in einer möglich-erweise porösen SEI Struktur hin. / X-ray Absorption Spectroscopy (XAS) is an element-specific technique, which allows to probe the electronic and chemical structure of the SEI. In this work, I introduce a novel approach for transmission XAS on liquids and thin-film battery electrode materials under in-situ conditions in the soft X-ray regime. Thematically, this work is divided into two parts: 1) the introduction of this novel method and 2) its application to investigate the Solid Electrolyte Interphase (SEI) on silicon thin film anodes. The presented technique is based on an electrochemical half-cell equipped with a sandwich of two silicon nitride membrane windows to encapsulate the electrolyte. One of the membranes acts as substrate for the silicon thin-film anode, which is cycled with a metallic lithium counter-electrode. After the SEI has formed, a gas bubble is intentionally introduced through radiolysis by a high intensity X-ray to push out excessive electrolyte and stabilize a thin electrolyte layer on top of the SEI, keeping it in-situ. The obtained stack comprised of bubble, electrolyte thin-layer, SEI and anode, is then probed with transmission XAS. The second part of this work utilizes the presented method to investigate the SEI on amorphous silicon anodes at the BESSY II synchrotron facility in Berlin. The anodes’ electrochemical characterization shows all significant features of silicon’s de-/lithiation. The SEI’s main components are determined as Li acetate, Li ethylene di-carbonate or Li ethylene mono-carbonate, Li acetylacetonate, LiOH, and LiF. Additionally, the evidence for aldehyde species indicates possible liquid inclusions within a presumably porous SEI morphology.

This work explores the capabilities of KB-BERT on the downstream task of Question Classification. The TREC data set for Question Classification with the Li and Roth taxonomy was translated to Swedish, by manually correcting the output of Google’s Neural Machine Translation. 500 new data points were added. The fine-tuned model was compared with a similarly trained model based on Multilingual BERT, a human evaluation, and a simple rule-based baseline. Out of the four methods of this work, the Swedish BERT model (SwEAT- BERT) performed the best, achieving 91.2% accuracy on TREC-50 and 96.2% accuracy on TREC-6. The performance of the human evaluation was worse than both BERT models, but doubt is cast on how fair this comparison is. SwEAT-BERTs results are competitive even when compared to similar models based on English BERT. This furthers the notion that the only roadblock in training language models for smaller languages is the amount of readily available training data. / Detta arbete utforskar hur bra den svenska BERT-modellen, KB-BERT, är på frågeklassificering. BERT är en transformermodell som skapar kontextuella, bidirektionella ordinbäddningar. Det engelska datasetet för frågeklassificering, TREC, översattes till svenska och utökades med 500 nya datapunkter. Två BERT-modeller finjusterades på detta nya TREC-dataset, en baserad på KB-BERT och en baserad på Multilingual BERT, en flerspråkig variant av BERT tränad på data från 104 språk (däribland svenska). En regel-baserad modell byggdes som en nedre gräns på problemet, och en mänsklig klassificeringsstudie utfördes som jämförelse. BERT-modellen baserad på KB-BERT (SwEAT-BERT) uppnådde 96.2% korrekthet på TREC med 6 kategorier, och 91.2% korrekthet på TREC med 50 kategorier. Den mänskliga klassificeringen uppnådde sämre resultat än båda BERT-modellerna, men det är tvivelaktigt hur rättvis denna jämförelse är. SwEAT-BERT presterade bäst av metoderna som testades i denna studie, och konkurrenskraftigt i jämförelse med engelska BERT-modeller finjusterade på det engelska TREC-datasetet. Detta resultat stärker uppfattningen att tillgänglighet till träningsdata är det enda som står i vägen för starkare språkmodeller för mindre språk.

