1,720,978 research outputs found
Detection and analysis of liquid-solid phase transitions with fiber-optic sensors
Get PDFFiber-optic sensors offer unique benefits within the field of experimental thermodynamics due to their small size and inert all-fiber design. Interrogation of the reflected signal enables insertion probes able to monitor harsh conditions, with fast response and minimal impact on the system. This thesis presents the development process – from understanding the fabrication and the associated challenges, through a proof-of-concept realization, to the application of fiberoptic sensors to study phase transitions.
The multi-mode fiber interferometers used are a simple and robust class of fiber-optic sensors, which can be designed to be sensitive to temperature, strain and refractive index (RI). The interference spectrum depends solely on the propagation constants and the geometry of the sensor, which is fabricated by splicing a section of coreless or thin-core fiber to the distal end of an optical fiber. Despite the simple fabrication, it is challenging to achieve a reproducible optical response. The thesis addresses this by investigating how inaccuracies in the geometry affect the ensemble of modes that is excited, and how this affects the produced spectrum. Guided-mode propagation simulations show that deviations in the cleave angle of the fiber end-face are more significant than inaccuracies in the spliced region. In the experimental results, however, large variations are observed independent of the cleave angle. It is concluded that the spliced region, which is more difficult to measure, plays a significant role in the produced spectrum.
The thesis proceeds to demonstrate how multi-mode fiber interferometers can be used in conjunction with a fiber-Bragg grating (FBG) to analyze phase transitions in binary mixtures of ethanol and water. The temperature and strain sensitivity of the FBG is used to decouple these parameters from the multi-mode interferometer (MMI) response. The remaining RI sensitivity of the MMI is used to measure the increased ethanol concentration caused by pure ice forming in the mixture. The measured melting points show excellent agreement with tabulated values.
The sensor system developed is then used to study ice formation in supercooled water-alcohol mixtures. The results are compared to theoretical predictions from heterogeneous nucleation theory. The effect on the nucleation barrier from solute type and concentration is studied, as well as the reduction in this barrier as a function of container material and pre-experiment rinsing procedures. Because of the dependency of the nucleation rate on the self-diffusivity of water, ice growth rates are measured in different ethanol concentrations to estimate the diffusivity at the liquid-solid interface
Measuring the Cooling Capability of Lithium-Ion Batteries
No full textDenne oppgaven har som formål å evaluere kjøleevnen til litium-ionbatterier. Temperatur har vist seg å ha en betydelig innvirkning på levetiden til batteriene. Et hensiktmessig kjølesystem og en optimalisert utforming av det termiske styringssystemet er avgjørende for å sikre en trygg driftstemperatur under sykluser. Dette forhindrer overoppheting og reduserer risikoen for brann og eksplosjon.
Oppgaven undersøker kjøleevnen til litium-ionbatterier ved å evaluere den termiske ledningsevnen til elektrodene, måle Cell Cooling Coefficient (CCC), og analysere Skanningelektronmikroskop (SEM) bilder. Videre gir målinger av termisk ledningsevne detaljert informasjon om varmetransporten i batteriet. Det ble observert betydelige variasjoner i den termiske ledningsevnen for tørre og våte elektroder under ulike komprimeringstrykk. Resultater fra CCC-metoden indikerer at økning av frekvensområdet 0.25Hz til 1Hz ikke påvirker CCC_Surface, som forblir omtrent 0.8W/K i begge tilfeller. SEM-bilder bekrefter at batteriet fungerte normalt under CCC-målingene og gir innsikt i de termiske egenskapene og elektrokjemiske reaksjonene som oppstår i batteriet.
Utfallet av denne oppgaven bidrar til økt forståelse av de termiske egenskapene og kravene til termisk styring av litium-ionbatterier. Dette gir et godt grunnlag for videre forskning og undersøkelser av kjølesystemer som kan imøtekomme den økende etterspørselen etter litium-ionbatterier.This thesis aims to measure the cooling capability of Lithium-ion batteries (LiBs). The temperature has been shown to have a significant impact on the longevity of the batteries. A proper cooling system and an optimized design of the thermal management system (TMS) are essential to ensure that the operating temperature is within a safe range during cycling. This prevents overheating and reduces the risk of fire and explosion.
