Högkoncentrerade elektrolyter Viktor Nilsson Doktorandprojekt 2015-2020, Batterifondsprogrammet Patrik Johansson, Chalmers Tekniska Högskola Kristina Edström, Uppsala Universitet Energirelaterad Fordonsforskning 2016, Hotell Clarion Post, Göteborg 2016-04-05 Energirelaterad fordonsforskning 2016, Göteborg Viktor Nilsson 1
Projektöverblick och mål Doktorandprojekt: Chalmers (elektrolyter) och Uppsala (celler och gränsskikt) Övergripande mål 1. Snabbare laddning undvika Li- plätering, fokus på cellprestanda 2. Högre kapacitet kisel / litium som anodmaterial, katoder med högre potential (högre cellspänning) 3. Bättre livslängd hindra nedbrytning av elektrolyt/gränsskikt och övriga komponenter 2016-04-05 Energirelaterad fordonsforskning 2016, Göteborg Viktor Nilsson 2
Litteratur Henderson: Hindrad Al-korrosion i högkoncentrerad elektrolyt: Yamada: Halvceller ACN/LIFSI + Grafit/Li & Li/LMO Ingen korrosion av Al (strömuppsamlare) Tydlig korrelation med jonkoordination Hindrad reduktion av acetonitril (ACN) Korrosionsström i Aluminum Raman ACN-reduktion Li + ACN/LiTFSI Yamada et al. JACS, 136(13):5039 (2014) 2016-04-05 Energirelaterad fordonsforskning 2016, Göteborg Yamada et al. ChemElectroChem, 2(11):1687 (2015). Viktor Nilsson 3
Frågeställningar Övergångsbeteende vid höjd koncentration Kritiska punkter? Korrelation mellan fysikaliska egenskaper? T. ex. viskositet-konduktivitet eller koordinationstal-termisk stabilitet Temperaturberoende? Bästa koncentration för Li + -transport? Sammansättning av gränsskikt (SEI)? Vilka brister hos elektrolyten kan kompenseras med en hög konc.? 2016-04-05 Energirelaterad fordonsforskning 2016, Göteborg Viktor Nilsson 4
Elektrolyter / koncentrationer LiTFSI Acetonitril (ACN) Torkat i ugn resp. med molekylsikt Seo et al. JECS, 159(9):A1489 (2012) ACN/LiTFSI 9 4 3.5 3 2.667 2.333 2 1.9 1.667 1.333 Molfraktion LiTFSI 0 0.1 0.2 0.222 0.25 0.273 0.3 0.333 0.345 0.375 0.429 Crystal 3M 4.2M @RT 2016-04-05 Energirelaterad fordonsforskning 2016, Göteborg Viktor Nilsson 5
Experiment Termiska egenskaper DSC och TGA Viskositet, densitet, konduktivitet (dielektriskspektroskopi) Koordination (jon/lösningsmedelskomplex) IR och Ramanspektroskopi Elektrokemisk analys av celler XPS för undersökningavgränsskiktet elektrolyt/elektrod(sei) 2016-04-05 Energirelaterad fordonsforskning 2016, Göteborg Viktor Nilsson 6
Resultat: Grundläggande termisk stabilitet (TGA) 70 Thermogravimetry ACN/LiTFSI 9:1 LiTFSI: Stabilt till ca 350 C Mass (mg) 60 50 40 30 20 10 0 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 Temperature ( C) Elektrolyt: Ej stabil vid 45 C 100 98 TG 45 C ACN:LiTFSI 4:1 Mass (% of initial) 96 94 92 90 88 86 0 1 2 3 4 5 6 Time (h) Isoterm 2016-04-05 Energirelaterad fordonsforskning 2016, Göteborg Viktor Nilsson 7
Resultat: Kinetikstudie med TGA Viktförlust per tidsenhet beror på temp. och konc. Aktiveringsenergin för [Li(ACN) n ] + [Li(ACN) (n-1) ] + + ACN ökar med saltkoncentrationen. Isoterm avdunstning Aktiveringsenergi (Arrhenius) Mass (% of initial) 100 99.5 99 98.5 98 97.5 97 25 C 40 C 55 C log(k) 1.5 1 0.5 0-0.5 Activation Energy (kj/mol) Sample 3 E a = 35.5145 Sample 9 E a = 26.0949 96.5-1 96 0 5 10 15 20 25 30 Time (min) -1.5 3.1 3.15 3.2 3.25 3.3 3.35 3.4 1/T (K -1 ) 2016-04-05 Energirelaterad fordonsforskning 2016, Göteborg Viktor Nilsson 8
Resultat: vibrationsspektroskopi Tydliga skift i ACN vibrationsspektrum vid koordination till Li +. Fritt ACN försvinner som väntat vid ökad koncentration. Normalized intensity 0.35 0.3 0.25 0.2 0.15 0.1 Fritt ACN FT Raman 1064 nm 2 ACN/LiTFSI 4 ACN/LiTFSI 9 ACN/LiTFSI 16 ACN/LiTFSI ACN Koordinerat ACN 0.05 0 2220 2240 2260 2280 2300 2320 2340 Raman shift (cm 1 ) 2016-04-05 Energirelaterad fordonsforskning 2016, Göteborg Viktor Nilsson 9
Närmast förestående Fortsatta studier Färdigställa fysikalisk karakterisering och analys Hur stämmer viskositet, konduktivitet och aktiveringsenergier överens? Elektrokemiska tester och analys cellcykling Analys av elektrodens yta (SEI) efter cykling, m.h.a. XPS Testa cellernas robusthet mot vatten i elektrolyten Senare Kiselanoder med högkonc. elektrolyter Andra lösningsmedel och salter 2016-04-05 Energirelaterad fordonsforskning 2016, Göteborg Viktor Nilsson 10
Tack för er uppmärksamhet! Frågor? 2016-04-05 Energirelaterad fordonsforskning 2016, Göteborg Viktor Nilsson 11