Structure and Dynamics in Liquid Battery Electrolytes
Doktorsavhandling, 2020

The introduction of Sony’s rechargeable lithium-ion battery in 1991 sparked a transformation of our everyday life, enabling wide-spread use of portable electronics, such as smartphones and laptops. Furthermore, in recent years the increased usage of electrical vehicles and the on-going change to transient renewable energy sources has created a large interest in cheaper, safer, more sustainable, long-lasting and energy denser batteries. Next generation batteries – batteries beyond the traditional lithium-ion battery chemistries – offers possible routes towards the for-mentioned sought performance, societal and economical improvements. In this thesis several next generation battery concepts are studied. In particular, i) the sodium-ion battery, offering similar energy densities to that of the modern-day lithium-ion battery, but showing better power performance, is cheaper, more sustainable and safer, and ii) highly concentrated electrolytes, enabling higher energy densities, improved safety features, and improved cycling stability, are studied.

 

Several of the improvements in safety and performance seen in these next generation battery technologies stem from the local environment in the electrolyte. In this work I present a comprehensive study of the local cationic environment in several next generation battery electrolytes employing computational methods such as semi-empirical methods, density functional theory, and ab initio molecular dynamics. Furthermore, novel methods for studying the dynamics of the solvation shell are presented. The results of these studies are compared to what I and others have found in conventional lithium-ion battery electrolytes, and the connection between the local electrolyte structure and dynamics and the macroscopic electrolyte and battery properties is discussed.

PJ-salen, Fysikgården 2B. Online: https://www.youtube.com/channel/UCZoVA2oyJR90LY68H30pVZA
Opponent: Mathieu Salanne, CNRS / Sorbonne Université, Frankrike

Författare

Gustav Åvall

Chalmers, Fysik, Kondenserade materiens fysik

Åvall, G., Wallenstein, J., Cheng, G., Johansson, P., Abraham, D., Highly concentrated electrolytes: Detailed analysis of the solvation structure of LiPF6 in propylene carbonate lithium-ion battery electrolytes

Åvall, G., Johansson, P., A Novel Approach to Ligand-exchange Rates Applied to Lithium-ion Battery and Sodium-ion Battery Electrolytes

Sodium-Ion Battery Electrolytes: Modeling and Simulations

Advanced Energy Materials,; Vol. 8(2018)

Reviewartikel

Li Salt Anion Effect on O2 Solubility in an Li-O2 Battery

Journal of Physical Chemistry C,; Vol. 122(2018)p. 1913-1920

Artikel i vetenskaplig tidskrift

Solvation structure in dilute to highly concentrated electrolytes for lithium-ion and sodium-ion batteries

Electrochimica Acta,; Vol. 233(2017)p. 134-141

Artikel i vetenskaplig tidskrift

Ett batteri består i huvudsak av fyra komponenter: Två elekotroder – en katod och en anod – som lagrar energin, en separator som hindrar kortslutning, samt en elektrolyt som transporterar joner mellan elektroderna. Alla komponenterna är viktiga för optimal prestanda, oavsett batterikoncept.

Ett batterikoncept, litiumjonbatteriet, kommersialiserades 1991, och är helt väsentligt för smartphones, surfplattor, och laptops. Litiumjonbatteriet är idag också helt oumbärligt för elbilar – och för att dessa skall slå igenom ännu bredare måste batterierna bli billigare, lagra mer energi och hålla längre. Dessutom är det önskvärt att batterierna kan laddas snabbare, blir säkrare samt tillverkas av hållbara material. Idag står transportsektorn för 20% av de globala utsläppen av växthusgaser, vilket bidrar till klimatförändringar; en omställning till fler elbilar kan hjälpa till att minska utsläppen.

Samtidigt så ställer samhället om till förnyelsebara energikällor, såsom vind- och solenergi. Men då dessa endast producerar energi vid gynnsamma väderförhållanden måste vi kunna lagra energin så att den kan användas vid behov – och även här kan batterier användas.

För att tillgodose framtidens behov av energilagring forskas det intensivt på att förbättra litiumjonbatteriet, men det forskas även på nya batterikoncept såsom natriumjonbatterier. Natriumjonbatteriet kan produceras av hållbarare material, blir billigare, har bättre effektprestanda och likartade energilagringsmöjligheter som litiumjonbatterier. Det forskas även på batterier som i elektrolyten har högre koncentrationer av joner – och tanken är att detta ska ge oss säkrare batterier som håller längre och kan lagra mer energi i samma volym.

I den här avhandlingen har jag studerat hur elektrolytens struktur och dynamik på molekylnivå kopplar till batteriets egenskaper. Framförallt har jag undersökt hur elektrolytens struktur och dynamik ändras då litiumjoner byts ut mot natriumjoner samt hur jonkoncentrationen påverkar egenskaperna. Speciellt har jag utvecklat en metod för att enkelt och i detalj kunna studera tidsskalor för lokal jon- och lösningsmedelstransport.

Na-Ion bAttery Demonstration for Electric Storage (NAIADES)

Europeiska kommissionen (Horisont 2020), 2015-01-01 -- 2018-12-31.

Drivkrafter

Hållbar utveckling

Styrkeområden

Transport

Energi

Materialvetenskap

Ämneskategorier

Fysikalisk kemi

Annan materialteknik

Teoretisk kemi

Den kondenserade materiens fysik

Fundament

Grundläggande vetenskaper

Infrastruktur

C3SE (Chalmers Centre for Computational Science and Engineering)

ISBN

978-91-7905-247-8

Doktorsavhandlingar vid Chalmers tekniska högskola. Ny serie: 4714

Utgivare

Chalmers tekniska högskola

PJ-salen, Fysikgården 2B. Online: https://www.youtube.com/channel/UCZoVA2oyJR90LY68H30pVZA

Online

Opponent: Mathieu Salanne, CNRS / Sorbonne Université, Frankrike

Mer information

Senast uppdaterat

2020-03-20