Pulsed field gradient (PFG) 1H NMR was used to characterize the mobility of ionic liquid cations in porous gas diffusion electrode (GDE) frameworks for metal–air electrochemical systems. The carbon GDE frameworks were produced by electrospinning. It was found that the motion of ionic liquids in the highly porous hosts is more complex than what is commonly exhibited by conventional fluids, which makes a multimodal investigation essential for an adequate description of mobility and wetting of GDEs. Observed NMR diffraction-like patterns cannot be linked to the tortuosity limit but may serve as a proxy for structural features in the fibrous material. While the observed data were interpreted using standard theoretical models, alternative explanations and causes for artifacts are discussed.

京都大学 / 0048 / 新制・課程博士 / 博士(工学) / 甲第18278号 / 工博第3870号 / 新制||工||1594(附属図書館) / 31136 / 京都大学大学院工学研究科材料工学専攻 / (主査)教授 田中 功, 教授 邑瀬 邦明, 教授 酒井 明 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Philosophy (Engineering) / Kyoto University / DGAM

The aim of this master´s thesis was the measurement of electrical conductivity and dynamic viscosity of the electrolytes. Based on these measurements to verify Walden theorem between measured variables. Electrolytes were used on sulfolane base in combination with propylene carbonate and salt. The thesis also deals with the measuring method of dielectric properties of electrical and optical method with a refractometer. The freezing point of combination of sulfolan and propylene carbonate were determined by cryoscopy.

<p>  The interfacial reactions of the electrolytes at the electrode-electrolyte interface determine critical properties of the battery chemistries including the reaction reversibility, kinetic, and thermal stability etc. Rationally designing the solvation structure of the liquid electrolytes is paramount in altering their interfacial behaviors and achieving desirable battery performance. This thesis aims to provide fundamental understandings to the electrolyte solvation structure design in its correlations to the battery interphase stability and formation mechanism, interfacial desolvation kinetic, and thermal stability, providing strategies to build next-generation secondary batteries with improved energy density, wide-temperature capability, and thermal safety. </p> <p>Developing high-voltage lithium metal battery (LMB) with metallic Li anode and nickel-rich metal oxide cathode is a feasible approach to enhance the battery energy density. However, inferior interfacial stabilities of conventional electrolytes towards highly reductive anode and oxidative cathode cause severe parasitic reactions. This thesis investigates the solvation structures of ether-based electrolytes and their interfacial decomposition pathways to selectively control the solid electrolyte interphase (SEI) composition. Combined theoretical and experimental studies demonstrate that lessening the coordination strength of the solvent molecules can improve the ion aggregating degrees in the solvation shell and preferentially promote the anion decomposition. Detailed surficial characterizations identify that weakly-solvating electrolytes generate robust SEIs with enriched inorganic components on anode and cathode surface, which kinetically prohibits parasitic reactions. The strategy successfully facilitates the long-term cycling of high energy LMBs. Weakening the solvent coordination ability is also identified effective to promote the desolvation kinetic and realize high battery energy retention at low temperatures.</p> <p>The approach of tailoring ion-pairing behavior to achieve stabilized electrode-electrolyte interface is further validated in multivalent battery systems such as Magnesium-ion batteries (MIBs). Multivalent cations like Mg2+ and Zn2+ possess high electron density which results in strong coordination to solvent molecules and hindered desolvation process. They usually induce large reaction overpotential and low efficiency. The methoxy-amine-based electrolytes for MIBs are selected in terms of elucidating their interfacial failure mechanism and the solvation structure-dependent reaction stabilities with Mg metal anode. The study reveals an unknown amine solvent dehydrogenation mechanism that compromises the Mg anode stability. The tight coordination between solvent amine group (-NH2) and cation causes its direct reduction with H2 release. The dehydrogenation products tend to diffuse into the liquid electrolyte phase, which promotes the interfacial electrolyte decay. This work also demonstrates the approach to strengthen the solvent molecule stabilities via restructuring the Mg2+ solvation shell. Introducing anion coordination to Mg2+ can effectively relief the amine-cation interaction and suppress its reduction. As the result, hundreds of stable cycling from Mg metal anode with more than 99.6 % efficiency is achieved.</p> <p>Finally, the thermal stability of electrolytes featuring various solvation structures are studied in LMBs via quantitative thermal analysis and surficial characterization techniques. The thermal runaway of batteries which is known to be initiated via SEI decomposition and propagated by exothermic electrode-electrolyte reactions exhibit great dependence on the solvation structures of the liquid electrolytes. The results suggest that strong solvent-coordinating electrolytes with solvent-separated ion pair structures are prone to exothermic reduction decompositions. While the organic-rich SEI tends to decompose at low temperatures and initiate thermal runaway easily. Therefore, designing electrolytes with anion involved solvation shells that generate inorganic SEI can effectively mitigate the thermal runaway behavior. Supplementary research focusing on the thermal safety of Potassium-ion battery also indicates the critical role of SEI stability on the overall battery safety aspect, which is governed by the electrolyte composition.</p>

Die effiziente Speicherung von elektrischer Energie im elektrochemischen System des Superkondensators wird realisiert durch die Ausrichtung von Elektrolytionen im elektrischen Feld polarisierter, poröser Kohlenstoffelektroden. Der Energieinhalt und die Leistungscharakteristika der elektrostatischen Zwischenspeicherung von Energie bei Lade- und Entladezeiten von wenigen Sekunden bis zu einigen Minuten wird entscheidend durch die Eigenschaften der zur Ladungsspeicherung genutzten Grenzfläche zwischen dem Elektrodenmaterial und dem Elektrolyten bestimmt. Für die Optimierung des Energieinhaltes und der Leistungscharakteristika von Superkondensatoren durch die rationale Modifizierung dieser Grenzfläche konnten entscheidende Trends herausgearbeitet werden. Durch Einbindung eines pseudokapazitiven Eisenoxids in die spezifische Oberfläche des mesoporösen CMK-3 im Redoxverfahren ist die Darstellung einer neuartigen Nanokompositstruktur möglich. Diese weißt eine dreifach höhere spezifische Kapazität im Vergleich zur nicht-modifizierten Kohlenstoffoberfläche unter Beibehaltung der Strombelastbarkeit der Kohlenstoffmatrix auf. Entscheidend für die Weiterentwicklung von Synthesestrategien und die anwendungsorientierte Optimierung für Nanokompositstrukturen ist deren ausführliche Charakterisierung mittels angepasster Verfahren. Die in dieser Arbeit erstmals zur Analyse von porösen CMK-3 basierten Nanokompositstrukturen verwendeten Methoden der Aufnahme eines Tiefenprofils mittels Auger Elektronen Spektroskopie (DP-AES) und der energiegefilterten Transmissionselektronenmikroskopie (EF-TEM) lieferten die Grundlage zur Weiterentwicklung der rationalen, nanoskaligen Grenzflächenfunktionalisierung. In einem weiteren, stark vereinfachten und effektiveren Verfahren der Schmelzimprägnierung der porösen Matrix mit Nitrathydraten, sowie deren anschließendes Kalzinieren zum Übergangsmetall, respektive pseudokapazitiven Übergangsmetalloxid, konnte eine nochmals optimierte Nanokompositstruktur dargestellt werden. Das entwickelte Verfahren wurde für die Einbettung von Nickel/Nickeloxid und Eisen/Eisenoxid in die Oberfläche des mesoporösen CMK-3 eingesetzt. Ein gesteigerter Energieinhalt, wie auch eine deutlich gesteigerte Stabilität der Kapazität bei hohen Strombelastungen für die resultierenden Elektrodenmaterialien konnte eindeutig nachgewiesen werden. Die signifikante Erhöhung der Leistungscharakteristika ist dabei auf die optimale Kontaktierung des Übergangsmetalloxids durch das Übergangsmetall als Leitfähigkeitsadditiv im Sinne einer Kern-Schale Struktur realisiert. Der für das Nanokomposit C-FeO10 berechnete Kapazitätsverlust von < 11 % bei Erhöhung der spezifischen Stromstärke von 1 A/g auf 10 A/g verdeutlicht die beeindruckende Strombelastbarkeit des Materials. In einem weiteren in dieser Arbeit diskutierten Ansatz zur Steigerung des Energieinhaltes eines Superkondensators wurde auf die Verwendung von Ionischen Flüssigkeiten (IL) als Elektrolyt eingegangen. Die gezielte Darstellung eines oberflächenmodifizierten aus Cabiden gewonnen Kohlenstoffmaterials (CDC) unter Beibehaltung der Textur des porösen Systems ermöglichte die Untersuchung des Einflusses der Oberflächencharakteristika des Elektrodenmaterials auf die Strombelastbarkeit des Energiespeichers. Es konnte klar herausgestellt werden, dass für den vielversprechenden IL-Elektrolyten EMIBF4 eine verminderte Polarität, sowie die Abwesenheit azider Protonen an der Oberfläche des Kohlenstoffs deutlich zur Steigerung der Strombelastbarkeit des Speichers beiträgt. Realisiert wurde die Modifizierung der Oberfläche durch deren Chlorierung. Die Einordnung der vielversprechenden Kombinationen aus maßgeschneiderten Elektrodenmaterialien und Elektrolytsystemen wurde anhand der Kenngrößen im Ragone-Diagramm vorgenommen. Die Ergebnisse der Arbeit reihen sich in die derzeit schnell voranschreitende Technologieentwicklung bei Superkondensatoren ein.

Energy storage is crucial for intermittent renewable energy sources, electric vehicles, and portable devices. The continuously increasing energy consumption in these industries necessitates the enhancement of commercial lithium-ion batteries (LIB), especially regarding their safety and energy density. Historically, aqueous electrolytes were the norm in the battery industry. Prior to the development of lithium batteries, most commercially significant batteries used water as the solvent. In the past decade, "highly concentrated" electrolytes resurrected the notion of an aqueous lithium-ion battery (ALIB). Significant efforts have been made since then to comprehend the interfacial stability of these high-concentration electrolytes, and make them suitable for use in batteries especially high voltage ones. Another candidate for future batteries is All-Solid-State Batteries (ASSB) as they have the potential to double, or even triple, the energy density figures we currently achieve in LIBs mainly due to their ability to utilize lithium metal anode which has the highest specific capacity among anodes (3860 mAh g⁻¹), lowest reduction potential (-3.04 V vs SHE), and low density (0.53 g cm⁻³). This thesis first proposes a phenomenological model to describe the microstructure of aqueous electrolyte and the relation between their phase diagrams with ionic conductivity; highlighting a common correlation between the eutectic composition and peak ionic conductivity in conductivity isotherms. we then propose an empirical model correlating ionic conductivity with both molar concentration and temperature. The aim of this portion of the thesis is to provide an in depth understanding of aqueous electrolytes' physical properties in a way that can help researchers optimize the energy density and the cost of ALIBs. Moving further, the thesis presents two novel composite solid electrolytes (CSE) that were developed and fully characterized. Both of which were composed of the following four components; polyethylene oxide (PEO), lithium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide (LiTFSI) salt, lithium lanthanum titanate (LLTO) perovskite inorganic ceramic and the polymer plasticizer succinonitrile (SN). The careful formulation of these CSEs was based on the trade-off between film forming ability and ionic conductivity. The optimized polymer rich CSE proved to have better characteristics when compared to its ceramic rich alternative. ASSBs employing both CSEs were successfully charged and discharged when coupled with lithium metal anode and in-lab prepared composite cathode. The developed thin and flexible CSEs could be utilized in small applications (Wh-KWh) such as in consumer electronics and flexible biomedical devices (e.g., pacemakers) or larger applications (kWh-MWh) such as in EVs and large format storage for the electrical grid.

Solid-state batteries are gaining a lot of attention in the commecial sector today. Development of the solid state electrolytes is an important part in making commercially viable solid-state batteries. While many solid-state electrolytes are struggling with low ionic conductivity, some have shown comparatively high conductivities that can be engineered to perform better to be implemented for consumer market. Silica based solid composite electrolytes (SCEs) are one of the materials that are of huge interest as solid-state electrolytes. As a continuation of the previous research into the silica based SCE’s, the current work focuses on the study of SCEs based on the commercially available mesoporous silica (MPS) of different pore sizes and nanosized silica powder (SNP). Ionic Liquid electrolyte (ILE) based on Li-TFSI and BMP-TFSI mixture was used to prepare composities under different humidity conditions. The effect of the extent of -OH group functionalization of silica, determined by FTIR on treated and untreated powders, on ionic conductivity was also evaluated. Obtained composities were evaluated with electrochemical impedance spectroscopy (EIS) and analysed with TGA to establish correlations based on particle size and pore characteristics of MPS powder. Camparison with SNP was also made in anticipation to draw correlations with MPS. It was found that the pore size and pore volume change have more impact on the conductivity compared to surafce area of commercially obtained MPS and an unexplored pheonomenon was observed in case of SNP based SCE’s. Glovebox (GB) samples at relative humidity (RH)-0.005% have higher conductivity than dryroom samples at RH-0.5%. These findings can be used for a future reference in evaluating commercial MPS based composites as solid-state electrolytes. / Solid-state-batterier får stor uppmärksamhet i den kommersiella sektorn idag. Utveckling av fasta elektrolyter är en viktig del för att göra kommersiellt gångbara solid state-batterier. Medan många fasta elektrolyter kämpar med låg jonledningsförmåga, har vissa visat jämförelsevis höga ledningsförmåga som kan konstrueras för att prestera bättre för att implementeras för konsumentmarknaden. Kiselbaserade fasta kompositelektrolyter (SCE) är ett av de material som är av stort intresse som fasta elektrolyter. Som en fortsättning på den tidigare forskningen om de kiselbaserade SCE:erna fokuserar det nuvarande arbetet på studiet av SCE:er baserade på den kommersiellt tillgängliga mesoporösa kiseldioxiden (MPS) av olika porstorlekar och nanosized kiseldioxidpulver (SNP). Jonisk flytande elektrolyt (ILE) baserad på Li-TFSI och BMP-TFSI-blandning användes för att framställa kompositer under olika luftfuktighetsförhållanden. Effekten av omfattningen av -OH-gruppfunktionalisering av kiseldioxid, bestämd med FTIR på behandlade och obehandlade pulver, på jonkonduktiviteten utvärderades också. Erhållna sammansättningar utvärderades med elektrokemisk impedansspektroskopi (EIS) och analyserades med TGA för att fastställa korrelationer baserat på partikelstorlek och poregenskaper hos MPS-pulver. Kamparison med SNP gjordes också i väntan på att dra korrelationer med MPS. Det visade sig att porstorleken och porvolymsförändringen har mer inverkan på konduktiviteten jämfört med ytan för kommersiellt erhållen MPS och ett outforskat fenomen observerades i fallet med SNP-baserade SCE. Handskbox (GB) prover vid relativ fuktighet (RH)-0,005 % har högre konduktivitet än torrrumsprover vid RH-0,5 %. Dessa resultat kan användas för en framtida referens vid utvärdering av kommersiella MPS-baserade kompositer som fasta elektrolyter.

Aujourd’hui, les exigences croissantes en termes de compétitivité requièrent la conception de systèmes électronique de puissance ayant un encombrement minimal tout en gardant une bonne fiabilité. La combinaison de ces deux caractéristiques est absolument requise au niveau d’un système aussi bien qu’au niveau d’un composant. On cite notamment le cas des condensateurs d’aluminium à électrolyte liquide, qui sont largement utilisés comme réservoir de stockage de l’énergie électrostatique. Cette fonction est nécessaire dans les systèmes électroniques de puissance pour fournir l’énergie aux différentes parties à chaque appel de courant. D’après la littérature, l’étude et l’évaluation de la fiabilité de ces systèmes reposent fortement sur celle des condensateurs d’aluminium à électrolyte liquide ainsi que sur d’autres composants identifiés comme critiques (Transistors MOS de découpage, isolants dans les transformateurs, …etc.). Le premier chapitre débute par une présentation de la technologie des condensateurs est détaillée en indiquant les différents paramètres qui les caractérisent et les différents travaux réalisés dans la littéraire sur l’étude et l’évaluation de la fiabilité de ces composants. Dans le deuxième chapitre, les essais de vieillissement sont élaborés en se basant sur le profil de mission du système. Ensuite, les évolutions des caractéristiques ayant une dégradation significative sont modélisées. Le troisième chapitre porte sur la caractérisation physico-chimique du condensateur afin de comprendre et expliquer les modes de défaillance enregistré pendant les essais de vieillissement. Le dernier chapitre est consacré à la réalisation des essais de vieillissement sur système simulant la dissipation de la chaleur des composants adjacents aux condensateurs. Des mesures électriques sont faites en temps réel afin de superviser la tension à leurs bornes. Enfin, un essai de stress mécanique est réalisé afin de permettre d’évaluer l’impact des vibrations sur la connectique des condensateurs neufs et vieillis. / Today, the increasing demands in terms of competitiveness require the design of electronic power systems having a minimal bulk while maintaining a good reliability. The combination of these two features is required at a system level as well as at a component level. It is particularly the case of liquid electrolyte aluminum capacitors, which are widely used as storage tanks forelectrostatic energy. This function is necessary in electronic power systems to provide energy to the different parts with each current draw. According to the literature, the study and the evaluation of the reliability of these systems rely heavily on that of liquid electrolyte aluminum capacitors as well as on other components identified as critical (MOS switching transistors, insulators in transformers, etc.). The first chapter begins with a detailed presentation of the technology of capacitors by indicating the various parameters that characterize them and the different work done in the literary on the study and evaluation of the reliability of these components. In the second chapter, aging tests are developed based on the mission profile of the system. Then, the evolutions of characteristics having a significant degradation are modeled. The third chapter deals with the physico-chemical characterization of the capacitor in order to understand and to explain the failure modes recorded during the aging tests. The last chapter is devoted to performing aging tests on a system which is simulating the heat dissipation of components adjacent to capacitors. Electrical measurements are realized in real time to monitor the voltage at their terminals. Finally, a mechanical stress test is carried out to evaluate the impact of vibrations on the connection of new and aged capacitors.

