Aqueous Metal-ion Batteries: Safe and Sustainable by Design
Doctoral thesis, 2024

Aqueous metal-ion batteries (AMIBs) are promising candidates for technically low-to-medium-demanding electrical applications and could in principle be used in tandem with high-performant lithium-ion batteries (LIBs) to save resources and invested capital. By using organic materials and avoiding the scarce, costly, and toxic transition metals found in LIBs (e.g. Ni/Co/Cu), the technology may become lower cost, more environmentally benign, and safer than today's alternatives, which altogether rhymes well with EU’s critical raw materials directive highlighting risks of shortages and price spikes for traditional LIB materials.

In this thesis we explore the possibility of assembling unconventional AMIBs and hybrid supercapacitors by considering both the active and passive materials of the electrochemical cell. Sodium based technologies are the starting point, the materials used are primarily organic, and there is a pervading theme of finding remedies for the active material dissolution issue of aqueous electrolytes. The latter is addressed without resorting to common routes e.g. saturating the electrolyte with expensive fluorinated/perchlorate salts or incorporating organic co-solvents. Instead, other types of electrolyte concepts are suggested – with the intention to maintain the low-cost and sustainable aspects of aqueous batteries, new kinds of electrodes are made, and novel electrochemical full cells are created and studied with a wide range of analytical techniques to assess the behaviour, interplay, and performance of the cells and their constituents.

PJ-salen, Fysik Origo
Opponent: Claudio Gerbaldi, Politecnico di Torino, Italien

Author

Martin Karlsmo

Chalmers, Physics, Materials Physics

High‐performant all‐organic aqueous sodium‐ion batteries enabled by PTCDA electrodes and a hybrid Na/Mg electrolyte

Angewandte Chemie - International Edition,; Vol. 60(2021)p. 24709-24715

Journal article

Exploring the electrochemistry of PTCDI for aqueous lithium-ion batteries

Energy Storage Materials,; Vol. 66(2024)

Journal article

Le Chatelier's principle enables stable and sustainable aqueous sodium/magnesium-ion batteries

Journal of Materials Chemistry A,; Vol. 12(2024)p. 4029-4036

Journal article

A guanidium salt as a chaotropic agent for aqueous battery electrolytes

Chemical Communications,; Vol. 59(2023)p. 12266-12269

Journal article

Kan vi göra billiga och miljövänliga(re) batterier?

Litiumjonbatterier har tagit över batterimarknaden och finns nu i allt från klockor och bärbara datorer till elbilar. Förutom dessa tillämpningar är storskalig energilagring en väsentlig del av ett framtida elektrifierat samhälle, vilket behovet av snabbt accelererar – pådrivet av den gröna omställningen. Trots litiumjonbatteriteknologins framsteg är de inte helt oproblematiska. De innehåller brandfarliga och explosiva vätskor, de innehåller dyra material som delvis är utvunna oetiskt och de har även en hög produktionskostnad.

Som tur är går det att bygga batterier helt utan ovanstående problem. Man kan till exempel använda organiska material, mer godartade metaller och vatten som jonledande vätska vilka tillsammans skulle skapa ett billigare och mer miljövänligt batteri än dagens alternativ. Dessa batterier har inte samma prestanda men det är inte heller nödvändigt för alla tillämpningar. För stationär energilagring och mindre krävande elektriska apparater skulle vattenbaserade batterier med lägre spänning och energidensitet passa väl som komplement till de högpresterande litiumjonbatterierna. I avhandlingen utforskas det här konceptet; nya vattenbaserade batterier sätts ihop, studeras och testas med målet att bidra till ett mer hållbart energilagringssegment. Vi avstår från helhetsutvärderande verktyg (t.ex. livscykelanalys) utan istället läggs fokus på batteridesignen där komponenter enbart väljs om de är gjorda av miljövänliga(re) material.

Sustainable battery technologies via water based electrolytes and unconventional electrodes and packaging

Formas (2018-01450), 2019-01-01 -- 2021-12-31.

Next Generation Batteries

Swedish Research Council (VR) (2021-00613), 2021-12-01 -- 2032-12-31.

Driving Forces

Sustainable development

Subject Categories

Materials Chemistry

Infrastructure

Chalmers Materials Analysis Laboratory

Areas of Advance

Materials Science

ISBN

978-91-8103-042-6

Doktorsavhandlingar vid Chalmers tekniska högskola. Ny serie: 5500

Publisher

Chalmers

PJ-salen, Fysik Origo

Opponent: Claudio Gerbaldi, Politecnico di Torino, Italien

More information

Latest update

5/2/2024 1