There is a need for alternative marine fuels and propulsion techniques in order to reduce the environmental and climate impacts of the transport sector, and meet the new Swedish climate targets of net zero emissions by 2045. There are several projects and studies on full electric ferries, while the option of hydrogen fuel cell-battery hybrids are not as well explored. This study assesses the prospects for three alternative fuels and propulsion techniques for a commuter ferry in Stockholm City. The fuels assessed are hydrogen (Fuel cellbattery hybrid/electric engine), electricity (Full battery/electric engine) and a biofuel (HVO/Internal combustion engine). Conventional diesel was included as benchmark. A multi-criteria decision analysis approach is employed in order to assess the fuel systems by estimated fuel performance and benchmarked input onthe relative criteria importance. The criteria cover economic, environmental, technical, and ultimately social aspects like availability and supply of fuel. The full battery solution was discarded due to excessive weight, but as only one charging solution was investigated it is recommended for further investigation. HVO performed best in an overall score comparing all fuel alternatives, but in a comparison between only fuel cell hybrid and HVO, including the availability criteria, the fuel cell hybrid system performed best. The analysis therefore supports the opportunity to implement fuel cell-battery hybrids onthis route. / Det finns ett behov av alternativa marina bränslen och framdrivningstekniker för att minska transportsektorns miljö- och klimatpåverkan, och för att uppfylla de nya svenska klimatmålen om att inte ha några nettoutsläpp till 2045. Det finns flera projekt och studier om fullt elektriska färjor, alternativet att använda bränslecellshybrider inte är däremot inte lika utforskat. Denna studie utvärderar möjligheterna för tre alternativa bränslen och framdrivningstekniker för implementering på Djurgårdsfärjan i Stockholm Stad. De utvärderade bränslena är vätgas (bränslecellshybrid / elmotor), elektricitet (full batterilösning / elmotor) och ett biobränsle (HVO / Förbränningsmotor). Konventionell diesel ingick som riktmärke för jämförelse. Analysen genomfördes för att bedöma och jämföra bränsleprestandan mellan de olika systemen. En beslutsgrundande multikriterieanalys (MKA) utfördes och jämfördes mot liknande studier där en analytisk hierarkisk process (AHP) utförts tillsammans med viktiga intressenter i den marina transportsektorn i Sverige. Kriterierna täcker ekonomiska, miljömässiga, tekniska och i slutändan sociala aspekter som tillgång till bränsle. Den fullständiga batterilösningen avfärdades på grund av för stor massa av energisystemet, men att eftersom endast ett laddningsalternativ undersöktes rekommenderas den för ytterligare analys. HVO presterade bäst i den övergripande poängen där alla bränslealternativ jämfördes. Hybridsystemet presterade dock bäst i en jämförelse mellan HVO och hybrid där kriterierna justerades till att inkludera tillgängligheten av bränslet. Resultatet visar att viktningen av den relativa betydelsen för de olika kriterierna har stor betydelse vid utvärdering av bränslealternativ. Analysen stöder därmed möjligheten att implementera bränslecellshybrid på denna linje.

