Polymeric single Li+-ion conductors: preparation and characterisation

Abstract

Lithium-ion batteries are a common type of light-weight, rechargeable batteries. There are safety concerns because these batteries typically use an organic solvent electrolyte which presents fire hazards. By using dry polymer electrolytes, the fire hazards can be eliminated. The single-ion conductor is a type of polymer electrolyte in which the ion-containing group has been covalently bonded with the polymer structure, thereby immobilising the anion. This eliminates problems present in common liquid electrolytes, such as dendritic growth in the battery that can lead to short circuiting.

The purpose of this Master thesis was to synthesise and characterise single-ion conductors. The polymers were random copolymers with a poly(ethylene oxide) backbone. The ion-containing repeating units contained a side chain with one quaternary ammonium cation and two sulfonate anions. The non-ionic repeating units carried a triethylene glycol monomethyl ether side chain. Copolymerisation by anionic and cationic ring-opening mechanism failed. Instead poly(epichlorohydrin) was synthesised using an anionic ring-opening mechanism followed by several post-polymer reactions to yield the target polymers. These polymers did not form a melt at sufficiently low temperatures (below 140 °C) in order to make samples for conductivity measurements. Instead blends between homopolymer only containing ionic repeating units and
poly(ethylene glycol-ran-propylene glycol) were made and the conductivity of these blends were measured. The highest measured conductivity was 3.3∙10-6 S/cm at 90 °C for a blend with an EO/Li ratio of 8. This conductivity, while similar to other single-ion conductors, is too low for the blends to be used for battery applications.

Suggestion for future work include the preparation of polymers with sulfonate groups that are more rigidly bonded to the polymer to inhibit the tight coordination of lithium ions by the polymer, thereby improving the conductivity. Copolymers with large amount of non-ionic repeating units should be synthesised to further decrease their glass transition temperature and make measurements by impedance spectroscopy possible.

Popular Abstract (Swedish)

Batterier finns överallt, t.ex. i mobiltelefoner, bärbara datorer och surfplattor. I och med klimatförändringarna i världen så ökar intresset för miljösmarta bilar som t.ex. elbilar vilket medför att nya användningsområden för batterier skapas. Litiumjonbatterier är en typ av lätta, återuppladdningsbara och energirika batterier som skulle kunna användas för att möta de krav på nya batterier som uppstår. I mitt arbete har jag arbetat med att framställa och testa en typ av polymerer som kan användas som komponent i litiumjonbatterier för att kunna göra dessa batterier säkrare och därmed mer användbara.

Alla batterier har en pluspol och en minuspol där kemiska reaktioner sker som producerar ström. För att detta ska ske under kontrollerade former och för att man ska kunna ta ut någon ström, krävs det att polerna hålls åtskilda av en så kallad elektrolyt som kan transportera joner (laddade atomer) mellan polerna men stoppa strömmen från att ledas inuti batteriet och hålla plus- och minuspolen åtskilda. Vi vill alla ha bättre batterier som är mindre och lättare, har längre batteritid och kortare uppladdningstid. Litiumjonbatteriet är en ganska ny typ av återuppladdningsbart batteri som började säljas av Sony 1991. Denna typ av batteri utnyttjar litium för att lagra kemisk energi som kan göras om till elektrisk energi och kan lagra mycket energi per kilogram batteri. Ett problem med litiumjonbatteriet är att det använder litiumsalt (ett salt inom kemin innebär en förening mellan positiva och negativa joner) upplöst i brandfarliga vätskor som elektrolyt. Brandsäkerheten begränsar i vilken utsträckning man kan använda litiumjonbatterier, speciellt i samband med elbilar. Genom att istället använda litiumsalt upplöst i polymerer (stora molekyler som är uppbyggda av flera mindre molekyler) så kan brandriskerna kopplade till dessa batterier elimineras. På det här viset så blir litiumjonbatterier mycket säkrare och lättare att använda. Polymerelektrolyter kan även medföra att batterierna blir lättare och kan användas längre. Idag så är fortfarande polymerelektrolyter för dåliga på att leda joner och mer forskning krävs innan de kan börja användas kommersiellt.

Endast speciella polymerer fungerar som elektrolyter. Exempelvis kan inte polyeten som används till plastpåsar användas. Vanligaste typen är en polymer med mycket syreatomer i sin struktur som kan transportera litium mellan polerna. I mitt arbete har jag framställt polymerer med mycket syre i sin struktur för att lösa upp salter och transportera litiumjoner och jag har bundit in negativa joner i polymerstrukturen som kan bilda ett salt med positiva litiumjoner. Genom att ha de negativa jonerna bundna till polymerstrukturen försvinner andra problem med vanliga elektrolyter. Till exempel så kan det börja växa litiummetallgrenar mellan polerna i ett batteri som använder vanlig elektrolyt men detta problem finns inte med de polymerer jag har framställt. Den här typen av polymerelektrolyt brukar kallas singel-litiumjonledare eftersom endast de positiva litiumjonerna leds genom elektrolyten. Dessa polymerer har jag sedan undersökt för att se om jag fått fram rätt produkt, sen har jag värmt upp dem för att se när de börjar smälta och när de bryts ner av värmen. Jag har testat hur bra polymererna är på att leda joner och kommit fram till att ledningsförmågan fortfarande är för låg för att vara användbar. Det är känt att polymerer av just den strukturen jag framställt vanligtvis har för låg ledningsförmåga för att vara direkt användbara i batterier. Baserat på mina resultat har jag kommit med förslag hur man kan forska vidare och framställa polymerer med högre ledningsförmåga för att i framtiden kunna börja använda dessa elektrolyter kommersiellt.

• author: Nederstedt, Hannes
• supervisor: Zhecheng Shao
• organization: Centre for Analysis and Synthesis
• course: KTE720 20161
• year: 2016
• type: H2 - Master's Degree (Two Years)
• subject: Chemistry; Technology and Engineering
• keywords: single ion conductors, electrolytes, polymers, lithium ion batteries, polymer technology, polymerteknologi
• language: English
• id: 8887260
• date added to LUP: 2016-08-22 14:37:03
• date last changed: 2017-07-31 04:09:57