Tieteellinen Tutkimus Yritysten Kilpailykyvyn Edistäjänä Ei Pöivääkään Teollisuudessa Puhuja Karppinen

7/21/2019 Tieteellinen Tutkimus Yritysten Kilpailykyvyn Edistäjänä Ei Pöivääkään Teollisuudessa Puhuja Karppinen

http://slidepdf.com/reader/full/tieteellinen-tutkimus-yritysten-kilpailykyvyn-edistaejaenae-ei-poeivaeaekaeaen 1/23

Maarit KARPPINEN

Epäorgaaninen kemiaKemian laitosKemian tekniikan korkeakoulu

Aalto-yliopisto

Tieteellinen tutkimus

yritysten kilpailukyvyn edistäjänä



Aalto-CHEM: TUTKIMUKSEN FOKUSALUEET

•Luonnonvarojen kestävä jalostus ja käyttö

•Uudet materiaalit

•Uudet energiateknologiat

Kemian tekniikan korkeakoulu: Biotekniikan ja kemian tekniikan laitos(Aalto-CHEM) Kemian laitos

Materiaalitekniikan laitosPuunjalostustekniikan laitos



Korkeakoulun profiili•Korkeakoulun edustamat alat muodostavat yhtenäisen kokonaisuuden, jossa eri alat täydentävättoisiaan tutkimuksessa ja opetuksessa

•Korkeakoulu yhdistää korkean tason teoreettisen luonnontieteellisen osaamisenkäytännöllisempiin insinööritieteisiin

•Painoalat: (i) luonnonvarojen kestävä jalostus ja käyttö(ii) uudet materiaalit(iii) uudet energiateknologiat

Avainmuutokset ulkoisessa ympäristössä

•Teknologiamurros energian, kemikaalien ja materiaalien tuotannossa resurssien pienentyessä•Kotimainen kaivos- ja ydinvoimateollisuus ja uusiutuvien energiamuotojen käyttö laajenemassa

•Biotieteen saavutusten teollistaminen ja laajemmin biotalous-konseptin kehittäminen ovat sekäkansallisia että kansainvälisiä prioriteetteja

Menestystekijät•Korkeakoulun menestyneimmät tutkimusryhmät jo nyt maailman johtavalla tasolla

•Kansainvälisenkin mittapuun mukaan erinomainen yhteiskunnallinen vaikuttavuus•Yhtenäinen korkeakoulu muodostaa itsessään merkittävän tiedeyhteisön

•Monitieteinen yhteistyö Aalto-yliopiston muiden korkeakoulujen kanssa

Aalto-CHEM: kestävän kehityksen kärjessä



Aalto-CHEM: at the Forefront of Sustainable Development

Sustainable Use and Processing

of Natural Resources

Renewable natural resources

Bioeconomy

Non-renewable natural resources

Value chain for minerals and oresWater

Biomaterials:

e.g. wood,

nanocellulose,

biopolymers

Bioenergy: e.g.

biofuels, bio-H2

Energy materials: e.g.

thermoelectrics and

nuclear reactor

materials, batteries

Metals and Materials

e.g. for electronics

Process

waters



Recyclability

Usability and design

Computation and modelling

Biomass•Wood-based•Peat• Agro was te•Organic waste•other:microbe mass

Biomass refining•mechanic•chemical•thermochemical•biotechnological•separation

technologies

Sustainable development

Logistics

Business

Services

Bioproducts:Biomaterials•building•packaging

•wood products

•paper products

•composites

•fibres

•bioplastics

Biochemicalsandbiocompounds•additives

•coatings

•surfaces

•extractives

•foodproducts•biomonomers

•functional

biocompounds

Bioenergy•electricity and heat

•biofuels

Product/MarketProcessPrimary material

Recycled material

Bio-Economy

Secondary

products and streams

Manufacturingtechnologies•paper machines•automation•Intelligentmachines•fibre technologies• 3D-technologies





1. Energiatehokkaat, kestävän kehityksen mukaiset prosessit ja tuotteet

Aalto-yliopiston energia-aloite: CHEM:n tulokulmat

2. Bioenergia

Liikennepolttoaineidenbiokomponentit

Biovety

Lämpö (& sähkö)

Smart Grids, ELEC

Kaukolämpö, ENG

Polttokennot,

SCI, ENG

Energiamarkkinat,

ECON

3. Energiamateriaalit

Äärio losuhteidenreaktorimateriaalit

Energianvarastointi

Aurinkokennot,

SCI

Ydinreaktori/voimalaitos-

materiaalit, ENG, SCI

Polttokennojen

materiaalit

Aalto Nuclear

Safety -ohjelmaEnergian

konvertointi

Poltto- ja moottori-

tekniikka, ENG

Bioreaktori-materiaalit

Ydinvoimalaitos-materiaalit

Termosähköisetmateriaalit



Laboratory ofInorganic & Analytical

Chemistry, TKK

PROFESSORS Maarit KARPPINEN (since 2006, Academy prof. 2009-2013)Hisao YAMAUCHI (FiDiPro 2009-2013)Matti PUTKONEN (part-time, 20%)