The study investigates the cooling potential of LiBs by examining different cooling setups at various frequencies and their impact on heat dissipation. This is explored by evaluating the thermal conductivity of the electrodes, analyzing Scanning Electron Microscope (SEM) images, and measuring the Cell Cooling Coefficient (CCC). Results from the CCC method indicate that an increase in the frequency range from 0.25Hz to 1Hz does not affect the CCC_Surface and remains approximately 0.8W/K for both cases. Furthermore, thermal conductivity measurements gave detailed information on heat transport in the battery. Noticeable variations were observed in the thermal conductivity for dry and wet electrodes under different compaction pressure. SEM images confirm that the battery functioned normally during the CCC measurements and gives an understanding of the thermal properties and electrochemical reactions that occurs in the battery.
The findings of this thesis contribute to the understanding of the thermal properties and thermal management requirements of LiBs. This is a foundation for further research and investigation in cooling systems, which are required to meet the increasing demand for LiBs
Thermal Properties of Semi-solid State Lithium-ion Batteries
No full textFormålet med denne bacheloroppgaven er å undersøke termisk ledningsevne, spesifikk varmekapasitet og varmegenerering i semi-solid state litium-ion batterier (LIB), og sammenligne disse med de termiske egenskapene til konvensjonelle LIB.
Semi-solid state LIB-teknologi er en ny og lovende teknologi ment å forbedre industristandarden. Mens den konvensjonelle LIB-teknologien inneholder faste elektroder og flytende elektrolytt, er elektrodene og elektrolytten til semi-solid state LIB samsuspendert. Dette skaper en leirelignende struktur. På denne måten elimineres flere komponenter og produksjonstrinn, noe som gjør teknologien billigere og enklere å produsere, samt at produksjonen har lavere energiforbruk. Semi-solid state elektrodene kan også produseres tykkere enn konvensjonelle elektroder, noe som gir en økning i relativ prosentandel av aktivt materiale til inaktivt materiale. Dette fører til en økning i energitetthet. På grunn av den leirelignende strukturen, kan batteriene formes i forskjellige former, noe som gjør dem aktuelle for bærbar teknologi i tillegg til å være mer robust mot mekanisk påkjenning.
Teoridelen av denne oppgaven beskriver det grunnleggende ved litiumionbatterier, fra selve batterienes sammensetning til deres aldringsmekanismer. Denne delen av oppgaven presenterer også det grunnleggende om varmeoverføring, samt noen generelle terminologier.
For å måle den termiske ledningsevnen ble det brukt et tidligere konstruert oppsett laget for å måle varmeledningsevnen i elektrodemateriale. For spesifikk varmekapasitet ble det brukt et isolert vannbad av isopor med gitt temperatur, som de oppvarmede posecellene ble plassert i og temperaturutviklingen i systemet ble målt. Den interne motstanden ble funnet ved å kjøre HPPC-tester for forskjellige ladningstilstander, og den spesifikke varmegenereringen ble deretter beregnet fra den indre motstanden.
Fra resultatene måler semi-solid batteriene høyere for både termisk ledningsevne og spesifikk varmekapasitet. For HPPC-testingen, på grunn av en ødelagt current collector, ødelagte tabs eller en mistenkt intern kortslutning, var det bare to av de konvensjonelle cellene og dessverre ingen av semi-solid-cellene som var i stand til å gi resultater. Men på grunn av den økte elektrodetykkelsen og derfor diffusjonsavstanden i elektrodene til semi-solid-cellene, forventes den indre resistansen og dermed varmeutviklingen å være større enn for de konvensjonelle cellene.The purpose of this project is to investigate the thermal conductivity, specific heat capacity and heat generation of semi-solid state lithium-ion batteries (LIB), and compare these to the thermal properties of conventional LIBs.
Semi-solid state LIB technology is a new and promising technology meant to improve on the industry standard. While the conventional LIB technology contains solid electrodes and liquid electrolyte, the electrodes and electrolyte of the semi-solid state LIBs are co-suspended, creating a clay-like structure. This way, several components and production steps are eliminated, making the technology cheaper and easier to manufacture, and lowering the energy consumption during production. The semi-solid state electrodes can also be produced thicker than conventional electrodes, causing an increase in relative percentage of active material to inactive material. This leads to an increase in energy density. Due to the clay-like structure, the batteries can be formed into different shapes, making them viable for wearable technology as well as being able to sustain more mechanical stress.
The theory section of this thesis describes the fundamentals of lithium-ion batteries, e.g. the composition of the batteries themselves and ageing mechanisms. This part of the thesis also presents the fundamentals of heat transfer, as well as some general battery terminologies.
To measure the thermal conductivity, a previously constructed setup made to measure thermal conductivity in electrode material is used. To measure specific heat capacity, thermocouples taped to an insulated water bath of Styrofoam with a given temperature is used. Here, the heated pouch cells are placed and the temperature development in the system is measured. After conducting formation cycles, the internal resistance is found by conducting Hybrid Pulse Power Characterization (HPPC) tests at different states of charge (SOC). The specific heat generation is then calculated from the internal resistance.
