LiFePO4-coated carbon fiber electrodes for structural batteries
Tid: To 2024-04-18 kl 10.00
Plats: E3, Osquars backe 14, Stockholm
Videolänk: https://kth-se.zoom.us/webinar/register/WN_tlfpCwy2So2--moYgvclVg
Språk: Engelska
Ämnesområde: Kemiteknik
Respondent: Yasemin Duygu Yucel , Tillämpad elektrokemi
Opponent: Professor Srinivasan Madhavi, Nanyang Technological University, Singapore
Handledare: Professor Göran Lindbergh, Tillämpad elektrokemi; Professor Rakel Wreland Lindström, Tillämpad elektrokemi; Professor Dan Zenkert, Farkostteknik och Solidmekanik
QC 20240325
Abstract
Litiumjonbatterier (LIB) har en central roll i produkter, allt från bärbar elektronik till stora energilager för elnätet, och fortsätter att utvecklas snabbt. Utvecklingen av elfordon har inneburit ett intensifierat fokus på tekniska framsteg och nya generationer av teknologier. Strukturella batterier har fått stor uppmärksamhet för sin multifunktionalitet och sina lättviktegenskaper. Dessa batterier använder kolfibrer för att kombinera mekanisk styvhet och styrka med en batterifunktion i ett enda material, vilket minskar den totala vikten och ökar energitätheten. I likhet med traditionella LIB består strukturella batterier av negativa och positiva kolfiberelektroder i en strukturell batterielektrolyt (SBE). Även om omfattande forskning har bedrivits på kolfibrer som negativa elektroder, har det saknats lämpliga metoder för att utveckla positiva elektroder som är kompatibla med konceptet för strukturella batterier.
Den här avhandlingen utforskas beläggningsmetoder på polyakrylnitril (PAN)-baserade kolfibrer (CF) med positivt elektrodaktivt material, i detta fall litiumjärnfosfat (LFP). Spraybeläggning och sifonimpregnering (senare kallad "pulverimpregnering" i denna avhandling) utvecklades för att belägga kolfibrerna, som fungerar som lastbärare och strömtilledare i stället för en konventionell aluminiumfolie. Elektronmikroskopi och elektrokemiska tester utfördes för att utvärdera strukturens påverkan på livslängd och prestanda för dessa elektroder i halvcell.
Spraybeläggningsmetoden utgick från en typisk elektrodslura med ett organiskt lösningsmedel, där själva spraymetoden justerades så som höjden på sprutpistolen och plattans temperatur. Beläggningen med spraymetoden blev relativt tunn vilket resulterade i mycket små förluster vid högre cyklingsströmmar. I pulverimpregneringsmetoden användes en vattenbaserad slura med polyetylenglykol (PEG) som bindemedel. Metoden förbättrades för god fördelning av fibrerna i en homogen matris som beläggningen utgjorde i elektroden. Parametrarna, inklusive slurans viskositet, bindemedelseffekt, elektroddesign, celldesign, elektrodberedning och torkningstemperaturer, justerades för bästa prestanda och livslängd. Det visade sig att bindemedel är nödvändigt för att säkerställa robusta elektroder. Förhöjda torkningstemperaturer är avgörande för att eliminera fukt från den vattenbaserade processen och komponenterna. Dessutom undersöktes inverkan av tillsatser av ledande kol som kimrök och grafen i elektroden. En liten mängd av koltillsats (< 1 wt.%) förbättrade prestandan vid högre cyklingshastigheter.
Elektroderna som producerades via pulverimpregnering integrerades slutligen i dubbelsidiga helceller både i kommersiell flytande elektrolyt och med polymerelektrolyt SBE, med obelagda PAN-baserade kolfibrer som negativa elektroder. De LFP-belagda CF-elektroderna uppvisade god cyklingsbarhet i helcellerna, vilket tyder på lovande prestanda för strukturbatteriet. Begränsningarna låg huvudsakligen i effektförluster kopplade till den negativa elektroden och i ledningsförmågan i SBE:n. Sammantaget visar avhandlingen att inkapslingen av enskilda PAN-baserade kolfiberfilament med det två beläggningsmetoderna var framgångsrik och att användningen av kolfibrer som strömtilledare fungerade väl.