LECTURERS / POST-DOCS

Tuula LESKELÄMinna NIEMINENMarkus VALKEAPÄÄMikko MATVEJEFF (post-doc)Eeva-Leena RAUTAMA (post-doc)Anjali SOOD (post-doc)Girish TEWARI (post-doc)Maarit RISTO (post-doc)

Kristina UUSI-ESKO

PhD STUDENTS MASTER STUDENTS Samuli RÄSÄNEN Mikko NISULAMatti LEHTIMÄKI Otto MUSTONENJari MALM Paula RANTAMÄKISami VASALA Salla PUUPPONEN

Tommi TYNELLOuti PARKKIMA ADMIN./TECHNICAL STAFF Pia SUNDBERG Kimmo KARINEN (Lab. Manager)Janne NIEMELÄ Kristiina HALLASELKÄ (Secretary)Ta-Lei CHOU Anita PIRHONEN (Lab. Techn.)Satu MANNEREsko AHVENNIEMI Maija MÄKINEN (VTT)

Anne TANSKANEN Jenni SIEVÄNEN (VTT)Taneli TIITTANEN Jenni LYBECK (Kemira)

Laboratory of Inorganic Chemistry AALTO University



INORGANC CHEMISTRY

Aalto University

Department of Chemistry

• Novel Functional Oxide Materials

- high-Tc superconductors

- thermoelectric materials- exotic magnetic materials (halfmetals, ferroelectrics)

- ionic conductors (fuel cells, batteries, oxygen storage)

• ALD (Atomic Layer Deposit ion) Thin Films

- oxide materials for electronics & spintronics- oxide coatings on novel/excit ing surfaces(graphene, steel, biomaterials, paper, polymers, etc.)

- organic and polymer films

- inorganic/organic hybrid materials

Sustainableenergy materials

KEY CONCEPTS: Layer-engineering & Oxygen-engineering



Li-ioniakkututkimus: TEKES PROJEKTIT

Novel electrode fabrication methods for Li-ion battery (NoFaLi):

2012-2014

Improving the properties of Li-ion battery chemicals (IMPOLI):

2010-2012

Novel electrode materials for Li-ion battery (NoMaLi):

2009-2012


http://slidepdf.com/reader/full/tieteellinen-tutkimus-yritysten-kilpailykyvyn-edistaejaenae-ei-poeivaeaekaeaen 11/23Nikkei Electronics Asia – Feb. 2010

- Current market for Li-ion batteries in mobile phones: 3000 MWh

- e.g. Nissan ” Leaf” electric car 200 000 cars/year 4800 MWh

(a single new electric car model may exceed the mobile-phone battery market)

Capacity of a batteryused in an electric caris 10 000 times larger

than that found ina mobile phone



Nikkei Electronics Asia – Feb. 2010

ELECTRIC VEHICLE

L i - i o n b a t t e r y m a r k e

t ( b i l l i o n y e n )

3000

2000

1000

2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014



PRESENT MATERIAL VARIETY

Cathode: LiCoO2, Li(Co1/3Mn1/3Ni1/3)O2, LiMn2O4, LiFePO4

Anode: Graphite

Electrolyte: LiPF6 (in ethylene carbonate)



A! Aalto Universi tyDepartment of Chemistry

First litium mine in

Europe[LiAl(SiO3)2 spodumen]

Li-ion battery manufacturing

Li-ion battery material research

End-user of batteries

TiO2 & Li4Ti5O12

Battery chemicals

Battery recycling

Coating of electrodes

Inorganic Chemistry + Physical Chemistry

World largestcobalt producer

http://www.akkuser.fi/index_main.htm

http://www.cargotec.fi/cms/cargocms20.nsf/Documents/9168BB8641A157FFC2256FDB003E3CC7?OpenDocument&lang=2

http://www.sunchemical.com/

http://www.europeanbatteries.com/



Goals of our industry-supported Li-ion battery project

• To develop safer, cheaper and

environmentally-friendlier materials

and processes for Li-ion battery

(For large-scale applications)

• Anode/cathode combination:

Li4Ti5O12 / LiFePO4

(Not yet used in commercial applications)

• Several “work packages”:

(1) anode-side materials

(2) cathode-side materials

(3) binder materials

(4) fabrication techniques

(5) characterization

• Commercialization of

Sachtleben’s LTO anode material

(Hombitec LTO5; 200 nm) and a new

water-based printing process for

Li-ion battery manufacturing

• To increase battery know-how in

Finland(As long-term success in battery production

in Finland is NOT possible without basic

battery research at universities)

• To learn from our very top-end

foreign collaborators

(By sending our PhD students to work inthese laboratories for long enough periods)

1000 M€-level INVESTMENTS

- Panasonic, Sony, etc.- LG Chem, Samsung, etc.

