Pure, Hybrid and Polymerized Ionic Liquid Based Electrolytes For High Temperature Lithium-Ion Battery Application
Doktorsavhandling, 2017

Today, lithium-ion batteries (LIBs) are ubiquitous in mobile phones, laptops, and other portable devices. Additionally, LIBs are becoming more and more popular for powering hybrid and electric vehicles. The research community strives to further improve the LIBs to increase electric driving distance and efficiency of both hybrid and fully electric vehicles. Conventional LIBs need to be strictly temperature controlled, most often cooled, to ca. 30°C, to ensure an acceptable and predictable life-time. Increasing the thermal stability and hence making possible operating temperatures of up to ca. 100°C would enable a merging of the cooling systems of the LIB and the power electronics – resulting in an overall reduced system complexity, saved mass, and a higher energy efficiency. All components of the LIB must be thermally stable to deliver the targeted performance and life-time. The electrolytes of conventional LIBs all contain organic solvents and lithium salts, the former flammable with high vapour pressures and the latter meta-stable at room temperature and unstable at temperatures above 60°C. Thus more stable solvents and salts are needed to improve the inherent safety of the electrolyte – especially if aiming at elevated operating temperature applications. In this thesis procedures to investigate electrolytes for viability in HT-LIBs are demonstrated by investigating novel high-temperature LIB electrolyte alternatives primarily in the form of pure, hybrid and polymerized ionic liquid based systems. For several of these, physico-chemical properties such as viscosity, thermal stability, flammability and electrochemical stability window have been assessed and correlated with molecular level interactions, and furthermore a detailed characterization of several commercial sources of an often used electrolyte Li-salt has been performed.

ionic liquid

EMIFSI

lithium-ion battery

EMITFSI

high-temperature stability

Pip14TFSI

Pyr13TFSI

electrolyte

LiFSI

polymer

PJ-salen, Origohuset, Fysikgården 1, Chalmers.
Opponent: Prof. Jean Le Bideau, Institut des Matériaux Jean Rouxel, Université Nantes, France.

Författare

Manfred Kerner

Chalmers, Fysik, Kondenserade materiens fysik

Ionic liquid based lithium battery electrolytes: fundamental benefits of utilising both TFSI and FSI anions?

Physical Chemistry Chemical Physics,; Vol. 17(2015)p. 19569-19581

Artikel i vetenskaplig tidskrift

Thermal stability and decomposition of lithium bis(fluorosulfonyl)imide (LiFSI) salts

RSC Advances,; Vol. 6(2016)p. 23327-23334

Artikel i vetenskaplig tidskrift

Towards more thermally stable Li-ion battery electrolytes with salts and solvents sharing nitrile functionality

Journal of Power Sources,; Vol. 332(2016)p. 204-212

Artikel i vetenskaplig tidskrift

Ionic liquid and hybrid ionic liquid/organic electrolytes for high temperature lithium-ion battery application

Electrochimica Acta,; Vol. 216(2016)p. 24-34

Artikel i vetenskaplig tidskrift

Elevated Temperature Lithium-Ion Batteries Containing SnO2 Electrodes and LiTFSI-Pip(14)TFSI Ionic Liquid Electrolyte

Journal of the Electrochemical Society,; Vol. 164(2017)p. A701-A708

Artikel i vetenskaplig tidskrift

Kerner, M, Johansson, P, Pyrrolidinium FSI and TFSI based polymerized ionic liquids as electrolytes for high temperature lithium-ion batteries

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.

Drivkrafter

Hållbar utveckling

Ämneskategorier

Energiteknik

Materialkemi

Annan kemiteknik

Styrkeområden

Energi

ISBN

978-91-7597-655-6

Doktorsavhandlingar vid Chalmers tekniska högskola. Ny serie: 4336

Utgivare

Chalmers tekniska högskola

PJ-salen, Origohuset, Fysikgården 1, Chalmers.

Opponent: Prof. Jean Le Bideau, Institut des Matériaux Jean Rouxel, Université Nantes, France.

Mer information

Senast uppdaterat

2018-10-19