Synthesis of Novel Fluorine-Free Salts for Battery Electrolytes
Doktorsavhandling, 2019

Nowadays lithium-ion batteries (LIBs) are the dominant power sources of portable electronic devices such as mobile phones, laptops and cameras. Although recently their applications have extended to areas of electromobility and hybridization of vehicle, cost and safety issues remain as big obstacles for a smoother implementation. One particularly problematic aspect of conventional LIBs is the electrolytes which typically composed of fluorinated lithium salts (e.g. LiPF6) and organic solvents. While the former is meta-stable at room temperature, quite expensive to synthesis and unsafe in the presence of moisture, the latter have high vapor pressure and are also flammable. Therefore, design and development of more stable salts and electrolytes are highly desirable, especially in the light of increased use of battery technology in e.g. electric vehicles (EVs).

In order to mitigate the challenges with the current fluorine containing electrolytes, a concerted effort was set out on the synthesis and evaluation of a new class of fluorine-free lithium and sodium salts based on pseudo-delocalized concept. Four different electrolyte concepts include: aqueous, solid state, water-in-bisalt (WiBS) and ionic liquid based, containing these anions were proposed for lithium-ion and sodium-ion batteries for the first time.

In this thesis, ten novel non-fluorinated lithium and sodium electrolyte salts based on pyridinium and ammonium pseudo-delocalized concept were synthesized and fully characterized by analytical methods such as NMR, mass spectroscopy and elemental analysis. Further, it was also attempted to present the applied synthetic methods for other pseudo-delocalized anions based on imidazolium and ammonium salts and highlight the challenges and limitations which persist during the synthesis processes of these salts.

solid state electrolyte

aqueous electrolyte

lithium-ion batteries (LIBs)

safer electrolyte

ionic liquid based electrolyte

water-in-bisalt (WiBS) electrolyte.

sodium-ion batteries (SIBs)

fluorine-free salt

10:an, Kemigården 4, Chalmers
Opponent: Prof. Ola Wendt, Departemant of Chemistry, Lunds University, Sweden.

Författare

Elham Hosseini Bab Anari

Chalmers, Kemi och kemiteknik, Tillämpad kemi, Kasper Moth-Poulsen Group

I dagens samhälle förlitar vi oss på tillgången på Li-batteriteknologi, eftersom det är den mest effektiva kraftkällan för portabel elektronik och elfordon. Därför är ett modernt samhälle utan Li-batterier otänkbart för många människor. De första kommersiella Li-ion-batterierna träffade marknaden 1990, som ett resultat av ansträngningarna från de tre forskarna Goodenough, Yoshino och Whittingham som skapade tidiga Li-ion-batterierna. Faktum är att deras ansträngningar spelade en nyckelroll i grunden för "vår nya laddningsbara värld", vilket ledde till att de tilldelades Nobelpriset i kemi 2019.

Li-ion-batterier består av två elektroder som båda kan acceptera Li-joner och en elektrolyt som underlättar transporten av Li-joner under laddnings- och urladdningscykeln. Bland de tre komponenterna i Li-ion-batterier är elektrolyten, som innehåller ett fluorerat salt och organiskt lösningsmedel, den viktigaste källan till oro. Det förstnämnda är metastabilt vid rumstemperatur och kostsamt för syntes, är det senare är brandfarligt och giftigt. För att ha en optimerad elektrolyt kan vi därför ersätta antingen den ena eller båda elektrolytkomponenterna med säkrare alternativ.

För att mildra problemen med de nuvarande fluorinnehållande elektrolyterna, gjordes en samlad insats för syntes och utvärdering av en ny klass fluorfria salter. I min avhandling syntetiserades tio nya icke-fluorerade litium- och natriumelektrolyt-salter baserade på nya koncept och undersöktes fullständigt av olika analysmetoder. Fyra olika elektrolytkoncept, nämligen vattenhaltigt, fastfas, vatten-i-bisalt (WiBS) och jonvätskebaserat innehållandes dessa salter föreslogs som batterielektrolyter för första gången.

Ämneskategorier

Materialkemi

Annan kemiteknik

Organisk kemi

Infrastruktur

Chalmers materialanalyslaboratorium

Styrkeområden

Materialvetenskap

ISBN

978-91-7905-209-6

Doktorsavhandlingar vid Chalmers tekniska högskola. Ny serie: 0346-718X

Utgivare

Chalmers tekniska högskola

10:an, Kemigården 4, Chalmers

Opponent: Prof. Ola Wendt, Departemant of Chemistry, Lunds University, Sweden.

Mer information

Senast uppdaterat

2019-11-05