LIBs have become an ideal choice in the EVs batteries and stationary storage applications due to their invaluable advantages. The demand for LIBs is projected to increase due to the growth in the sale of EVs. But an average lifespan of LIBs is expected to be around 8 years, thus resulting in the generation of a huge pile of spent batteries after their end of life. The disposal of spent LIBs has several environmental impacts and also results in the loss of valuable metals as a waste. So, efficient, and sustainable recycling methods should also grow at the same pace as of the EVs industries. Li is one of the vital elements for the modern energy revolution and there is a growing demand for its usage in the battery applications. High demand for Li along with supply risks due to its uneven distribution in different geographical locations will increase the Li price. Also, Li was added to the list of EUs critical materials. Currently, only 1% of Li from the end of life products is being recovered. The hydrometallurgy processes based on acid leaching followed by recovery steps are found to be efficient in the recovery of a considerable amount of Li yet there are many drawbacks. Therefore, a combined method such as a thermal treatment followed by water leaching is found to be a promising route to first selectively separate Li from the other valuable metals. The purpose of this research is to investigate the selective leaching of Li from thermally pretreated waste LIBs (by pyrolysis and incineration processes between 400 – 700 ºC for 30, 60, 90min) with water as a leaching agent at high temperature and low L/S ratio. Al salts were also leached along with Li with an efficiency not higher than 3.5%. The finding showed that the time of thermal pretreatment did not have a significant change in Li leaching efficiency. The effect of the S/L ratio showed that the leaching efficiency of Li was higher with an increase in liquid content, keeping the mass of solid constant. At a higher leaching temperature, the leaching efficiency of Li was higher due to an increase in the solubility of Li salts. The highest Li leaching efficiency of nearly 60% was observed from the sample pyrolyzed at 700 ºC for 60 min with the leaching condition S/L ratio = 1:20 g/mL, 80 ºC, 300 rpm, 3 hrs. Furthermore, the tests such as addition of 10% excess carbon during thermal treatment or use of carbonated water during leaching were carried out to enhance the leaching efficiency of Li. However, the test results did not have a significant increase in the leaching efficiency of Li. / LIB har blivit ett idealiskt val i EV-batterier och stationära lagringsapplikationer på grund av deras ovärderliga fördelar. Efterfrågan på LIB bedöms öka på grund av tillväxten i försäljningen av elbilar. Men en genomsnittlig livslängd på LIB förväntas vara cirka 8 år, vilket resulterar i att en enorm hög med förbrukade batterier genereras efter deras livslängd. Bortskaffande av förbrukade LIB har flera miljöpåverkan och resulterar också i förlust av värdefulla metaller som avfall. Så effektiva och hållbara återvinningsmetoder borde också växa i samma takt som inom elbranschen. Li är ett av de viktigaste elementen för den moderna energirevolutionen och det finns en växande efterfrågan på dess användning i batteritillämpningarna. Hög efterfrågan på Li tillsammans med utbudsrisker på grund av dess ojämna fördelning på olika geografiska platser kommer att öka Li-priset. Li läggs också till i listan över EU: s kritiska material. För närvarande återvinns endast 1% av Li från uttjänta produkter. Hydrometallurgiprocesserna baserade på syraläckning följt av återvinningssteg har visat sig vara effektiva vid utvinningen av en betydande mängd Li men det finns många nackdelar. Därför har en kombinerad metod, såsom en termisk behandling följt av vattenlakning, visat sig vara en lovande väg att först selektivt separera Li från de andra värdefulla metallerna. Syftet med denna forskning är att undersöka den selektiva urlakningen av Li från termiskt förbehandlade avfall LIB (genom pyrolys och förbränningsprocesser mellan 400 - 700 ºC under 30, 60, 90 minuter) med vatten som läckmedel vid hög temperatur och låg L / S förhållande. Al-salter lakades också ut tillsammans med Li med en verkningsgrad som inte var högre än 3,5%. Resultatet visade att tiden för termisk förbehandling inte hade någon signifikant förändring av Li-utlakningseffektiviteten. Effekten av S / L-förhållandet visade att urlakningseffektiviteten för Li var högre med en ökning av vätskeinnehållet, vilket höll massan av fast ämne konstant. Vid en högre urlakningstemperatur var urlakningseffektiviteten för Li högre på grund av en ökning av lösligheten av Li-salter. Den högsta Li-lakningseffektiviteten på nästan 60% observerades från provet pyrolyserat vid 700 ° C under 60 minuter med läckningsförhållandet S / L-förhållande = 1:20 g / ml, 80 ° C, 300 rpm, 3 timmar. Vidare utfördes testerna såsom tillsats av 10% överskott av kol under termisk behandling eller användning av kolsyrat vatten under lakning för att förbättra lakningseffektiviteten för Li. Emellertid hade testresultaten ingen signifikant ökning av utlakningseffektiviteten för Li.