From the results gathered, the semi-solid state LIBs exhibits both a higher thermal conductivity and higher specific heat capacity. For the HPPC-testing, due to a broken current collector, broken tabs, or a suspected internal short circuit, only two of the conventional cells and unfortunately none of the semi-solid state cells were able to produce results. However, due to the increased thickness and therefore diffusion distance in the electrodes of the semi-solid state cells, the internal resistance and specific heat generation is expected to be greater than for the conventional cells
Thermal Properties of Semi-solid State Lithium-ion Batteries
No full textFormålet med denne bacheloroppgaven er å undersøke termisk ledningsevne, spesifikk varmekapasitet og varmegenerering i semi-solid state litium-ion batterier (LIB), og sammenligne disse med de termiske egenskapene til konvensjonelle LIB.
Semi-solid state LIB-teknologi er en ny og lovende teknologi ment å forbedre industristandarden. Mens den konvensjonelle LIB-teknologien inneholder faste elektroder og flytende elektrolytt, er elektrodene og elektrolytten til semi-solid state LIB samsuspendert. Dette skaper en leirelignende struktur. På denne måten elimineres flere komponenter og produksjonstrinn, noe som gjør teknologien billigere og enklere å produsere, samt at produksjonen har lavere energiforbruk. Semi-solid state elektrodene kan også produseres tykkere enn konvensjonelle elektroder, noe som gir en økning i relativ prosentandel av aktivt materiale til inaktivt materiale. Dette fører til en økning i energitetthet. På grunn av den leirelignende strukturen, kan batteriene formes i forskjellige former, noe som gjør dem aktuelle for bærbar teknologi i tillegg til å være mer robust mot mekanisk påkjenning.
Teoridelen av denne oppgaven beskriver det grunnleggende ved litiumionbatterier, fra selve batterienes sammensetning til deres aldringsmekanismer. Denne delen av oppgaven presenterer også det grunnleggende om varmeoverføring, samt noen generelle terminologier.
For å måle den termiske ledningsevnen ble det brukt et tidligere konstruert oppsett laget for å måle varmeledningsevnen i elektrodemateriale. For spesifikk varmekapasitet ble det brukt et isolert vannbad av isopor med gitt temperatur, som de oppvarmede posecellene ble plassert i og temperaturutviklingen i systemet ble målt. Den interne motstanden ble funnet ved å kjøre HPPC-tester for forskjellige ladningstilstander, og den spesifikke varmegenereringen ble deretter beregnet fra den indre motstanden.
Fra resultatene måler semi-solid batteriene høyere for både termisk ledningsevne og spesifikk varmekapasitet. For HPPC-testingen, på grunn av en ødelagt current collector, ødelagte tabs eller en mistenkt intern kortslutning, var det bare to av de konvensjonelle cellene og dessverre ingen av semi-solid-cellene som var i stand til å gi resultater. Men på grunn av den økte elektrodetykkelsen og derfor diffusjonsavstanden i elektrodene til semi-solid-cellene, forventes den indre resistansen og dermed varmeutviklingen å være større enn for de konvensjonelle cellene
In-situ measurements of lithium-ion concentrations in a lithium-ion battery using fiber-optical sensors
Get PDFI denne oppgaven er en single-mode optisk fiber implementert i et litium-ion batteri (LiB) for å måle endringen i konsentrasjonen i batteriet. Ettersom behovet for energilagring øker, på grunn av vekst i fornybar energiproduksjon, rettes fokus mot forskning og produksjon av LiB som en utprøvd og lovende teknologi. Et av de største problemene med LiB er imidlertid levetiden til batteriene, noe som fører til et behov for bedre kunnskap om kapasitetsendringene og konsentrasjonsendringene av litium i batteriene. Foreløpig har litiumkonsentrasjonen blitt målt post-mortem, men få studier er gjort in-situ. Derfor er målet med denne studien å måle endringen i konsentrasjon mens batteriet kjører gjennom sykluser. Dette vil bli gjort basert på endringene i brytningsindeksmåling av en optisk fiber. Sensoren er temperatur- og konsentrasjonskalibrert. Deretter går batteriene gjennom CCCV-sykluser på C/20, C/10, C/2, 1C, 2C og 3C. Resultatene viser at målingene av reflektert intensitet og konsentrasjon kan variere avhengig av flere variabler, men at det under syklusene ble dannet et SoC-avhengig mønster. Dette er viktig fordi det viser at sensoren fungerer og kan brukes til å få en bedre forståelse av endringen i konsentrasjon og kapasitet.In this thesis, a single-mode optical fiber has been implemented into a lithium-ion battery (LiB) to measure the change in concentration in the battery. As the need of energy storage is increasing, due to growth in renewable energy production, a focus is directed toward the research and production of LiB as a proven and promising