| dc.description.abstract | Battery technology is a central part of our future renewables-based energy system, to balance the intermittent production of electrical energy from for example solar cells or wind turbines. Furthermore, batteries have proven to be superior as energy storage technology for vehicles, especially passenger cars. In this market, lithium-ion batteries and electric motors are replacing fuel tanks and combustion engines. However, there is great potential for improvement when it comes to the cost, weight, and safety of batteries. All these factors are largely determined by the materials used in the batteries. Cost and weight are related to the solid substances used as electrode materials; today, these are lithium transition metal oxides as the cathode, and primarily graphite as the anode. The electrolytes used in today’s lithium-ion batteries are unfortunately relatively flammable, which in turn poses a safety risk in applications where batteries are used. This risk also leads to additional increases to the total weight of battery packs, as they must be equipped with flame-retardant plates, for example.
This work focuses on replacing today’s anode material, graphite, entirely or partially with silicon. Silicon can potentially store 10 times more lithium per mass compared to graphite, and can thus help to make lithium-ion batteries lighter without compromising on the amount of energy that can be stored. The silicon powder used in this work is so-called metallurgical silicon, which can be cheaper than graphite on a kilowatt-hour basis. Potentially, batteries with a proportion of silicon in the anode can therefore give a reduction of both weight and cost for the battery. Electrodes made of silicon are tested together with alternative electrolytes based on so-called ionic liquids. These are in principle salts that are liquid at room temperature. They have a low vapor pressure, and are stable (do not catch fire) even at relatively high temperatures. These electrolytes have the potential to significantly improve the safety of Li-ion batteries, in addition to saving weight in the battery pack itself related to flame retardation. The challenge is that most of these electrolytes have too low ionic conductivity, which can limit the charging speed of the batteries they are used in. This work has focused on four selected ionic liquids, and initially these were thoroughly studied together with anodes made of metallurgical silicon. Two of them turned out to have good properties as battery electrolytes, even better than traditional electrolytes, at low charging and discharging currents. Two different strategies were then examined to improve the performance of the batteries at higher, and more realistic charging and discharging currents. One simply involves increasing the temperature in the battery cells, and again it turned out that at 60 °C the performance was better for battery cells based on ionic liquids. However, a working temperature of 60 °C is demanding in terms of ensuring a reasonable lifespan for the battery. The other strategy that was examined was therefore to use mixtures of traditional electrolytes and ionic liquids at room temperature. Here, promising compositions were identified that both worked reasonably well as an electrolyte in a Li-ion battery, and at the same time were thermally stable at temperatures up to 100 °C.
Batteriteknologi er en sentral del av framtidens fornybare energisystem, ettersom produksjon av elektrisk energi fra solceller eller vindmøller er svart variabel. Videre har batterier vist seg å være suverene som energilagringsteknologi for kjøretøy, spesielt personbiler. I dette markedet er batterier basert på Litium-ion teknologi i ferd med å erstatte tradisjonelle forbrenningsmotorer. Likevel finnes det et stort forbedringspotensial når det kommer til batterienes kostnad, vekt og sikkerhet. Alle disse faktorene er i stor grad bestemt av materialene som benyttes i batteriene. Kostnad og vekt henger sammen med de faste stoffene som benyttes som
elektrodematerialer; per i dag er dette litium-innskuddsmetalloksider i katoden, og primært grafitt for anoden. Elektrolyttene som benyttes i dagens Litium-ion batteri er dessverre relativt lettantennelige, noe som igjen utgjør en sikkerhetsrisiko ved at bilbatterier kan ta fyr. I tillegg øker det totalvekten på batteripakker, ettersom
de må utstyres med flammehemmende plater, for eksempel. Dette arbeidet har fokus på å erstatte dagens anodematerial, grafitt, helt eller delvis med silisium. Silisium kan potensielt lagre 10 ganger mer litium per masse
sammenlignet med grafitt, og kan dermed bidra til å gjøre litium-ion batteriene lettere uten at det går på bekostning av kapasiteten. Silisiumpulveret som er benyttet er såkalt metallurgisk silisium, som også er noe rimeligere enn grafitt. Potensielt kan batterier med en andel silisium i anoden derfor gi en reduksjon av bade vekt og kostnad for batteriet. I arbeidet er elektroder laget av silisium testet sammen med alternative elektrolytter basert på såkalte ioniske væsker. Dette er i prinsipp salter som er flytende ved romtemperatur, de har et lavt damptrykk, og er stabile (tar ikke fyr), selv ved relativt høye temperaturer. Disse elektrolyttene vil dermed kunne forbedre sikkerheten til Li-ion batterier betraktelig, i tillegg til at man kan spare vekt i selve batteripakken knyttet til flammehemming. Utfordringen er at de fleste av disse elektrolyttene har en for lav ionisk ledningsevne, noe som kan begrense ladehastigheten til batteriene de brukes i. Arbeidet har fokusert på fire utvalgte ioniske væsker, og innledningsvis ble disse grundig studert sammen med anoder laget av metallurgisk silisium. To av dem viste seg å ha gode egenskaper som batterielektrolytter, til og med bedre enn tradisjonelle elektrolytter, ved sakte opp- og utlading. To ulike strategier ble deretter undersøkt for å forbedre batterienes ytelse ved høyere, og mer realistiske opp- og utladningsstrømmer. Den ene innebærer rett og slett å øke temperaturen i battericellene, og igjen viste det seg at ved 60 °C var ytelsen bedre for battericeller basert på ioniske væsker. En arbeidstemperatur på 60 °C er imidlertid krevende med tanke på å sikre en fornuftig levetid. Den andre strategien som ble undersøkt var blandinger av tradisjonelle elektrolytter og ioniske væsker. Her ble det identifisert lovende sammensetninger som både fungerte rimelig bra som elektrolytt i Li-ion batteri, og samtidig var termisk stabile ved temperaturer opp til 100 °C | en_US |
