Biomass Derived Fluorine-Free Ionic Liquids Based Electrolytes Enabling Sustainable Batteries (BioSusBat)

Research Project, 2021 – 2024

Detta förslag är baserat på en strategisk och grundläggande forskning med potential att fungera som grund för utvecklingen av befintliga och nya företag inom material, energi och grönområden. Huvudsyftet med denna forskning är att utveckla nya fluorfria joniska vätskebaserade elektrolyter från lignocellulosisk biomassor. Lignocellulosisk biomassor är ett av det mest omfattande och förnybara råmaterialet på jorden som kan användas för produktion av elektrolyter. Samtidigt är natrium det sjunde rikaste elementet på jorden. Vi utnyttjar dessa naturresurser för att utveckla hållbara natriumjonbatterier.Energibehållbarhet, koldioxidutsläpp och luftkvalitetsrelaterade miljöhänsyner har drivit utvecklingen av alternativa miljövänliga energikällor. Detta är några av anledningarna till varför det idag finns ett växande intresse i utvecklingen av effektiva och säkra batterier för konsumentelektronik, helt elektriska och hybrid elektriska fordon och sol-och vindkraftverk. Produktionen av litiumjonbatterier ökar exponentiellt för att möta den växande efterfrågan i det moderna samhället och det finns stor risk att batterimaterialen kommer att bli begränsade resurser inom en snar framtid. En 270% ökning av litiummetallpriset har observerats sedan 2010 och förväntas öka ytterligare de närmaste åren. Litiumjonbatterietekniken måste därför kompletteras med alternativa energilagringskoncept för att möta kraven i vårt moderna samhälle och upprätthålla energihållbarheten till ett konkurrenskraftigt pris.Vi strävar här efter ett natriumjonbatteri som inte förlitar sig på någon begränsad resurs. Natrium är ett billigare element än litium och är därmed ett kostnadseffektivt alternativt jämfört med litiumjonbatterier. En elektrolyt är en avgörande komponent som styr säkerheten, livslängden och framförallt funktionaliteten av alla batterier. Konventionella organiska lösningsmedelsbaserade elektrolyter har ett antal nackdelar såsom toxicitet, risk för läckage, hög brandbarhet, högt ångtryck och låg termisk samt elektrokemisk stabilitet. Batteriet innehåller en icke försumbar mängd brandfarlig vätskeelektrolyt med fluorerade salter. Vid stor värmeproduktion eller kortslutning kan elektrolyten antändas med flammor som släpper ut giftiga gaser samt fluorvätesyra till följd. De brandfarliga organiska lösningsmedlen och höga fluorinnehållet i konventionella batterier är ett allvarligt hot mot människors liv. En annan allvarlig utmaning för konventionella batterier är att återvinningen och hanteringen av använda batterier med högt fluorinnehåll som utgör en kemisk fara och ett allvarligt hot mot arbetssäkerhet, människors hälsa och omgivning.I detta forskningsprojekt är meningen att förbättra säkerheten och prestandan för batteriteknologier genom att utveckla nya grönare joniska vätskebaserade elektrolyter med användning av lignocellulosisk biomassa som utgångsmaterial. Joniska vätskor är salter som består av katjoner och anjoner som är vätskor vid eller under 100 °C. Joniska vätskor har ett antal unika egenskaper, inklusive icke-flyktighet, brännbarhet, hög termisk stabilitet, hög jonledningsförmåga, högkemisk, elektrokemiskt stabil och funktionell designbarhet. På grund av dessa egenskaper anses joniska vätskor vara de mest lämpliga gröna ersättarna för konventionella "farliga" elektrolyter. Emellertid är inte alla joniska vätskor gröna, särskilt> 95% av de kommersiellt tillgängliga joniska vätskorna innehåller fluorerade anjoner som gör dem instabila och känsliga för fukt.Ett nytt koncept från molekylär design ska utveckla nya elektrolyter bestående av fluorfria joniska vätskor från förnybara utgångsmaterial till slutanvändning i nästa generations natriumjonbatterier. Vi inkluderar dessutom såväl livscykelanalys och återvinningsperspektiv. Forskningsarbetet utförs i nära samarbete mellan Luleå tekniska universitet och Chalmers tekniska högskola. Detta strategiska forskningsprojekt kan leda till att en kemisk industri utnyttjar biomassa som förnyelsebart material för produktion av hållbara natriumjonbatterielektrolyter, vilket är en långvarig utmaning och en fascinerande framtidsvision. Detta är en av de bästa strategierna för att minska vår påverkan på miljön, minska vårt beroende av fossila bränslen och således lämna efter en bättre värld för nästkommande generationer.