Synthesis of hybrid polymer/liquid electrolytes for lithium-ion batteries
2024 (English)Independent thesis Advanced level (degree of Master (Two Years)), 20 credits / 30 HE credits
Student thesisAlternative title
Syntes av hybridpolymer/flytande elektrolyter för litiumjonbatterier (Swedish)
Abstract [sv]
Under de senaste åren, på grund av det ökade interesset för temat hållbarhet, har batterier ökat som väletablerade potentiella lösningar för att ersätta fossila bränslen. Av denna anledning har olika sätt att optimera batteritekniken behandlats. En idé bygger på konceptet masslös energilagring och representeras i praktiken av strukturella batterier, multifunktionella system som ger tillfredsställande elektrokemiska och termomekaniska egenskaper samtidigt. Konceptet med fiberförstärkta batterier lånades från kompositområdet och anpassades till elektrokemin. Där gjordes batterier om från grundkomponenterna. Elektroder gjorda av kolfiber befinner sig nu i ett framskridet forskningsstadium, medan elektrolyten inte har optimerats ännu. Bikontinuerliga elektrolyter har erhållits genom polymerisationsinducerad fasseparation för att säkerställa bra jonkonduktivitet och styvhet, tack vare det samverkande polymernätverkets fas och den vätskeperkolerande fasen. Reaktionskinetik, termodynamisk blandning och fysikaliska egenskaper har relaterats till varandra för att definiera om det är möjligt att förutsäga morfologin hos elektrolyten, som är ansvarig för att tillhandahålla de nödvändiga egenskaperna. Även om mekanismerna är komplexa och de mellanliggande variablerna är sammankopplade, kan relevanta slutsatser presenteras. Speciellt understryks den synergiska effekten av de ingående monomererna i sampolymerer för att förbättra jonkonduktiviteten. Dessutom upplevdes en gradvis övergång mellan perkolerande strukturer och geler, vilket tyder på att blandade bikontinuerliga gelstrukturer kan utforskas som potentiella lösningar för vissa tillämpningar. Den nuvarande forskningen syftade inte till att optimera variablerna i perspektivet av en framtida utveckling, utan den skall snarare vara en källa till förståelse för vidare studier.
Abstract [en]
In recent years, due to the increased sensitivity towards the theme of sustainability, batteries have grown interest as well-established potential solutions for replacing fossil fuels. For this reason, different ways to optimize battery technologies have been covered. One idea is based on the concept of massless energy storage and is represented in practice by structural batteries, multifunctional systems that provide satisfying electrochemical and thermomechanical properties at the same time. The concept of fibre-reinforced polymer composites was borrowed from the composite mechanics and adapted to the electrochemistry. There, batteries were redesigned from the basic components. Electrodes made of carbon fibres are now at an advanced stage of research, while the electrolyte has not been optimized yet. Bicontinuous electrolytes have been obtained through polymerization-induced phase separation to ensure appreciable ionic conductivity and stiffness, thanks to the cooperative work of the polymer network phase and the liquid percolating phase. Reaction kinetics, thermodynamic of mixing and physical properties have been related to each other to define whether it is possible to predict the morphology of the electrolyte, which is responsible for providing the required properties. Even though the mechanisms are complex, and the intervening variables are interconnected, relevant conclusions can be presented. Particularly, it is underlined the synergetic effect of the constituting monomers in copolymers in enhancing the ionic conductivity. Moreover, a gradual transition between percolating structures and gels was experienced, suggesting that mixed bicontinuous-gel structures could be explored as potential solutions for certain applications. The present research did not aim to optimize the variables in the perspective of a future development, but it would rather be a source of understanding for further studies.
Place, publisher, year, edition, pages
2024.
Series
TRITA-CBH-GRU ; 2024:180
Keywords [en]
Electrochemistry, Hybrid electrolyte, Structural batteries, Polymer synthesis, Phase separation
Keywords [sv]
Elektrokemi, Hybridelektrolyt, Strukturella batterier, Polymersyntes, Fasseparation
National Category
Polymer Technologies
Identifiers
URN: urn:nbn:se:kth:diva-347735OAI: oai:DiVA.org:kth-347735DiVA, id: diva2:1869664
Subject / course
Chemical Engineering
Educational program
Master of Science in Engineering - Engineering Chemistry
Supervisors
Examiners
2024-09-302024-06-13