Polymerelektrolyter
För att tillverka solid state-batterier används jonledande polymerer istället för flytande elektrolyter. Därmed slipper man brandfarliga lösningsmedel i flytande elektrolytceller och får bättre stabilitet vid höga temperaturer. Vi forskar på polymerelektrolyter för att förbättra materialens jonledningsförmåga med bibehållen stabilitet.
Jonledande polymerer kan användas i stället för traditionella flytande elektrolyter för att tillverka solid state-batterier. Solid-state-konstruktionen eliminerar effektivt säkerhetsrisken från de brandfarliga organiska lösningsmedlen som används i flytande elektrolytceller och erbjuder bättre stabilitet vid hög temperatur. Den största utmaningen med polymerelektrolyter är att förbättra materialens jonledningsförmåga samtidigt som de bibehåller en hög mekanisk stabilitet.
Nya värdmaterial
Vi arbetar med att utveckla nya material baserade på jonkoordination av karbonylgrupper, såsom polykarbonater, polyestrar och polyetrar, för att använda som värdmaterial i polymerelektrolyter. Karbonylgrupperna erbjuder en svagare koordination än t.ex. det vanligt använda oxietylenkoordinerande motivet, vilket leder till snabbare Li+-rörelse i materialet.
Transportmekanismer
För att designa bättre värdpolymerer måste vi förstå jontransportmekanismerna i detalj. Vi använder en kombination av experimentella (impedansspektroskopi, NMR-spektroskopi, IR-spektroskopi) och beräkningstekniker (molekylär dynamik, DFT) för att få insikt i de molekylära detaljerna för jonkoordination och transport. Med rätt förståelse för de fenomen som styr jonrörelser i materialen kan vi också utforma strategier för att gå mot effektivare transportmekanismer.
Figur: Rörelse av en Li+ katjon (lila) genom en poly(trimetylenkarbonat) (PTMC) matris simulerad av molekylär dynamik.
Solid-state batterier
Materialen vi utvecklade testas slutligen i prototyper av solid-state battericeller. Vi testar både Li+- och Na+-ledande polymerer i Li- och Na-celler. Samtidigt som ett av syftena är att producera material som möjliggör batteridrift i rumstemperatur, försöker vi också implementera polymerelektrolyterna i nischer där de har en tydlig kant över sina flytande motsvarigheter, till exempel i batterier som arbetar vid höga temperaturer eller annat extrema förhållanden.
Figur: Polykarbonatmaterial-cykel i en Na-metallcell vid 60°C.
Referenser
- Beyond PEO-Alternative host materials for Li+-conducting solid polymer electrolytes. https://uu.diva-portal.org/smash/record.jsf?pid=diva2:1262653
- High-performance solid polymer electrolytes for lithium batteries operational at ambient temperature. https://uu.diva-portal.org/smash/record.jsf?pid=diva2:867615
- Ion transport in polycarbonate based solid polymer electrolytes: experimental and computational investigations. https://uu.diva-portal.org/smash/record.jsf?pid=diva2:798456
- Restricted Ion Transport by Plasticizing Side Chains in Polycarbonate-Based Solid Electrolytes. https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.macromol.9b01912
- Stable Cycling of Sodium Metal All-Solid-State Batteries with Polycarbonate-Based Polymer Electrolytes. https://uu.diva-portal.org/smash/record.jsf?pid=diva2:1354042
Samarbetsparter
Mer information kommer.
Kontakt
- Om du har några frågor om vår forskning så är du välkommen att kontakta programansvarig professor Daniel Brandell.
- Daniel Brandell