Batteriteknologi (ENE220)

Emnet vil fokusere på det grunnleggende knyttet til bruk og design av ulike batteriteknologier. Det vil bli gitt en oversikt over spesifikke oppladbare batterier så som Li-ion, NiMH, NaS, metal-luft etc. og deres fordeler og ulemper knyttet til bruk og sikkerhet. Fokus vil være på kjemi og materialer for litium-ion-batterier. Målinger og testing av batteriegenskaper er en sentral del av emnet. Studentene vil lære hvordan man kan øke batteriytelsen og batteriutvikling med et bærekraftig perspektiv.


Dette er emnebeskrivelsen for studieåret 2023-2024

Fakta

Emnekode

ENE220

Versjon

1

Vekting (stp)

10

Semester undervisningsstart

Vår, Høst

Antall semestre

1

Vurderingssemester

Vår, Høst

Undervisningsspråk

Norsk

Tilbys av

Innhold

  1. Batterityper og historikk
    1. Introduksjon til batteriteknologi kurs
    2. Li-ion batterier i dybden
    3. Batteriets verdikjede
  2. Generell termodynamikk/kinetikk av batterier
    1. Gjennomgang av termodynamikk og kinetikk; grunnleggende elektrokjemiske reaksjoner
    2. Prinsipper for elektrokjemi: termodynamikk
    3. Prinsipper for elektrokjemi: diffusjon og kinetikk
    4. Relevans for batterier
    5. Fra prinsipper til egenskaper og tilbake igjen
  3. Li-ion prinsipp og termodynamikk/kinetikk
    1. Li-ion prinsipper
    2. Li-ion anoder
    3. Li-ion katoder
    4. Li-ion elektrolytter og separatorer
    5. Å lage Li-ion-celler
  4. Komponenter og prosesser - nanometer til kilometer
    1. Atomskala, laboratorieskala, prototype, pilot- og fabrikkskala
    2. Batterier som produkter
    3. Økonomien til batterier - opprinnelse til kostnad, capex vs opex
  5. ---Tentamen---
  6. Karakterisering - strukturell
    1. Materialer: SEM/EDS/TEM, XRD/XPS, FTIR/Raman, NMR, synkrotron/TXM
    2. Bearbeiding og kvalitet: X-SEM, peel test, reologisk/OEMS/neglepenetrering/kalorimetri
    3. Beregnings- og simuleringsforskning
  7. Karakterisering - elektrokjemisk
    1. CV/GC/rate evne, GITT, 3-elektrode testing, ladetilstand, helsetilstand
    2. Elektrokjemisk ytelseskvalifisering
    3. EIS + kronglete
    4. In situ og operando; dilatometri. Analytics, AI, maskinlæring, big data
  8. Andre liv bruk og resirkulering
    1. Second life-prinsipper, livssyklusvurdering
    2. Resirkulering 1.0: shredding, hydrometallurgi, pyrometallurgi
    3. Resirkulering 2.0 og utover: fremtidsutsikter, planlegging, lokalisering, Gavin Harper
    4. 2. livsevalueringsmetoder
  9. Bærekraftige materialer/kritiske råvarer/fremtidige trender (som ikke er materialrelaterte)
    1. Kritiske råvarer; redusere/substitusjon, gjenbruk/2nd life, resirkulere/resirkulere
    2. Bærekraftig substitusjon, grønn{er) kjemi
    3. Sensorer og selvhelbredelse
    4. Batteripolicy: batteripass, global forsyning og innkjøp, blokkjedesporing, nasjonal strategi for Norge, utslippssporing
    5. Gjennomgang av batterityper med grunnleggende kunnskap etablert
    6. Avansert, praktisk design
  10. Etikk
    1. Introduksjon til etikk; batterikatastrofer
    2. Europeiske koder/NENT, industristandarder
    3. Datamanipulering/forfalskning
    4. Interessekonflikter
    5. Miljøvern
    6. Varsling/viderelæring
  11. Prosjektpresentasjoner
    1. Prosjekter/presentasjoner
    2. Karrieredag: batteriingeniørpanel innen forskning og industri, besøk til Beyonders produksjonslinje
    3. Avsluttende eksamen

