Dynamic Structure Discovery and Ion Transport in Liquid Battery Electrolytes
Doctoral thesis, 2020
ion transport mechanisms
electrolytes
dynamic structure discovery
lithium-ion batteries
statistical physics
Author
Rasmus Andersson
Chalmers, Physics, Materials Physics
Ion Transport Mechanisms via Time-Dependent Local Structure and Dynamics in Highly Concentrated Electrolytes
Journal of the Electrochemical Society,;Vol. 167(2020)
Journal article
Designing High-Performant Lithium Battery Electrolytes by Utilizing Two Natures of Li+ Coordination: LiTDI/LiTFSI in Tetraglyme
Batteries and Supercaps,;Vol. 4(2021)p. 205-213
Journal article
CHAMPION: Chalmers hierarchical atomic, molecular, polymeric and ionic analysis toolkit
Journal of Computational Chemistry,;Vol. 42(2021)p. 1632-1642
Journal article
Global and Local Structure of Lithium Battery Electrolytes: Origin and Onset of Highly Concentrated Electrolyte Behavior
Journal of the Electrochemical Society,;Vol. 170(2023)
Journal article
Dynamic Structure Discovery Applied to the Ion Transport in the Ubiquitous Lithium-ion Battery Electrolyte LP30
Journal of the Electrochemical Society,;Vol. 169(2022)
Journal article
Litiumjonbatterier har erövrat världen via mobiltelefoner och laptops, och är nu i färd med att slå igenom även i fordon och storskalig ellagring och därmed accelerera en grön omställning.
Dagens litiumjonbatterier är dock inte perfekta. Elektrolyterna som transporterar joner mellan elektroderna innehåller brandfarliga, instabila och giftiga ingredienser. Dessvärre är de svåra att modifiera utan prestandaförluster. För nya säkrare, grönare och starkare batterier behövs nya elektrolytkoncept.
Ett sådant är högkoncentrerade elektrolyter, som består av samma sorts beståndsdelar som dagens elektrolyter: ett salt av litiumjoner och negativa joner som lösts upp i ett lösningsmedel. Skillnaden mot dagens elektrolyter är att salthalten är mycket högre, vilket gör elektrolyten stabilare och öppnar upp för nya sammansättningar och egenskaper.
Högkoncentrerade elektrolyter är, liksom andra lovande framtidskoncept, svårare att förstå på den molekylära skalan vilket dock är nödvändigt för att sätta riktningen för framtida forskning och utveckling. För att bidra till förståelsen av elektrolyter i allmänhet har jag utvecklat metoder och mjukvaran CHAMPION för att hitta vilka atomer som hänger ihop och beskriva deras beteende i detalj. I avhandlingen tillämpas metoderna på ett antal ganska olika batterielektrolyter, men troligen kan metoderna användas även för helt andra material. Arbetet har också lett till en patentansökan och till grundandet av företaget Compular AB där jag är medgrundare.
Lithium-ion batteries have conquered the world via cell phones and laptops and are now en route to disrupt transport and large-scale energy storage, thereby accelerating a green transition.
Lithium-ion batteries are not perfect, though. The electrolytes transporting ions between the electrodes contain flammable, unstable, and toxic ingredients. They are unfortunately hard to modify without performance losses. Safer, greener and stronger batteries are therefore in need of new electrolyte concepts.
One such candidate is highly concentrated electrolytes, which consist of the same kind of ingredients as today's electrolytes: a salt of lithium ions and negative ions dissolved in a solvent. Compared to today's electrolytes the salt content is much higher, making the electrolyte more stable and opening up a larger design space.
Highly concentrated electrolytes and other promising concepts are harder to understand on the molecular scale, which however is necessary for guiding further research and development. To advance the understanding of electrolytes in general I have developed methods and the software CHAMPION to find out which atoms move together and study their behaviour in great detail. The methods are here applied to a number of quite different battery electrolytes, and the methods can likely also be used for completely different materials. The work has also resulted in a pending patent and in the founding of the start-up Compular AB of which I am a co-founder.
Driving Forces
Sustainable development
Innovation and entrepreneurship
Areas of Advance
Transport
Energy
Materials Science
Subject Categories
Physical Chemistry
Physical Sciences
Condensed Matter Physics
Roots
Basic sciences
Infrastructure
C3SE (Chalmers Centre for Computational Science and Engineering)
ISBN
978-91-7905-413-7
Doktorsavhandlingar vid Chalmers tekniska högskola. Ny serie: 4880
Publisher
Chalmers
PJ-salen, Fysik Origo byggnad
Opponent: Prof. Arnulf Latz, Institute of Engineering Thermodynamics, German Aerospace Center (DLR), Tyskland