Hybrid polymer-liquid electrolytes for lithium ion battery applications
Tid: Fr 2024-10-25 kl 10.00
Plats: E3, Osquars backe 18, Stockholm
Språk: Engelska
Ämnesområde: Fiber- och polymervetenskap
Respondent: Martina Cattaruzza , Ytbehandlingsteknik
Opponent: Professor Heikki Tenhu, University of Helsinki, Finland
Handledare: Professor Mats Johansson, Wallenberg Wood Science Center, Ytbehandlingsteknik; Professor Göran Lindbergh, Tillämpad elektrokemi
QC 20240930
Abstract
Den globala förändringen mot förnybara energikällor och elektrifieringen av transporter kräver avancerade energilagringslösningar, med litiumjonbatterier (LIB) i framkant. Konventionella batterier med flytande elektrolyter i LIB har dock flera begränsningar såsom brandfarlighet, kemisk instabilitet, risk för läckage, begränsade bearbetbarhet och säkerhetproblem. Denna avhandling undersöker ”hybrid polymer-liquid electrolytes” (HEs) som ett alternativ för att ta itu med dessa problem i LIBs samt ett sätt att erhålla ytterligare funktionaliteter t.ex. förbättrad strukturell integritet.
Forskningen är organiserad i fyra huvudstudier. Artikel I fokuserar på tredimensionell (3D) rekonstruktion och analys av HE-strukturer. Med hjälp av ”focused ion beam-scanning electron microscopy” (FIB-SEM) visar studien de komplexa, sammankopplade pornätverken inom HEs som är avgörande för jonkonduktivitet och mekanisk stabilitet.
Artikel II utforskar inverkan av porositet på jonisk och molekylär rörlighet inom HEs. Genom att variera innehållet av flytande elektrolyt visar studien hur ökad porositet förbättrar jonmobiliteten, vilket direkt korrelerar med förbättrad elektrokemisk prestanda. ”Nuclear magnetic resonance” (NMR) diffusionsexperiment belyser transportmekanismerna inom polymermatrisen ytterligare och visar en signifikant ökning av jondiffusionshastigheter med högre elektrolythalt.
Artikel III undersöker rollen av kimrökspartiklar (CB) i nanostorlek i den polymerisationsinducerade fasseparationsprocessen (PIPS) som används för att syntetisera HE. Tillsatsen av CB förbättrar konduktiviteten hos HE utan att kompromissa med deras morfologiska integritet. Studien visar att även små mängder CB avsevärt kan förbättra den totala konduktiviteten, vilket gör CB-rika HEs potentiella kandidater för multifunktionella roller inom batterielektroder, såsom ledande bindemedel.
Artikel IV utvärderar den praktiska tillämpningen av HE:er genom att integrera dem i kommersiella LIB-elektroder. De HE-innehållande elektroderna bibehåller sina strukturella och elektrokemiska egenskaper även efter flera laddnings-urladdningscykler, vilket bevisar deras potential för användning i kommersiella tillämpningar.
Denna avhandling bidrar till utvecklingen av multifunktionella elektrolyter som inte bara tar upp säkerhetsfrågorna förknippade med flytande elektrolyter utan också främjar multifunktionaliteten i LIB. Metoderna och resultaten som presenteras ger en grund för framtida forskning inom högpresterande, säkrare och mer hållbar batteriteknologi.