Pure, Hybrid and Polymerized Ionic Liquid Based Electrolytes For High Temperature Lithium-Ion Battery Application

Doctoral thesis, 2017

Idag finns det konsensus om att klimatförändringarna är verkliga och orsakade av människor, vilket äventyrar många levande arter såväl som mänskligheten själv. För att mildra den globala uppvärmningen och klimatförändringarna måste utsläppen av växthusgaser minskas kraftigt, och därför är en övergång från fossila bränslen till förnybara energikällor av största vikt och ju tidigare och snabbare detta händer desto bättre. Transportsektorn och särskilt tunga lastbilar bidrar med en stor del av de totala växthusgasutsläppen och belastar redan förorenade stadsområden, vilket minskar luftkvaliteten i städer och leder till förtida dödsfall. Elektrifiering av lastbilar, som används hela dagen, att jämföra med personbilar som mestadels står parkerade, kommer att ha en stor inverkan på miljön och luftkvaliteten i städerna. Här presenteras en möjlighet att göra hybridlastbilar mer effektiva. Idag är kylsystem för litiumjonbatterier (LIB) i hybridlastbilar separata system som jobbar vid ca. 35°C. Genom att förbättra den termiska stabiliteten hos LIB till ca. 80°C och skapa högtemperaturstabila LIB (HT-LIB) öppnar vi för ett enklare och totalt sett effektivare kylsystem genom att kombinera batterisystemet med det redan befintliga kylsystemet för kraftelektroniken. Konventionella LIB visar kraftigt minskad livslängd när batterierna utsätts för förhöjda temperaturer, på grund av de termiskt instabila Li-salterna och lösningsmedlen som används i elektrolyten.

I denna avhandling redovisar vi undersökningar av elektrolyters funktionalitet för användning i HT-LIB, främst nya material som t.ex. jonvätskor, salter med låga smältpunkter och batteri-intressanta egenskaper: hög jonledningsförmåga, elektrokemisk stabilitet, etc. Vidare undersökte vi jonvätskors polymerderivat: polymeriserade jonvätskor, vilka har liknande egenskaper, men som dessutom är mekaniskt stabilare. Ett annat alternativ som undersöktes var att förbättra redan intressanta egenskaper hos jonvätskor genom att kombinera dem med konventionella organiska lösningsmedel för att skapa HT-stabila elektrolyter med förbättrade transportegenskaper men med bibehållen termisk stabilitet. Dessutom behöver nya HT-stabila elektrolyter inte nödvändigtvis vara baserade på jonvätskor, varför vi även undersökte nitril-baserade salter och lösningsmedel. Sammantaget är resultaten lovande för HT-LIB med hybridelektrolyter av jonvätskor/organiska lösningsmedel som visar bäst elektrokemisk prestanda med avseende på snabbladdning och livslängd, medan rena jonvätskor och polymeriserade jonvätskor är mera stabila termiskt.