technology. However, one of the biggest problems of LiB is the lifespan of the batteries, leading to a need for a better knowledge of the capacity changes and the concentration changes of lithium in the batteries. As of now, lithium concentration has been measured post-mortem, however, few studies have been done in-situ. Therefore, the aim of this study is to measure the change in concentration while the battery is cycling. This will be done based on the changes in the refractive index measured by an optical fiber. The sensor is temperature and concentration calibrated. Then the batteries are cycled through CCCV cycles of C/20, C/10, C/2, 1C, 2C and 3C. The results show the measurements of reflected intensity and concentration could vary depending on several variables but that during cycling a SoC-dependent pattern was formed. This is important because it shows that the sensor is working and can be used to get a better understanding of the change in concentration and capacity
Internal Temperature measurements in Li-ion Pouch Cell using FBG
No full textI denne masteroppgaven har det blitt forsøkt å implementert FBG-sensorer i forhåndsproduserte lithium-ion batterier for intern temperaturmåling. Det ble brukt glasskapillærer for å isolere sensorene slik at de kun regaerte på temperatur endringer. For å beskytte kapillærene ved inngangspunktet til cellen, ble det brukt en polypropylenbrakett. Effekten som sensorimplementeringen hadde på celleytelsen ble evaluert ved å undersøke endringer i kapasitet og intern motstand. Videre ble det foretatt temperaturmålinger under sykling av cellen for å evaluere ytelsen til sensorene. Det ble funnet at braketten beskyttet kapillærene ved inngangspunktet til cellen som designet. Men på grunn av forvrengning av celleposen under vakuumforsegling hadde kapillærene imidlertid en tendens til å knekke inne i cellen. Det ble forsøkt å korrigere dette ved å redusere vakuumet i forseglingsprosessen, men dette førte til utilstrekkelig forsegling og inntrenging av fuktighet i cellen. Informasjon om celleelektrolytten var ikke tilgjengelig, noe som resulterte i en mindre optimal sammensetning av det etterfylte elektrolyttløsningsmidlet. Dette gjorde det vanskelig å avgjøre om 10\% reduksjonen i kapasitet og økning på 7 til 17\% av intern motstand skyldtes endring i elektrolyttsammensetning eller tilstedeværelsen av sensorer inne i cellen. Temperaturmålingen viste forventede verdier med en maksimal forskjell på 2.75 \degreee C mellom interne og eksterne senorer, noe som indikerte at kapillærene tilstrekelig isolterte sensorene fra andre bidrag en temperatur. Videre underbygger de observerte temperaturgradientene verdien av interne målinger i lithium-ion batterier
Internal Temperature measurements in Li-ion Pouch Cell using FBG
No full textI denne masteroppgaven har det blitt forsøkt å implementert FBG-sensorer i forhåndsproduserte lithium-ion batterier for intern temperaturmåling. Det ble brukt glasskapillærer for å isolere sensorene slik at de kun regaerte på temperatur endringer. For å beskytte kapillærene ved inngangspunktet til cellen, ble det brukt en polypropylenbrakett. Effekten som sensorimplementeringen hadde på celleytelsen ble evaluert ved å undersøke endringer i kapasitet og intern motstand. Videre ble det foretatt temperaturmålinger under sykling av cellen for å evaluere ytelsen til sensorene. Det ble funnet at braketten beskyttet kapillærene ved inngangspunktet til cellen som designet. Men på grunn av forvrengning av celleposen under vakuumforsegling hadde kapillærene imidlertid en tendens til å knekke inne i cellen. Det ble forsøkt å korrigere dette ved å redusere vakuumet i forseglingsprosessen, men dette førte til utilstrekkelig forsegling og inntrenging av fuktighet i cellen. Informasjon om celleelektrolytten var ikke tilgjengelig, noe som resulterte i en mindre optimal sammensetning av det etterfylte elektrolyttløsningsmidlet. Dette gjorde det vanskelig å avgjøre om 10\% reduksjonen i kapasitet og økning på 7 til 17\% av intern motstand skyldtes endring i elektrolyttsammensetning eller tilstedeværelsen av sensorer inne i cellen. Temperaturmålingen viste forventede verdier med en maksimal forskjell på 2.75 \degreee C mellom interne og eksterne senorer, noe som indikerte at kapillærene tilstrekelig isolterte sensorene fra andre bidrag en temperatur. Videre underbygger de observerte temperaturgradientene verdien av interne målinger i lithium-ion batterier.In this thesis FBG sensors have been implemented into pre-fabricated LIBs for the purpose of measuring the internal temperature. Glass capillaries was used to isolate the sensors from strain contributions. To protect the capillaries at the entry point, a polypropylene bracket was used. The impact on the cell performance due