Search

Lithium-ion batteries (LIBs) have a central role in products, from portable devices to large-scale energy storage for the electric grid and continue to undergo rapid development. The surge in electric vehicles has intensified the focus on technological advancements and new-generation technologies. Structural batteries have received considerable attention for their multifunctionality and lightweight properties. These batteries utilize carbon fibers to combine their mechanical strength with battery functionalities in a single structure, consequently reducing overall weight and increasing energy density. Similar to traditional LIBs, structural batteries comprise negative and positive electrodes, reinforced within a structural battery electrolyte (SBE). While extensive research has been conducted on carbon fibers as negative electrodes, there has been a relative scarcity in the development of positive electrodes that align with the structural battery concept. This thesis explores coating methodologies on polyacrylonitrile (PAN)-based carbon fibers (CF) with positive electrode active material, specifically focusing on the utilization of lithium iron phosphate (LFP). Electron microscopy and electrochemical tests were conducted to evaluate the relation between structure with long-term and rate performances of these electrodes in half-cells. Spray coating and siphon impregnation (later referred to as ‘powder impregnation’ in this thesis) techniques were employed to coat the carbon fibers, which serve as current collectors instead of conventional aluminum foil. The spray coating method utilized a standard electrode slurry based on an organic solvent, with efforts made to optimize parameters such as the height of the spray gun and plate temperature. The sprayed coating was quite thin, resulting in excellent rate capability. In the powder impregnation method, a water-based slurry was utilized with polyethylene glycol (PEG) as a binder. Efforts were mad, 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 beläggn, QC 20240325

Lithium-ion batteries (LIBs) have a central role in products, from portable devices to large-scale energy storage for the electric grid and continue to undergo rapid development. The surge in electric vehicles has intensified the focus on technological advancements and new-generation technologies. Structural batteries have received considerable attention for their multifunctionality and lightweight properties. These batteries utilize carbon fibers to combine their mechanical strength with battery functionalities in a single structure, consequently reducing overall weight and increasing energy density. Similar to traditional LIBs, structural batteries comprise negative and positive electrodes, reinforced within a structural battery electrolyte (SBE). While extensive research has been conducted on carbon fibers as negative electrodes, there has been a relative scarcity in the development of positive electrodes that align with the structural battery concept. This thesis explores coating methodologies on polyacrylonitrile (PAN)-based carbon fibers (CF) with positive electrode active material, specifically focusing on the utilization of lithium iron phosphate (LFP). Electron microscopy and electrochemical tests were conducted to evaluate the relation between structure with long-term and rate performances of these electrodes in half-cells. Spray coating and siphon impregnation (later referred to as ‘powder impregnation’ in this thesis) techniques were employed to coat the carbon fibers, which serve as current collectors instead of conventional aluminum foil. The spray coating method utilized a standard electrode slurry based on an organic solvent, with efforts made to optimize parameters such as the height of the spray gun and plate temperature. The sprayed coating was quite thin, resulting in excellent rate capability. In the powder impregnation method, a water-based slurry was utilized with polyethylene glycol (PEG) as a binder. Efforts were mad, 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 beläggn, QC 20240325

A full electrochemical investigation of the lithium intercalation processes in a commercially available PAN-based carbon fiber, Toho Tenax IMS65 (unsized and sized) primarily intended to be used in structural lithium-ion batteries, has been performed. In order to extract the electrochemical properties, a specially designed microelectrode system consisting of a single fiber working electrode, lithium-foil counter electrode and well-characterized battery materials were utilized. The properties, for 5 to 100% state-of-charge (SOC), were mainly determined from electrochemical impedance spectroscopy (EIS) measurements by fitting of a physics-based model, and electronic conductivity examination. The study shows excellent mass transport and kinetic properties, especially at high SOCs for this specific carbon fiber compared to other negative electrode materials. Some electrochemical parameters vary depending on sizing, but are too small to affect the actual electrochemical performance. A strong SOC dependence is shown for most electrochemical properties, including the electronic conductivity., QC 20131113

Structural batteries have the potential to become an integrated part of the device, functioning as both a structural element and as energy storage by combining electrochemical properties and mechanical properties in the same material. In addition, an increase of power and energy density on a system level could be achieved. The electrochemical properties of seven different commercially available PAN-based carbon fibers have been investigated as negative electrodes for structural lithium-ion batteries. All of the tested fibers showed some ability to intercalate lithium ions. The performance varied significantly between the different grades of fiber. Fibers with intermediate modulus showed the most promising results., QC 20150424