Susanne Wilkens forskning banar väg för säkrare fordonsbatterier

torsdag, december 11, 2014

Övergången från enbart konsumentinriktade litiumjonbatterier till även storskaliga tillämpningar, exempelvis i fordon, är på god väg. Problemen med säkerhet, livslängd och kapacitet växer dock i takt med batteriernas storlek. I sin doktorsavhandling betonar Susanne Wilken behovet av en djupare förståelse av dagens litiumjonbatterier.

Susanne WilkenVanliga elektrolyter i litiumjonbatterier, som de för bärbar elektronik, är både kemiskt och termiskt instabila, något som kan ge upphov till en rad olika fel. Felen kan möjligen tolereras i små, konsumentinriktade batterier, men blir oacceptabla när batterierna skalas upp för användning i stora applikationer som fordon. Det övergripande syftet med Susanne Wilkens forskning har varit att förstå mer om varför felen uppstår i elektrolyter och hitta sätt att mildra och/eller förebygga dessa.

Vatten eller värme vanligaste orsakerna till fel
Litiumjonbatteriernas säkerhet är relaterad till elektrolyten och dess samspel med andra batterikomponenter. De flesta fel uppstår på grund av orenheter, till exempel förekomst av vatten, eller på grund av termiska förhållanden.

– Det finns två huvudsakliga alternativ för att angripa dessa frågor, säger Susanne Wilken. Antingen håller vi oss till de standardelektrolyter som används i den konsumentinriktade distributionskedjan och hittar bra additiv för att hantera vatten- eller värmeproblem för större batterier, eller så förändrar vi batterikemin fullständigt. I min forskning har jag valt att utgå från det första alternativet.

Överraskande testresultat för vanligt flamskyddsmedel
Susanne Wilken har inriktat sig på flamskyddsmedel, särskilt fosfatbaserade föreningar och jonvätskor. Ett antal nya metoder och experimentella tekniker har använts i sökandet efter ytterligare förståelse av felmekanismerna.

En del av forskningen gjordes i samarbete med andra doktorander från KTH och Uppsala universitet, alla medlemmar i Svenskt hybridfordonscentrum (SHC). Forskarna undersökte bland annat trifenylfosfat (TPP) som flamskyddsmedel i högeffekttillämpningar.

– Vi byggde ett batteri med grafit- och litiumjärnfosfatelektroder och med olika koncentrationer av TPP i den karbonatbaserade elektrolyten, förklarar Susanne Wilken. Till vår förvåning fann vi att detta additiv inte alls är lämpligt för högeffekttillämpningar, fastän det är mycket vanligt förekommande i exempelvis rymdindustrin.

Flamskyddsmedlet medverkade i filmbildning på elektroderna och ökade viskositeten hos elektrolyten, vilket leder till försämrad prestanda. Susanne Wilken konstaterar att sökandet efter användbara additiv fortsätter:

– Vi måste hitta ett additiv som antingen orsakar mindre nedbrytning eller har bättre flamhämmande egenskaper.

Värdefullt samarbete ger fullständig bild
Att samarbeta med andra doktorander har gett arbetet ytterligare styrka, säger Susanne Wilken:

– Samarbetet gjorde det möjligt för oss att ge en fullständig bild av förloppet. När vi presenterade forskningsrapporter kunde vi berätta inte bara vad som händer, utan också varför det händer.

Forskningen har finansierats av SHC och Susanne Wilken har varit aktiv i centrumets verksamhet.

– Minglandet och nätverkandet inom SHC har varit mycket värdefullt för min forskning, säger Susanne Wilken. Jag har haft unika möjligheter att få veta vad andra gör och att förstå hela kedjan från batteri till fordonstillämpning.

När nu uppdraget på Chalmers går mot sitt slut, planerar Susanne Wilken att arbeta med industriell forskning.

Mer information
Susanne Wilken försvarar sin avhandling ”Failure Mechanisms of Lithium-ion Battery Electrolytes: Detection and Mitigation” den 12 december, 10.00,  i hörsal PJ, 4: e våningen, Origo, Chalmers, Göteborg

Läs avhandlingen >>

Deltagare i projektet
Prof. Patrik Johansson (projektledare), Susanne Wilken (doktorand), Dr Johan Scheers (bitr. handledare), Institutionen för teknisk fysik, Chalmers

Projektet ”Battery properties: designed, controlled and safer lithium ion cells – Electrolyte additives” har varit en del av Svenskt hybridfordonscentrums forskning.

Text och foto: Emilia Lundgren