Læringsutbytte

Etter å ha tatt dette emnet skal man:
  • Ha en oversikt over batterityper- og historie: potensielle batteriteknologier og grunnleggende kunnskap om batterimaterialer- og strukturer
  • Forstå termodynamikk og kinetikk i elektrokjemiske reaksjoner så som ladningsoverføring på elektrodegrenssnittene, cellemotstand, ionediffusjon- og migrasjon, elektrondiffusjon inn i elektroden, konsentrasjonsgradienter i elektrolytten
  • Kunne beskrive komponenter og prosesser I batterier; separatorer, binder, elektrolytt, additive, ioneinnsetting- og uttak, dannelse av faststoff i elektrolyttgrensesnittet, degradering av batteriet (sykluser, overlading, kalenderliv)
  • Kjenne til prinsippene I et litium-ion-batteri; materialer brukt I anoder og katoder, elektrolytter og andre komponenter, forberedelse et en enkel battericelle og sammensetning av flere celler
  • Vite hvordan man måle og teste batteriegenskaper så som lade/utlade-sykluser, overpotensial, batterikapasitet, ladetilstand, helsetilstand, impedans
  • Bærekraftig battericelleproduksjon; gjenvinning av metaller og kjemikaler, levetid

Forkunnskapskrav

En forståelse av grunnleggende kjemi, spesielt av reduksjon-oksidasjonsreaksjoner og av kjemiske strukturer av materialer.

Anbefalte forkunnskaper

Bakgrunn i Python, Matlab eller andre store datahåndteringsmetoder er ikke nødvendig, men kan være fordelaktig. En sterk forståelse av elektrokjemi anbefales, selv om det grunnleggende vil bli dekket kort. Termodynamikk vil også være nyttig, men ikke nødvendig.

Eksamen / vurdering

Vurderingsform Vekting Varighet Karakter Hjelpemiddel
Skriftlig eksamen 1/1 4 Timer Bokstavkarakterer

Dette emnet har en løpende vurderingsform, som består av to eksamener og en muntlig prosjektpresentasjon. All vurderingsdeler vektes likt i den endelige karakteren (hver del utgjør 33% av totalkarakteren).Den første eksamenen er en skriftlig midtveiseksamen, og den andre er en avsluttende skriftlig eksamen i slutten av semesteret. Begge eksamener finner sted på campus, og har en varighet på to timer.Prosjektpresentasjonen gjennomføres i grupper på tre til fire studenter.Alle vurderingsdeler må være bestått for å bestå emnet som helhet.Det tilbys kontinuasjonseksamen for studenter som ikke består- eller har gyldig fravær på en- eller begge eksamenene, men ikke for prosjektpresentasjonen.

Vilkår for å gå opp til eksamen/vurdering

Kurset kan inneholde gjesteforelesere fra andre universiteter og forskningsinstitutter. Minst én forelesning er ment å holdes utenfor campus for å besøke et sted eller sted av relevant interesse for emnet. Gruppeprosjekter og presentasjoner vil ha en viss valgfrihet i tema, men må godkjennes av kursholder eller tildeles et tema.

Fagperson(er)

Emneansvarlig:

Jelena Popovic-Neuber

Instituttleder:

Øystein Arild

Arbeidsformer

Kursene vil omfatte:
  • Forelesninger
  • Gruppediskusjoner i klassen
  • Enkle regneøvelser
  • Gruppearbeid og presentasjoner
  • Gruppeveiledning
  • To skriftlige eksamener (mellomveis og avsluttende)

Emneevaluering

Det skal være en tidligdialog mellom emneansvarlig, studenttillitsvalgt og studentene. Formålet er tilbakemelding fra studentene for endringer og justering i emnet inneværende semester.

I tillegg skal det gjennomføres en digital emneevaluering minimum hvert tredje år. Den har som formål å innhente studentenes erfaringer med emnet.

Litteratur

Søk etter pensumlitteratur i Leganto