Upload
ilmari1954
View
221
Download
0
Embed Size (px)
DESCRIPTION
review industry decision makers
Citation preview
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
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 2/23
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
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 3/23
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
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 4/23
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
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 5/23
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
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 6/23
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 7/23
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
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 8/23
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
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 9/23
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
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 10/23
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
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 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
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 12/23
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
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 13/23
PRESENT MATERIAL VARIETY
Cathode: LiCoO2, Li(Co1/3Mn1/3Ni1/3)O2, LiMn2O4, LiFePO4
Anode: Graphite
Electrolyte: LiPF6 (in ethylene carbonate)
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 14/23
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
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 15/23
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.
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 16/23
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
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 17/23
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 18/23
Battery testing system at Aalto
1. Electrode Preparation(LiFePO4 or Li4Ti5O12)
2. Coin-Cell Assembly
3. ElectricalCharacterization
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 19/23
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
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 20/23
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
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 21/23
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
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 22/23
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
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 23/23
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