to the sensor implementation was evaluated by examining change in capacity and internal resistance. Furthermore, temperature measurements was made during cycling of the cell to evaluate the performance of the sensors. It was found that the bracket protected the capillaries at the entry point of the cell as designed. However, due to the distortion of the cell pouch during vacuum sealing the capillaries had a tendency to break inside the cell. It was attempted to correct this by reducing the vacuum in the sealing process, but this lead to an insufficient seal and cell moisture ingress was present. Information about the cell electrolyte was also not available, which resulted in an unfavorable composition of the refilled electrolyte solvent. This made it difficult to determine whether the reduction in capacity of 10\% and increase of internal resistance of 17\% and 7\% at 20\% SOC and 40\% SOC respectively was due to the change in electrolyte composition or the presence of sensors inside the cell. The temperature measurement showed expected values of 2.75\degree C difference between internal and external sensors at 2 C discharge, indicating that the capillaries successfully eliminated any strain contributions. Furthermore, the observed temperature gradients demonstrate the value of internal measurements in LIBs
Micro-Photoluminescence Spectroscopy of Au-assisted MBE Grown AlGaAs Nanowires with Axial GaAs Inserts
No full textAlGaAs nanowires (NWs) with axial GaAs inserts, grown with molecular beam epitaxy will be investigated with micro-photoluminescence spectroscopy, including CW and pulsed excitation at cryogenic and ambient temperatures
Micro-Photoluminescence Spectroscopy of Au-assisted MBE Grown AlGaAs Nanowires with Axial GaAs Inserts
Get PDFAlGaAs nanowires (NWs) with axial GaAs inserts, grown with molecular beam epitaxy will be investigated with micro-photoluminescence spectroscopy, including CW and pulsed excitation at cryogenic and ambient temperatures
Detection and analysis of liquid-solid phase transitions with fiber-optic sensors
No full textFiber-optic sensors offer unique benefits within the field of experimental thermodynamics due to their small size and inert all-fiber design. Interrogation of the reflected signal enables insertion probes able to monitor harsh conditions, with fast response and minimal impact on the system. This thesis presents the development process – from understanding the fabrication and the associated challenges, through a proof-of-concept realization, to the application of fiberoptic sensors to study phase transitions.
The multi-mode fiber interferometers used are a simple and robust class of fiber-optic sensors, which can be designed to be sensitive to temperature, strain and refractive index (RI). The interference spectrum depends solely on the propagation constants and the geometry of the sensor, which is fabricated by splicing a section of coreless or thin-core fiber to the distal end of an optical fiber. Despite the simple fabrication, it is challenging to achieve a reproducible optical response. The thesis addresses this by investigating how inaccuracies in the geometry affect the ensemble of modes that is excited, and how this affects the produced spectrum. Guided-mode propagation simulations show that deviations in the cleave angle of the fiber end-face are more significant than inaccuracies in the spliced region. In the experimental results, however, large variations are observed independent of the cleave angle. It is concluded that the spliced region, which is more difficult to measure, plays a significant role in the produced spectrum.
The thesis proceeds to demonstrate how multi-mode fiber interferometers can be used in conjunction with a fiber-Bragg grating (FBG) to analyze phase transitions in binary mixtures of ethanol and water. The temperature and strain sensitivity of the FBG is used to decouple these parameters from the multi-mode interferometer (MMI) response. The remaining RI sensitivity of the MMI is used to measure the increased ethanol concentration caused by pure ice forming in the mixture. The measured melting points show excellent agreement with tabulated values.
The sensor system developed is then used to study ice formation in supercooled water-alcohol mixtures. The results are compared to theoretical predictions from heterogeneous nucleation theory. The effect on the nucleation barrier from solute type and concentration is studied, as well as the reduction in this barrier as a function of container material and pre-experiment rinsing procedures. Because of the dependency of the nucleation rate on the self-diffusivity of water, ice growth rates are measured in different ethanol concentrations to estimate the diffusivity at the liquid-solid interface
- …
