Strukturella kompositbatterier För bränsleeffektiva fordon Johanna Xu 1, Johan Hagberg 2, Niklas Ihrner 2, Wilhelm Johannisson 2, Simon Leijonmarck 2, Steffen Jeschke 3 Mats Johansson 2, Patrik Johansson 3, Göran Lindbergh 2 Andrejs Pupurs 1, Janis Varna 1, Dan Zenkert 2 1 LTU, Luleå, Sweden 2 KTH, Stockholm, Sweden 3 Chalmers, Göteborg, Sweden
Projektinformation Projektets namn: KOMBATT II Start och sluttid för projektet: Start: 2013-11-27-2017-11-26 Huvudstödsmottagare: KTH andra parter i projektet: LTU, Chalmers och Swerea SICOMP Stödsumma: 24 Mkr 2
Projektinformation Mekaniska egenskaper Elektrokemiska egenskaper Strukturella batterier Materialmodellering Polymerelektrolyt Elektrodmaterial 3
Bakgrund Behov av lättare, elektrifierade fordon Sänkt energiförbrukning! Viktbesparing: Ersätta metallstrukturer med fiberkompositmaterial. Ytterligare viktbesparing: Införa multifunktionella material. 4
Litiumjonbatteri PF 6 - e - PF 6 - PF 6 - e - PF 6 - PF 6 - e - PF 6 - PF 6 - Positiv elektrod Negativ elektrod 5
Forskningsmål strukturella batterier Framtagning av multifunktionell polymerelektrolyt. Beläggning/coating av individuella kolfibrer med polymerelektrolyten. Identifiera lämpliga elektrodmaterial. Utveckla effektiva tillverkningsmetoder. Utveckla analysverktyg för simulering av mekanisk och elektrokemisk prestanda. Demonstrera strukturella batterier. 6
Fast polymerelektrolyt Huvuduppgifter Transportera joner Bära mekanisk last Jämförelse Flytande elektrolyt σ = 10-2 S cm -1 Solida polymer elektrolyt (SPE) σ = 10-5 S cm -1 Problem Låg mobilitet av Li+ joner vid hög polymer styvhet 7
C (S cm -1 ) Fast polymerelektrolyt 1E-2 PEG PEG+mjukgörare 1E-3 Fasseparerat 1E-4 1E-5 1E-6 1E-7 1E-8 1E-9 1E-10 1 10 100 1000 5000 E' 20 C (MPa) Fasseparerat system σ = 1 10-3 - 3,4 10-5 S cm -1 E = 280 1200 MPa Konduktivitet, E-modul tillräckligt bra för att bygga strukturella batterier 8
Strukturella batterier Kombination av solid polymerelektrolyt och kolfiber skapar en strukturell elektrokemisk elektrod Kan ta upp last Kan lagra elektrisk energi Kan föra litium-joner mellan elektroderna Hur långt har vi kommit? 9
Strukturella batterier - Elektrokemisk provning Kapacitet Strömutbyte Kapacitet och strömutbyte för strukturell elektrokemisk elektrod 10
Strukturella batterier - Mekanisk provning Trepunktsböjprov: Styvhet Små elektrokemiska halvceller (10 mm x 5 mm x 0.15 mm) Microbond test: Vidhäftning Dragriktning Hinder Polymerelektrolytdroppe Kolfiber 11
Solid polymerelektrolyt beläggning Individuella kolfiber kan beläggas med en solid polymerelektrolyt för realisera ett 3D mikrobatteri Rå fiber Belagd fiber Kringgå låg jonledningsförmåga genom att minska avstånden mellan elektroderna ( 500 nm) Beläggning genom elektropolymerisation. Undersöka mekaniska egenskaper av beläggningen. Kombinera med positivt elektrodmaterial. 12
Positivt elektrodmaterial Ta fram material (ex LiFePO 4 ) för positiv elektrod kompatibelt med det strukturella batteriet Tre koncept Material i matris Ytterliggare beläggning Belagda fibrer Positivt elektrodmaterial Fiber Polymerelektrolyt Frågeställningar: Ledningsförmåga, adhesion, uppskalning, strömfördelning. LiFePO belagd kolfiber 4 13
Simulering av mekanisk och elektrokemisk prestanda Vad är de mekaniska spänningsfördelningarna i batteriet under laddning/urladdning? Elektrokemisk modell CF SPE PM Koncentrationsfördelningar Mekanikmodell Spänningsfördelningar 14
Hoop stress, [MPa] Radial stress, r [MPa] Hoop stress, [MPa] Radial stress, r [MPa] Simulering av mekanisk och elektrokemisk prestanda Tangentiell spänning t = t 1 Radiell spänning t = t 1 20 20 0 15-20 10-40 5-60 0-80 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 Normalized position -5 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 Normalized position Tangentiell spänning t = t 2-46 -47-48 -49-50 -51-52 -46.5-47 -47.5-48 -48.5 Radiell spänning t = t 2-53 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 Normalized position -49 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 Normalized position 15
Acknowledgements Energimyndigheten Samarbeten mellan KTH lättkonstruktion KTH tillämpad elektrokemi KTH Polymerteknik LTU polymera konstruktionsmaterial Swerea Sicomp Chalmers 16
Tack! Frågor? 17