The freight transport plays an important role in the development of the economy. However, this comes with an important contribution to greenhouse gas emission. Recently a shift toward heavy-duty electric vehicles has been made, but some issues still need to be tackled. One of them is to develop ways to quickly recharge the vehicle’s batteries without damaging them. In this thesis, we highlight that not only the current but also the battery temperature need to be carefully managed in order to prevent damages during a charging session. To show that, an electrical, thermal and aging model of Li-ion battery is developed. A charging strategy based on a Model Predictive Control algorithm is proposed. The algorithm controls both the battery current and cooling system in order to achieve the optimal balance between the charging speed and the preservation of the battery. The resulting algorithm is tested, in simulation, against a conventional constant current charging in different charging scenarios. The results show an important increase in performance and highlight the role of the battery cooling system in the preservation of the battery. / Godstransporterna spelar en viktig roll för ekonomins utveckling. Detta innebär dock ett betydande bidrag till utsläppen av växthusgaser. På senare tid har en övergång till tunga elfordon skett, men vissa frågor måste fortfarande lösas. En av dem är att utveckla metoder för att snabbt ladda fordonsbatterierna utan att skada dem. I den här avhandlingen lyfter vi fram att inte bara strömmen utan även batteritemperaturen måste hanteras noggrant för att förhindra skador under en laddning. För att visa detta utvecklas en elektrisk, termisk och åldrande modell för Li-ion-batterier. En laddningsstrategi baserad på en algoritm för modellförutsägbar styrning föreslås. Algoritmen styr både batteriströmmen och kylsystemet för att uppnå en optimal balans mellan laddningshastighet och bevarande av batteriet. Den resulterande algoritmen testas i simulering mot en konventionell konstantström laddning i olika laddningsscenarier. Resultaten visar en betydande ökning av prestanda och belyser batterikylsystemets betydelse för bevarandet av batteriet.

Elektrochemische Energiespeicher sind entscheidend für eine zuverlässige Energieversorgung angesichts steigender Nachfrage und knapper Ressourcen. Die fortlaufende Entwicklung möglichst umweltfreundlicher Materialien mit guter Verfügbarkeit ist essenziell für die Verbesserung von deren Leistungsfähigkeit. Ziel der Arbeit war die Nutzung cellulosebasierter Präkursoren zur Herstellung von Elektrodenmaterialien für die elektrochemischen Energiespeicher Superkondensator und Li-Ionen-Batterie. Dabei werden die Struktur-Eigenschaftsbeziehungen von Präkursormaterial und Kohlenstoff, sowie deren Einfluss auf die resultierenden elektrochemischen Leistungen untersucht. Mittels Acetatverfahren können sphärische Partikel auf Basis von Cellulose mit einer Partikelgröße < 5 µm und enger Partikelgrößenverteilung hergestellt werden. Bei der Herstellung sphärischer Partikel aus Celluloseacetat werden eine Vielzahl verschiedener Parameter im Herstellungsprozess variiert und deren Einfluss auf die Eigenschaften der sphärischen Partikel verändert. Außerdem werden die Cellulosederivate Celluloseacetat-butyrat und Celluloseacetat-phthalat als Ausgangsmaterial zur Herstellung sphärischer Partikel verwendet. Die hergestellten sphärischen Partikel werden mittels Pyrolyse zu Kohlenstoff umgewandelt, wobei zum einen der Einfluss der Eigenschaften der sphärischen Präkursoren auf die resultierenden Kohlenstoffe und zum anderen der Einfluss verschiedener Carbonisierungsbedingungen (Carbonisierungstemperatur, Haltezeit, Heizrate) anhand von sphärischen Celluloseacetatpartikeln mit einer Partikelgröße < 5 µm untersucht werden. Zur Vergrößerung der Oberfläche und zur Veränderung der Porenstruktur werden aktivierte Kohlenstoffe hergestellt. Dabei wird KOH in verschiedenen Aktivierungsgraden C : KOH verwendet sowie alternative Aktivierungsreagenzien getestet. Die (aktivierten) Kohlenstoffe dienen als Elektrodenmaterialien in Superkondensatoren, Li-Ionen-Batterien und Li-Ionen-Kondensatoren. Die hergestellten Kohlenstoffe zeigen vielversprechende Kapazitäten als Elektrodenmaterial in symmetrischen Superkondensatoren mit KOH-Elektrolytlösung, insbesondere bei Verwendung von aktiviertem Kohlenstoff aus sphärischen Celluloseacetatpartikeln. Außerdem werden verschiedene neutrale wässrige Elektrolytlösungen als Alternative zu alkalischen KOH-Lösungen getestet und der Einfluss von Konzentration und Arbeitstemperatur betrachtet. Weiterhin kann die Eignung der hergestellten nicht-aktivierten Kohlenstoffe aus Celluloseacetat-Perlen als Anodenmaterial in Lithium-Ionen-Batterien als Alternative zu Graphit gezeigt werden, insbesondere hinsichtlich Langzeitstabilität und dem Einsatz bei hohen Betriebstemperaturen. Auch ein möglicher Einsatz der aktivierten Kohlenstoffe aus Celluloseacetat-Perlen in Li-Ionen-Kondensatoren als Kathodenmaterial mit TNO-Anode wird geprüft.:ABBILDUNGSVERZEICHNIS TABELLENVERZEICHNIS ABKÜRZUNGSVERZEICHNIS SYMBOLVERZEICHNIS 1 EINLEITUNG 2 THEORETISCHE GRUNDLAGEN 2.1 Ausgangsmaterialien 2.1.1 Cellulose 2.1.2 Celluloseester (Celluloseacetat, Celluloseacetat-butyrat, Celluloseacetat-phthalat) 2.1.3 Sphärische Partikel aus Cellulose und Cellulosederivaten 2.2 Kohlenstoffe 2.2.1 Kohlenstoffe in Energiespeichern 2.2.2 Amorphe Kohlenstoffe 2.2.3 Aktivierte Kohlenstoffe 2.3 Elektrochemische Speichermethoden 2.3.1 Superkondensatoren 2.3.1.1 Speicherarten – EDLC vs. Pseudokapazität 2.3.1.2 Elektrodenmaterialien 2.3.1.3 Elektrolytsysteme 2.3.2 Lithium-Ionen-Batterien 2.3.3 Lithium-Ionen-Kondensatoren 2.4 Methoden zur strukturellen Charakterisierung 2.4.1 Laserbeugungsspektroskopie 2.4.2 Sedimentationsverhalten zur Bestimmung der Porosität 2.4.3 Stickstoffphysiosorption 2.4.4 Raman-Spektroskopie 2.4.5 Rasterelektronenmikroskopie 2.4.6 Röntgendiffraktometrie 2.4.7 Viskositätsmessungen 2.5 Elektrochemische Charakterisierung 2.5.1 Zyklische Voltammetrie 2.5.2 Galvanostatisches Zyklieren 2.5.3 Elektrochemische Impedanzspektroskopie 2.5.4 Galvanostatische intermittierende Titrationstechnik 3 EXPERIMENTELLER TEIL 3.1 Herstellung Perlcellulose 3.1.1 Herstellung der sphärischen Celluloseester / Deacetylierung 3.1.2 Variationen der Parameter 3.2 Carbonisierung / Aktivierung 3.3 Herstellung der Elektrochemischen Energiespeicher 3.3.1 Superkondensatoren 3.3.2 Lithium-Ionen-Batterien 3.3.3 Lithium-Ionen-Kondensatoren 3.4 Chemikalien 3.5 Geräte und Methoden 4 ERGEBNISSE & DISKUSSION 4.1 Ausgangsmaterialien für die Herstellung von sphärischen Celluloseestern 4.2 Sphärische Celluloseester 4.2.1 Verschiedene CA-Materialien 4.2.2 Deacetylierung zur Perlcellulose 4.2.3 Partikelgröße 4.2.4 Salzgehalt 4.2.5 Tensidgehalt 4.2.6 Celluloseacetat-butyrat 4.2.7 Celluloseacetat-phthalat 4.2.8 Zusammenfassung der Herstellung sphärischer Partikel aus Celluloseestern 4.3 Kohlenstoffe auf Basis von sphärischen Celluloseestern 4.3.1 Einfluss der Carbonisierungsbedingungen auf die hergestellten Kohlenstoffe aus CA1-Perlen 4.3.2 Einfluss der verschiedenen Herstellungsbedingungen der Celluloseacetat-Perlen auf den resultierenden Kohlenstoff 4.3.3 Kohlenstoffe aus Celluloseacetat-butyrat-Perlen 4.3.4 Kohlenstoffe aus Celluloseacetat-phthalat 4.3.5 