- CHINA, USA, etc.



INTERNATIONAL COLLABORATION

• Prof. John B. Goodenough

University of Texas at Austin, USA

• Prof. Yunhui Huang

Huazhong University of Science

and Technology, Wuhan, CHINA

• Prof. Ryoji Kanno

Tokyo Inst. Technology, JAPAN

• Dr. Peter Krti lJ. Heyrovsky Inst. Phys. Chem, CZECH

• Prof. G. Lindberg

KTH – Royal Institute of Technology,

SWEDEN

• Prof. B. Scrosati

University Rome Sapienza, ITALY





Battery testing system at Aalto

1. Electrode Preparation(LiFePO4 or Li4Ti5O12)

2. Coin-Cell Assembly

3. ElectricalCharacterization



AKKUMATERIAALIEN PILOT-TUTKIMUSLABORATORIO KOKKOLASSA:

•Rakennettu julkisin varoin (850 k€)

•Centria ammattikorkeakoulu + Teknologiakeskus KETEK + Yliopistokeskus Chydenius

•Euroopan mittakaavassa ainutlaatuinen laboratoriotila: kuivatila n. 40 m2

•Täydellinen akkumateriaalien tutkimuslaitteisto

•Yliopistojen sekä yksityisten yritysten käytössä (OMG)

•Tutkija: Samuli Räsänen



OUR CHOICES FOR ELECTRODE MATERIALS

Li1-xFePO4 CATHODE (pos. electrode)

• Olivine structure (not layered)

• Safe, cheap, environmentally benign

→ excellent for large-scale applications

• Stable, constant voltage (3.4 V), excellent

cyclability, fast to charge

• Problems: low electrical conductivity,

water-related stability issues

LiFePO4 LiCoO2 Li4Ti5O12

Li4+yTi5O12 ANODE (neg. electrode)

Spinel structure Li[Li1/6Ti5/6]2O4

No protective SEI (solid-electrolyte interface)

layer formed/needed→ safe

Stable, constant voltage (1.55 V), no

volume change, fast to charge

Problems: low electrical conductivity,water-related stability issues

traditionalcathode



VESIPOHJAISET SIDOSAINEET

elektrodien valmistusprosessissa[Perinteisesti: PVDF (polyvinyylidifluoridi) sidosaine + NMP !!! (N-metyylipyrrolidone) liuotin]

• hinnaltaan edullinen

• ympäristöystävällinen

• soveltuu painokoneelle

Walkin painokone

NMP

Sachtleben: - elektrodimateriaalit

SunChemical: - sidosainekemikaalit

Walki: - painotekniikka

EuropeanBatteries: - akkutestaus

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/f/f1/N-Methylpyrrolidone_Structural_Formulae.png



Water absorption/desorption with water-based binders

0 200 400 600

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

W a

t e r c o n t e n t ( p p m )

0 200 400 600

Time (minutes)

PVAAcryle

LiFePO4 + C + binder

LiFePO4

S. Räsänen, M. Lehtimäki, T. Aho, K. Vuorilehto & M. Karppinen, Solid State Ionics 211, 65 (2012).

Thermogravimetry(TG)

for in-situ waterabsorption/desorption

investigation

EuropeanBatteries



EDUCATION & EXCHANGE ACTIVITIES

• One-week Summer School: Novel materials for future energy technologies,

2009, Aalto/Inorganic

- “Electrode and electrolyte materials for Li-ion batteries” by Prof. Huang (Wuhan)

- “Li-ion battery” by Dr. Kai Vuorilehto (EuropeanBatteries)

• 7 Bachelor theses & 2 Master theses & 1 PhD thesis

• 9 PhD students involved in the project (2 employed by EuropeanBatteries)

• Study visits by PhD students to:

Wuhan (4), Texas (1), Tokyo (1), Zurich (2) & Prague (1)

• Research laboratory unit of EuropeanBatteries located within Department

of Chemistry, Aalto University

• Aalto students employed as summer workers by EuropeanBatteries

• Sachtleben technician worked for one month at Aalto for battery tests of

their Li4Ti5O12 samples