Local Structure and Dynamics of Next Generation Electrolytes - linking microscopic and macroscopic properties
Doctoral thesis, 2022
The electrolyte is a crucial part of a battery in terms of performance, longevity and safety. However, the state-of-the-art electrolytes for lithium-ion batteries are based on organic solvents and Li-salts (typically at 1M concentration) which are volatile and degrade at higher temperatures. In addition, these electrolytes are not suitable for next generation battery concepts where the use of metallic lithium at the anode side is a prerequisite. Thus, there is currently a strong effort to find new electrolyte concepts to both improve safety of current battery technology and pave way for next generation batteries. In the search for new electrolytes, highly concentrated electrolytes and ionic liquids have been proposed as alternatives through properties such as high thermal stability, lower reactivity with cell components and increased electrochemical stability window.
A common feature for highly concentrated electrolytes and ionic liquids is an ordering on mesoscopic length scales, normally not found in simple liquids, resulting from the correlation between the ions. This nanostructure can be expected to influence the ion transport and a key to developing these new electrolyte concepts is to understand the structure and dynamics on mesoscopic length scales and how this links to macroscopic transport. In this thesis, the microscopic properties of ionic liquids and diluted ionic liquids are investigated together with highly concentrated electrolytes based on an organic solvent. To achieve this goal X-ray and neutron scattering are invaluable tools as they allow for measurements at the time and length scale of typical molecular motions and interactions. Complementary techniques such as conductivity and viscosity measurements, differential scanning calorimetry, and Raman spectroscopy have been used in order to link between the macroscopic and microscopic properties and between local structure and dynamics.
A common feature for highly concentrated electrolytes and ionic liquids is an ordering on mesoscopic length scales, normally not found in simple liquids, resulting from the correlation between the ions. This nanostructure can be expected to influence the ion transport and a key to developing these new electrolyte concepts is to understand the structure and dynamics on mesoscopic length scales and how this links to macroscopic transport. In this thesis, the microscopic properties of ionic liquids and diluted ionic liquids are investigated together with highly concentrated electrolytes based on an organic solvent. To achieve this goal X-ray and neutron scattering are invaluable tools as they allow for measurements at the time and length scale of typical molecular motions and interactions. Complementary techniques such as conductivity and viscosity measurements, differential scanning calorimetry, and Raman spectroscopy have been used in order to link between the macroscopic and microscopic properties and between local structure and dynamics.
QENS
Ionic Liquids
Highly concentrated electrolytes
Dynamics
SAXS
Ion Transport
Electrolytes
Structure
PJ, Kemigården 1
Opponent: Professor Alexei P. Sokolov. University of Tennessee, United States
Author
Filippa Lundin
Chalmers, Physics, Materials Physics
Pressure and Temperature Dependence of Local Structure and Dynamics in an Ionic Liquid
Journal of Physical Chemistry B,;Vol. 125(2021)p. 2719-2728
Journal article
Structure and dynamics of highly concentrated LiTFSI/acetonitrile electrolytes
Physical Chemistry Chemical Physics,;Vol. 23(2021)p. 13819-13826
Journal article
Ion Dynamics and Nanostructures of Diluted Ionic Liquid Electrolytes
Journal of Physical Chemistry C,;Vol. 126(2022)p. 16262-16271
Journal article
Lundin, F. Stettner, T. Falus, P. Balducci, A. Matic, A. Effect of Water on Local Structure and Dynamics in a Protic Ionic Liquid
Lundin, F. Embs, J. P. Matic, A. Role of Cation on Local Structure and Dynamics in Highly Concentrated Acetonitrile-based Electrolytes
Användningen av litiumjonbatterier har sedan kommersialiseringen på 90-talet fullkomligt exploderat. De finns numera överallt omkring oss, i mobiltelefoner, laptops och även i våra bilar. För att öka prestandan och säkerheten i dessa batterier är elektrolyten en viktig komponent. Det finns många lovande elektrolytkoncept för att ersätta dagens elektrolyter, två av dessa är högkoncentrerade elektrolyter, dvs. elektrolyter med väldigt hög salthalt, och jonvätskor som helt och hållet består av salt.
De speciella egenskaperna som finns i jonvätskor och högkoncentrerade elektrolyter kommer ifrån en mikroskopisk struktur i vätskan. Denna struktur, ordning av molekyler, gör att jontransporten ser annorlunda ut i dessa elektrolyter än i de kommersiella elektrolyterna. För att bäst förstå hur och varför de här systemen fungerar har de undersökts på flera olika längd- och tidsskalor.
Konduktivitet är ett mått på den makroskopiska jontransporten som ger ett medelvärde för hur fort de laddade jonerna rör sig i elektrolyten. Dock säger inte konduktiviteten något om hur jonerna rör sig. Med hjälp av neutronspridning kan man däremot studera de små rörelserna som molekylerna gör på nano- och pikosekundsnivå som tillsammans bygger upp till den makroskopiska jontransporten.
Fokus i den här avhandlingen har varit att med hjälp av framför allt röntgen- och neutronspridningstekniker förstå hur omgivningen för molekylerna och dess rörelser relaterar till konduktiviteten. Genom att undersöka vad som händer i elektrolyten vid variation av temperatur och tryck, vid ökning av saltkoncentration eller vid utspädning av högkoncentrerade elektrolyter och jonvätskor bidrar den här avhandlingen till bättre förståelse av egenskaperna för högkoncentrerade elektrolyter och jonvätskor.
De speciella egenskaperna som finns i jonvätskor och högkoncentrerade elektrolyter kommer ifrån en mikroskopisk struktur i vätskan. Denna struktur, ordning av molekyler, gör att jontransporten ser annorlunda ut i dessa elektrolyter än i de kommersiella elektrolyterna. För att bäst förstå hur och varför de här systemen fungerar har de undersökts på flera olika längd- och tidsskalor.
Konduktivitet är ett mått på den makroskopiska jontransporten som ger ett medelvärde för hur fort de laddade jonerna rör sig i elektrolyten. Dock säger inte konduktiviteten något om hur jonerna rör sig. Med hjälp av neutronspridning kan man däremot studera de små rörelserna som molekylerna gör på nano- och pikosekundsnivå som tillsammans bygger upp till den makroskopiska jontransporten.
Fokus i den här avhandlingen har varit att med hjälp av framför allt röntgen- och neutronspridningstekniker förstå hur omgivningen för molekylerna och dess rörelser relaterar till konduktiviteten. Genom att undersöka vad som händer i elektrolyten vid variation av temperatur och tryck, vid ökning av saltkoncentration eller vid utspädning av högkoncentrerade elektrolyter och jonvätskor bidrar den här avhandlingen till bättre förståelse av egenskaperna för högkoncentrerade elektrolyter och jonvätskor.
SwedNESS
Swedish Foundation for Strategic Research (SSF) (GSn15-0008), 2017-01-01 -- 2020-12-31.
Swedish Foundation for Strategic Research (SSF) (GSn15-0008), 2016-07-01 -- 2021-06-30.
Driving Forces
Sustainable development
Subject Categories (SSIF 2011)
Physical Sciences
Transport Systems and Logistics
ISBN
978-91-7905-688-9
Doktorsavhandlingar vid Chalmers tekniska högskola. Ny serie: 5154
Publisher
Chalmers
PJ, Kemigården 1
Opponent: Professor Alexei P. Sokolov. University of Tennessee, United States