uu.seUppsala University Publications
Change search
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • ieee
  • modern-language-association
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf
Highly concentrated LiTFSI - EC electrolytes for Li metal batteries
Uppsala University, Disciplinary Domain of Science and Technology, Chemistry, Department of Chemistry - Ångström, Structural Chemistry. Chalmers University of Technology.ORCID iD: 0000-0002-3966-6219
Uppsala University, Disciplinary Domain of Science and Technology, Chemistry, Department of Chemistry - Ångström, Structural Chemistry.
Uppsala University, Disciplinary Domain of Science and Technology, Chemistry, Department of Chemistry - Ångström, Structural Chemistry.ORCID iD: 0000-0003-4440-2952
Department of Physics, Chalmers University of Technology.ORCID iD: 0000-0002-9907-117X
(English)Manuscript (preprint) (Other academic)
National Category
Materials Chemistry
Identifiers
URN: urn:nbn:se:uu:diva-351338OAI: oai:DiVA.org:uu-351338DiVA, id: diva2:1209605
Funder
Swedish Energy Agency, 39042-1Available from: 2018-05-23 Created: 2018-05-23 Last updated: 2018-05-23
In thesis
1. Highly Concentrated Electrolytes for Lithium Batteries: From fundamentals to cell tests
Open this publication in new window or tab >>Highly Concentrated Electrolytes for Lithium Batteries: From fundamentals to cell tests
2018 (English)Licentiate thesis, comprehensive summary (Other academic)
Abstract [en]

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.

Abstract [sv]

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.

Place, publisher, year, edition, pages
Göteborg: Department of Physics, Chalmers University of Technology, 2018. p. 40
Keywords
Li-ion battery, SEI, Highly concentrated electrolyte, Al corrosion, Li metal battery
National Category
Materials Chemistry
Identifiers
urn:nbn:se:uu:diva-351339 (URN)
Presentation
2018-06-14, Å2001, Ångströmlaboratoriet, Lägerhyddsvägen 1, Uppsala, 15:15 (English)
Opponent
Supervisors
Funder
Swedish Energy Agency, 39042-1
Available from: 2018-05-23 Created: 2018-05-23 Last updated: 2018-05-23Bibliographically approved

Open Access in DiVA

No full text in DiVA

Authority records BETA

Kotronia, AntoniaEdström, Kristina

Search in DiVA

By author/editor
Nilsson, ViktorKotronia, AntoniaEdström, KristinaJohansson, Patrik
By organisation
Structural Chemistry
Materials Chemistry

Search outside of DiVA

GoogleGoogle Scholar

urn-nbn

Altmetric score

urn-nbn
Total: 167 hits
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • ieee
  • modern-language-association
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf