The electrolyte is a crucial part of any lithium battery, strongly affecting longevity and safety. It has to survive rather severe conditions, not the least at the electrode/electrolyte interfaces. Current commercial electrolytes based on 1 M LiPF 6 in a mixture of organic solvents balance the requirements on conductivity and electrochemical stability, but they are volatile and degrade when operated at temperatures above ca. 70°C. The salt could potentially be replaced with e.g. LiTFSI, but corrosion of the aluminium current collector is an issue. Replacing the graphite negative electrode by Li metal for large gains in energy density challenges the electrolyte further by exposing it to freshly deposited Li, leading to poor coulombic efficiency (CE) and consumption of both Li and electrolyte. Highly concentrated electrolytes (up to > 4 M) have emerged as a possible remedy, by a changed solvation structure such that all solvent molecules are coordinated to cations – leading to a lowered volatility and melting point, an increased charge carrier density and electrochemical stability, but a higher viscosity and a lower ionic conductivity. Here two approaches to highly concentrated electrolytes are evaluated. First, LiTFSI and acetonitrile electrolytes with respect to increased electrochemical stability and in particular the passivating solid electrolyte interphase (SEI) on the anode is studied using electrochemical techniques and X-ray photoelectron spectroscopy. Second, lowering the liquidus temperature by high salt concentration is utilized to create an electrolyte solely of LiTFSI and ethylene carbonate, tested for application in Li metal batteries by characterizing the morphology of plated Li using scanning electron microscopy and the CE by galvanostatic polarization. While the first approach shows dramatic improvements, the inherent weaknesses cannot be completely avoided, the second approach provides some promising cycling results for Li metal based cells. This points towards further investigations of the SEI, and possibly long-term safe cycling of Li metal anodes. / Elektrolyten är en fundamental del av ett litiumbatteri som starkt påverkar livslängden och säkerheten. Den måste utstå svåra förhållanden, inte minst vid gränsytan mot elektroderna. Dagens kommersiella elektrolyter är baserade på 1 M LiPF 6 i en blandning av organiska lösningsmedel. De balanserar kraven på elektrokemisk stabilitet och jonledningsförmåga, men de är lättflyktiga och bryts ned när de används vid temperaturer över ca. 70°C. Saltet skulle kunna bytas ut mot t.ex. LiTFSI, vilket ökar värmetåligheten avsevärt, men istället uppstår problem med korrosion på den strömsamlare av aluminium som används för katoden. Genom att byta ut grafitanoden i ett Li-jonbatteri mot en folie av litiummetall kan man öka energitätheten, men då litium pläteras bildas ständigt nya Li-ytor som kan reagera med elektrolyten. Detta leder till en låg coulombisk effektivitet genom nedbrytning av både Li och elektrolyt. Högkoncentrerade elektrolyter har en mycket hög saltkoncentration, ofta över 4 M, och har lags fram som en möjlig lösning på många av de problem som plågar denna och nästa generations batterier. Dessa elektrolyter har en annorlunda lösningsstruktur, sådan att alla lösningsmedelsmolekyler koordinerar till katjoner – vilket leder till att de blir mindre lättflyktiga, får en ökad täthet av laddningsbärare, och en ökad elektrokemisk stabilitet. Samtidigt får de en högre viskositet och lägre jonledningsförmåga. Här har två angreppssätt för högkoncentrerade elektrolyter utvärderats. I det första har acetonitril, som har begränsad elektrokemisk stabilitet och ett högt ångtryck, blandats med LiTFSI för en uppsättning av elektrolyter med varierande koncentration. Dessa har testats i Li-jonbatterier och i synnerhet den passiverande ytan på grafitelektroder har undersökts med både röntgen-fotoelektronspektroskopi (XPS) och elektrokemiska metoder. En markant förbättring av den elektrokemiska stabiliteten observeras, men de inneboende bristerna hos elektrolyten kan inte kompenseras fullständigt, vilket skapar tvivel på hur väl detta kan fungera i en kommersiell cell. Med det andra angreppssättet har hög saltkoncentration nyttjats för sänka smältpunkten för en elektrolyt baserad på etylenkarbonat, som annars inte kan används som enda lösningsmedel. Dessa elektrolyter har testats för användning i Limetall-batterier genom långtidstest, mätning av den coulombiska effektiviteten och analys av deponerade Li-ytor med svepelektronmikroskop. Resultaten är lovande, med över 250 cykler på 0.5 mAh/cm2 och en effektivitet på över 94%, men framförallt observeras en mycket jämnare deponerad Li-yta, vilket kan möjliggöra säker cykling av Li-metall-batterier. Ett logiskt nästa steg är studier av Liytan med t.ex. XPS för att utröna vad som skiljer den från ytan som bildats i en 1 M referenselektrolyt.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:UPSALLA1/oai:DiVA.org:uu-351339 |
| Date | January 2018 |
| Creators | Nilsson, Viktor |
| Publisher | Chalmers University of Technology, Göteborg : Department of Physics, Chalmers University of Technology |
| Source Sets | DiVA Archive at Upsalla University |
| Language | English |
| Detected Language | Swedish |
| Type | Licentiate thesis, comprehensive summary, info:eu-repo/semantics/masterThesis, text |
| Format | application/pdf |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
Page generated in 0.0021 seconds