Zusammenhänge zwischen Präkursoren und Kohlenstoffen 4.4 Aktivierte Kohlenstoffe 4.4.1 Aktivierung von CA- und CAB-Perlen mit KOH 4.4.2 Vergleich von KOH mit anderen Aktivierungsreagenzien 4.5 Superkondensatoren mit Elektroden aus Kohlenstoffen auf Basis von sphärischen Celluloseestern in alkalischen Elektrolyten 4.5.1 Einfluss der Carbonisierungsbedingungen auf die Performance von Superkondensatoren mit CA1-Elektroden 4.5.2 Superkondensatoren auf Basis von Kohlenstoffen aus verschiedenen Celluloseestern 4.5.3 Aktivierte Kohlenstoffe 4.5.4 Zusammenhang zwischen den hergestellten Kohlenstoffen und deren Einsatz als Elektrodenmaterial in Superkondensatoren 4.6 Vergleich von alkalischen und neutralen Elektrolyten in Superkondensatoren 4.6.1 Charakterisierung der Elektrolyte 4.6.2 Neutrale Elektrolyte und alkalische Elektrolyte im Vergleich 4.6.3 Einfluss von Konzentration und Temperatur auf die Zellperformance mit Na2SO4-Elektrolyten 4.7 Kohlenstoffe aus sphärischen Celluloseestern als Anodenmaterial in Lithium-Ionen-Batterien 4.7.1 Einfluss der Carbonisierungsbedingungen auf CA1 als Anodenmaterial 4.7.2 Bindersysteme 4.7.3 Kohlenstoffe aus Celluloseestern mit verschiedenen Herstellungsbedingungen 4.7.4 Einfluss der Temperatur 4.8 Lithium-Ionen-Kondensatoren mit aktiviertem Kohlenstoff aus CA-Perlen als Kathodenmaterial 4.9 Vergleich der Kohlenstoffe als Elektrodenmaterial in den verschiedenen Energiespeichersystemen 5 ZUSAMMENFASSUNG 6 LITERATURVERZEICHNIS 7 ANHANG

The rechargeable Li-O2 battery has attracted interest due to its high theoretical energy density (about 10 times better than today’s Li-ion batteries). In this PhD thesis the cycling instability of the Li-O2 battery has been studied. Degradation of the battery has been followed by studying the interface between the electrodes and electrolyte and determining the chemical composition and quantity of degradation products formed after varied cycling conditions. For this in-house and synchrotron based Photoelectron Spectroscopy (PES) were used as a powerful surface sensitive technique. Using these methods quantitative and qualitative information was obtained of both amorphous and crystalline compounds. To make the most realistic studies the carbon cathode pore structure was optimised by varying the binder to carbon ratio. This was shown to have an effect on improving the discharge capacity. For Li-O2 batteries electrolyte decomposition is a major challenge. The stability of different electrolyte solvents and salts were investigated. Aprotic carbonate and ether based solvents such as PC, EC/DEC, TEGDME, and PEGDME were found to decompose during electrochemical cycling of the cells. The carbonate based electrolytes decompose to form a 5-10 nm thick surface layer on the carbon cathode during discharge which was then removed during battery charging. The degradation products of the ether based electrolytes consisted mainly of ether and carbonate based surface species. It is also shown that Li2O2 as the final discharge product of the cell is chemically reactive and decomposes carbonate and ether based solvents. The stability of lithium electrolyte salts (such as LiPF6, LiBF4, LiB(CN)4, LiBOB, and LiClO4) was also studied. The PES results revealed that all salts are unstable during the cell cycling and in contact with Li2O2. Decomposition layers thinner than 5 nm were observed on Li2O2. Furthermore, it is shown that the stability of the interface on the lithium anode is a chief issue. When compared to Li batteries (where oxygen levels are below 10 ppm) working in the presence of excess oxygen leads to the decomposition of carbonate based electrolytes to a larger degree.