Die effiziente Speicherung von elektrischer Energie im elektrochemischen System des Superkondensators wird realisiert durch die Ausrichtung von Elektrolytionen im elektrischen Feld polarisierter, poröser Kohlenstoffelektroden. Der Energieinhalt und die Leistungscharakteristika der elektrostatischen Zwischenspeicherung von Energie bei Lade- und Entladezeiten von wenigen Sekunden bis zu einigen Minuten wird entscheidend durch die Eigenschaften der zur Ladungsspeicherung genutzten Grenzfläche zwischen dem Elektrodenmaterial und dem Elektrolyten bestimmt. Für die Optimierung des Energieinhaltes und der Leistungscharakteristika von Superkondensatoren durch die rationale Modifizierung dieser Grenzfläche konnten entscheidende Trends herausgearbeitet werden. Durch Einbindung eines pseudokapazitiven Eisenoxids in die spezifische Oberfläche des mesoporösen CMK-3 im Redoxverfahren ist die Darstellung einer neuartigen Nanokompositstruktur möglich. Diese weißt eine dreifach höhere spezifische Kapazität im Vergleich zur nicht-modifizierten Kohlenstoffoberfläche unter Beibehaltung der Strombelastbarkeit der Kohlenstoffmatrix auf. Entscheidend für die Weiterentwicklung von Synthesestrategien und die anwendungsorientierte Optimierung für Nanokompositstrukturen ist deren ausführliche Charakterisierung mittels angepasster Verfahren. Die in dieser Arbeit erstmals zur Analyse von porösen CMK-3 basierten Nanokompositstrukturen verwendeten Methoden der Aufnahme eines Tiefenprofils mittels Auger Elektronen Spektroskopie (DP-AES) und der energiegefilterten Transmissionselektronenmikroskopie (EF-TEM) lieferten die Grundlage zur Weiterentwicklung der rationalen, nanoskaligen Grenzflächenfunktionalisierung. In einem weiteren, stark vereinfachten und effektiveren Verfahren der Schmelzimprägnierung der porösen Matrix mit Nitrathydraten, sowie deren anschließendes Kalzinieren zum Übergangsmetall, respektive pseudokapazitiven Übergangsmetalloxid, konnte eine nochmals optimierte Nanokompositstruktur dargestellt werden. Das entwickelte Verfahren wurde für die Einbettung von Nickel/Nickeloxid und Eisen/Eisenoxid in die Oberfläche des mesoporösen CMK-3 eingesetzt. Ein gesteigerter Energieinhalt, wie auch eine deutlich gesteigerte Stabilität der Kapazität bei hohen Strombelastungen für die resultierenden Elektrodenmaterialien konnte eindeutig nachgewiesen werden. Die signifikante Erhöhung der Leistungscharakteristika ist dabei auf die optimale Kontaktierung des Übergangsmetalloxids durch das Übergangsmetall als Leitfähigkeitsadditiv im Sinne einer Kern-Schale Struktur realisiert. Der für das Nanokomposit C-FeO10 berechnete Kapazitätsverlust von < 11 % bei Erhöhung der spezifischen Stromstärke von 1 A/g auf 10 A/g verdeutlicht die beeindruckende Strombelastbarkeit des Materials. In einem weiteren in dieser Arbeit diskutierten Ansatz zur Steigerung des Energieinhaltes eines Superkondensators wurde auf die Verwendung von Ionischen Flüssigkeiten (IL) als Elektrolyt eingegangen. Die gezielte Darstellung eines oberflächenmodifizierten aus Cabiden gewonnen Kohlenstoffmaterials (CDC) unter Beibehaltung der Textur des porösen Systems ermöglichte die Untersuchung des Einflusses der Oberflächencharakteristika des Elektrodenmaterials auf die Strombelastbarkeit des Energiespeichers. Es konnte klar herausgestellt werden, dass für den vielversprechenden IL-Elektrolyten EMIBF4 eine verminderte Polarität, sowie die Abwesenheit azider Protonen an der Oberfläche des Kohlenstoffs deutlich zur Steigerung der Strombelastbarkeit des Speichers beiträgt. Realisiert wurde die Modifizierung der Oberfläche durch deren Chlorierung. Die Einordnung der vielversprechenden Kombinationen aus maßgeschneiderten Elektrodenmaterialien und Elektrolytsystemen wurde anhand der Kenngrößen im Ragone-Diagramm vorgenommen. Die Ergebnisse der Arbeit reihen sich in die derzeit schnell voranschreitende Technologieentwicklung bei Superkondensatoren ein.