Sodium Batteries: From Liquid to Polymer Electrolytes
Doctoral thesis, 2016
Today lithium-ion batteries (LIBs) are dominating the field of rechargeable batteries for portable devices. More recently LIBs have also been considered for large-scale applications, such as in the areas of electromobility and grid storage. With the growing demand of lithium and its limited resources/production and price issues, it is advantageous to also consider other chemistries to complement/replace LIBs. Sodium, being abundant and similar to lithium, is a suitable alternative. In addition, batteries also need to meet stringent safety requirements. These requirements will influence the selection of suitable battery components (electrodes, electrolyte, etc.) with the overall aim to obtain more sustainable and safer battery, while guaranteeing adequate performance.
The common electrolyte used in LIBs as well as the analogous sodium-ion batteries (SIBs) contains fluorinated salts dissolved in organic liquid solvents, with many intrinsic safety concerns. Appealing alternatives could be liquid electrolytes free of fluorine and organic liquids, or altogether solid electrolytes.
In this thesis, an overview of liquid and solid electrolytes for sodium (-ion) batteries is given, outlining their differences. Aiming at safer batteries, mainly two broad classes of electrolytes are studied: fluorine-free electrolytes and solid polymer electrolytes. A known drawback of the latter is the low ionic conductivity at room temperature, which can be improved by e.g. adding an ionic liquid, a salt which is liquid at room temperature. All electrolytes are evaluated in terms of their ionic conductivities, ionic speciation and, for the polymer electrolytes, polymer dynamics and stability vs. sodium metal.
electrochemical solid state cells
polymer electrolytes
sodium batteries
liquid electrolytes
PJ-salen, Origohuset, Fysikgården 1, Chalmers
Opponent: Prof. Dale Teeters, College of Engineering & Natural Sciences, University of Tusla, Oklahoma, USA
Author
Andrea Boschin
Chalmers, Physics, Condensed Matter Physics
Characterization of NaX (X: TFSI, FSI) - PEO based solid polymer electrolytes for sodium batteries
Electrochimica Acta,;Vol. 175(2015)p. 124-133
Journal article
Plasticization of NaX-PEO solid polymer electrolytes by Pyr(13)X ionic liquids
Electrochimica Acta,;Vol. 211(2016)p. 1006-1015
Journal article
Fluorine-free salts for aqueous lithium-ion and sodium-ion battery electrolytes
RSC Advances,;Vol. 6(2016)p. 6, 85194-85201
Journal article
Non-Aqueous Electrolytes for Sodium-Ion Batteries
Journal of Materials Chemistry,;Vol. 3(2015)p. 22-42
Review article
Boschin, A., Abdelhamid, M.E., Johansson, P. On the feasibility of sodium metal as pseudo-reference electrode in solid state electrochemical cells
Dagens samhälle och människans levnadsätt kräver ofta mycket energi. Det vanligaste sättet att producera elektricitet är att förbränna fossila bränslen, vilket orsakar utsläpp av luftföroreningar. Förnybara energikällor (sol, vind och vatten) är mer miljömässigt hållbara men är ofta diskontinuerliga eftersom de är beroende av väderlek och dygnscykeln. Detta skapar ett behov av att effektivt kunna lagra denna energi och använda den när det behövs. En möjlig lösning på problemet är användning av stora stationära batterier. Batterier används också i mobila elektroniska apparater och elektriska bilar. För de mobila tillämpningarna är litiumjon-batteriet den mest använda batteritypen. Litiumjon-batterier är i stora drag uppbyggda av två elektroder separerade av en elektrolyt med mobila litiumjoner.
Tillgångarna av litium är dock begränsade, och bara under 2015-2016 har priset på litium ökat ~ 25% och kan i framtiden förväntas öka ytterligare. Batteriforskare letar därför efter lösningar baserade på andra grundämnen som kan leda till långsiktigt hållbarare och billigare batterier. Natrium har liknande kemiska egenskaper som litium, men natrium är betydligt mer tillgängligt än litium. Dessutom kan natriumjon-batterier innehålla billigare material än litiumjonbatterier, till exempel genom att ersätta dyr koppar med billigare aluminium. Natriumbatterier är därför intressanta för både stationära batterier och i elektriska bilar.