This thesis investigates several approaches to the development of high-performance batteries. A general background to the field and an introduction to the experimental methods used are given in Chapters 1 and 2 respectively. Chapter 3 presents a study of ordered and disordered LiNi₀.₅Mn₁.₅O₄ materials produced using an optimised resorcinol-formaldehyde gel (R-F gel) synthetic technique. Both materials exhibited good electrochemical properties and minimal side reaction with the electrolyte. Structural analyses of the materials in various states of discharge and charge were undertaken, and from these the charge / discharge processes were elucidated. In chapter 4 R-F gel synthesised Li(Ni₁/₃Mn₁/₃Co₁/₃)O₂ is studied and found to exhibit a high degree of structural stability on cycling, as well as excellent capacity, cyclability and rate capability. Photoelectron spectroscopy studies revealed that the R-F gel derived particles have highly stable surfaces. A discussion of the results and their significance, with particular regard to the outstanding electrochemical performance observed, is also presented. Chapter 5 sets out an investigation into the nature of R-F gel synthesised 0.5Li₂MnO₃:0.5LiNi₁/₃Mn₁/₃Co₁/₃O₂. The electrochemical data revealed that, after an initial activation stage, the R-F gel derived material exhibited a high capacity, good cyclability and exceptional rate capability. This chapter also considers some initial structural investigations and the electrochemical processes occurring on charge. In chapter 6 the use of ether-based electrolytes, combined with various cathode materials, in lithium-oxygen batteries is examined. The formation of decomposition products was observed, and a scheme suggesting probable reaction pathways is given. It was noted that significant quantities of the desired discharge product, lithium peroxide, were formed on the 1st cycle discharge, implying some electrolyte / cathode combinations do demonstrate a degree of stability. A summary of the results and a discussion of their significance are also included.

Batteries have imparted momentum to the process of transition towards a green future. However, mass application of batteries is obstructed due to their explosive nature, a trait specific to Li-Ion batteries. To cater to an efficient battery utilization, an introduction of a battery management system would provide an ultimate solution. This thesis deals with different aspects crucial in designing a battery management system for high energy as well as high power applications. To build a battery management system capable of predicting battery behavior, it is necessary to analyze the dynamic processes happening inside the battery. Hence, a battery equivalent circuit model is proposed in this thesis as well as proper analysis is done in MATLAB to project a generic structure applicable to all Li-Ion chemistries. The model accounts for all dynamic characteristics of a battery including non-linear open circuit voltage, discharge current and capacity. Effect of temperature is also modeled using a cooling system. The model is validated with test current profiles. Less than 0.1% error between measured and simulated voltage profiles indicates the effectiveness of the proposed model to predict the runtime behavior of the battery. Furthermore, the model is implemented with the energy as well as the power battery pack. State of charge calculations are performed using the proposed model and the coulomb counting method and the results indicate only a 4% variance. Therefore, the proposed model can be applied to develop a real-time battery management system for accurate battery states estimation.