Natriumjonbatterier som innehåller flytande organiska lösningmedel och ett fluor-baserat salt visar goda resultat vid rumstemperatur. De flytande organiska lösningmedlen och fluor-baserade salterna ger dock upphov till säkerhetsproblem. Det finns olika strategier för att lösa problemen, vilka jag föreslår i min avhandling. Den första är att använda fluor-fria salter. Den andra är att ersätta de organiska lösningsmedlen med en fast elektrolyt; till exempel en fast polymerelektrolyt vilket möjliggör flexiblare, säkrare och kompaktare batterier. Med kombinationen av natrium-baserade elektroder och polymerelektrolyter är det möjligt att bygga långsiktigt hållbara och säkrare batterier. Det finns dock nackdelar att använda fluor-fria salter och en polymer som lösningmedel. De fluor-fria salterna som jag undersökt är olösliga i organiska lösningsmedel, medan de fasta polymerelektrolyterna fungerar optimalt bara vid högre temperaturer (~ 80 °C). Det finns dock möjlighet att tackla nackdelarna; till exempel kan de fluor-fria salterna lösas i vatten och användas i vattenbaserade batterier. Fasta polymerelektrolyter kan förbättras genom tillsats av jonvätskor.
Tillgångarna av litium är dock begränsade, och bara under 2015-2016 har priset på litium ökat ~ 25% och kan i framtiden förväntas öka ytterligare. Batteriforskare letar därför efter lösningar baserade på andra grundämnen som kan leda till långsiktigt hållbarare och billigare batterier. Natrium har liknande kemiska egenskaper som litium, men natrium är betydligt mer tillgängligt än litium. Dessutom kan natriumjon-batterier innehålla billigare material än litiumjonbatterier, till exempel genom att ersätta dyr koppar med billigare aluminium. Natriumbatterier är därför intressanta för både stationära batterier och i elektriska bilar.
Natriumjonbatterier som innehåller flytande organiska lösningmedel och ett fluor-baserat salt visar goda resultat vid rumstemperatur. De flytande organiska lösningmedlen och fluor-baserade salterna ger dock upphov till säkerhetsproblem. Det finns olika strategier för att lösa problemen, vilka jag föreslår i min avhandling. Den första är att använda fluor-fria salter. Den andra är att ersätta de organiska lösningsmedlen med en fast elektrolyt; till exempel en fast polymerelektrolyt vilket möjliggör flexiblare, säkrare och kompaktare batterier. Med kombinationen av natrium-baserade elektroder och polymerelektrolyter är det möjligt att bygga långsiktigt hållbara och säkrare batterier. Det finns dock nackdelar att använda fluor-fria salter och en polymer som lösningmedel. De fluor-fria salterna som jag undersökt är olösliga i organiska lösningsmedel, medan de fasta polymerelektrolyterna fungerar optimalt bara vid högre temperaturer (~ 80 °C). Det finns dock möjlighet att tackla nackdelarna; till exempel kan de fluor-fria salterna lösas i vatten och användas i vattenbaserade batterier. Fasta polymerelektrolyter kan förbättras genom tillsats av jonvätskor.
Subject Categories
Materials Engineering
Physical Sciences
Chemical Sciences
Areas of Advance
Energy
Materials Science
ISBN
978-91-7597-517-7
Doktorsavhandlingar vid Chalmers tekniska högskola. Ny serie: 4198
Publisher
Chalmers
PJ-salen, Origohuset, Fysikgården 1, Chalmers
Opponent: Prof. Dale Teeters, College of Engineering & Natural Sciences, University of Tusla, Oklahoma, USA