Ανάπτυξη υβριδικών στερεών ηλεκτρολυτών για μπαταρίες ιόντων λιθίου
Creators: name: Λύτρας, Νικόλαος Ανδρέα
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2023
Subjects: Μπαταρίες Ιόντων Λιθίου
Υβριδικοί ηλεκτρολύτες
Κινητικότητα ιόντων λιθίου
Lithium Ion Batteries
Hybrid Electrolytes
Lithium ion mobility

description: Σκοπός της παρούσας εργασίας ήταν η ανάπτυξη στερεού υβριδικού ηλεκτρολύτη για χρήση σε μπαταρίες ιόντων λιθίου. Συγκεκριμένα, έγινε χρήση πολυμερικής μήτρας πολυβινυλιδενοδιφθοριδίου (PVDF) με προσθήκη μικρής ποσότητας κεραμικού υλικού La0.6Li0.4TiO3 (LLTO) και σε συνδυασμό κατάλληλης ποσότητας αλάτων λιθίου (LiTFSI) και ιοντικών υγρών (IL). Στην μελέτη αυτή εξετάστηκαν οι κατάλληλες συνθήκες σύνθεσης του υβριδικού ηλεκτρολύτη και έγινε φυσικοχημικός και ηλεκτροχημικός χαρακτηρισμός του. Τα πειράματα της συγκεκριμένης μελέτης επικεντρώθηκαν στον ηλεκτροχημικό χαρακτηρισμό του υβριδικού ηλεκτρολύτη. Ο ηλεκτροχημικός χαρακτηρισμός βασίστηκε σε τρεις βασικές κατηγορίες, τον χαρακτηρισμό της ολικής κινητικότητας των ιόντων λιθίου εντός του ηλεκτρολύτη, την μελέτη της αλληλεπίδρασης του ηλεκτρολύτη με το μεταλλικό λίθιο αλλά και την μελέτη της συμπεριφοράς του υβριδικού ηλεκτρολύτη σε κελί μπαταρίας πλήρους διάταξης. Μια από τις βασικότερες μετρήσεις για την μελέτη της συνολικής κινητικότητας των ιόντων λιθίου, αποτελεί ο υπολογισμός της ιοντικής αγωγιμότητας του ηλεκτρολύτη. Σε συμμετρικό κελί με ηλεκτρόδια χρυσού πραγματοποιήθηκαν μετρήσεις εμπέδησης για ηλεκτρολύτες με διαφορετικές συστάσεις ως προς τα άλατα λιθίου και τα ιοντικά υγρά να βρεθεί ποια σύσταση από αυτές που μελετήθηκαν, δίνει την βέλτιστη απόδοση ως προς τις αντιστάσεις διεπιφάνειας και ηλεκτρολύτη αλλά και ως προς την αγωγιμότητα του ηλεκτρολύτη. Ωστόσο, η μελέτη της ιοντικής αγωγιμότητας του ηλεκτρολύτη δεν είναι αρκετή για τον χαρακτηρισμό της συνολικής κινητικότητας των ιόντων λιθίου. Για τον λόγο αυτό πραγματοποιήθηκε σε συμμετρικό κελί λιθίου η μέθοδος Bruce – Vincent και η μέθοδος χαλάρωσης του κελιού σε ανοικτό κύκλωμα μετά από πόλωση του για τον υπολογισμό του αριθμού μεταφοράς (t+ss) και της σταθεράς διάχυσης (D) των ιόντων λιθίου αντίστοιχα. Για την μελέτη της αλληλεπίδρασης του ηλεκτρολύτη με το μεταλλικό λίθιο σε συμμετρικό κελί με ηλεκτρόδια λιθίου έγινε μέτρηση κυκλικής βολταμμετρίας για να βρεθεί αν υπάρχει χημική αντίδραση του ηλεκτρολύτη με το μεταλλικό λίθιο αλλά και μετρήσεις γαλβανοστατικής φόρτισης – εκφόρτισης για την μελέτη της αλληλεπίδρασης του με το λίθιο κατά την ανταλλαγή ιόντων. Προκειμένου να μελετηθεί η συμπεριφορά του σε πραγματικό κελί μπαταρίας ο ηλεκτρολύτης τοποθετήθηκε σε κελί με άνοδο μεταλλικού λιθίου και κάθοδο LiFePO4 (LFP). Πραγματοποιήθηκαν τρεις διαδοχικές μετρήσεις γαλβανοστατικής φόρτισης – εκφόρτισης με ρυθμούς 0.1C, 0.05C και 0.01C αντίστοιχα. Οι μετρήσεις έδειξαν ότι τις καλύτερες αποδόσεις τις έδινε ο ηλεκτρολύτης με 0.5g PVDF, 0.05g LLTO, 0.25g LiTFSI και 0.5mL ιοντικά υγρά. Από τα αποτελέσματα φαίνεται ότι έγινε επιτυχής σύνθεση στερεού υβριδικού ηλεκτρολύτη με υψηλή ιοντική αγωγιμότητα και ικανοποιητικές τιμές αριθμού μεταφοράς και σταθεράς διάχυσης, πράγμα που κάνει τον υβριδικό ηλεκτρολύτη να παρουσιάζει εξαιρετικές επιδόσεις ως προς την συνολική κινητικότητα των ιόντων λιθίου. Ωστόσο, λόγω της χαμηλής μηχανικής αντοχής του, η ανάπτυξη δενδριτών λιθίου σχηματίζει κακές σχέσεις διεπιφάνειας μεταξύ του ηλεκτρολύτη και του λιθίου και διαπερνά τον ηλεκτρολύτη τείνοντας το κελί προς βραχυκύκλωμα και κατά συνέπια η μπαταρία έχει μικρό χρόνο ζωής.
description: The aim of the current study is to develop a hybrid solid electrolyte for use in lithium – ion batteries. More specifically, polyvinylidene difluoride (PVDF) was used as the polymer matrix in which small amounts of the ceramic La0.6Li0.4TiO3 (LLTO) were placed along with the use of the right amounts of lithium salts (LiTFSI) and ionic liquids (IL). In this thesis the ideal conditions for the synthesis of the electrolyte were studied and at the same time electrolyte was characterized for its physical and electrochemical properties. The experiments were focused on the electrochemical characterization of the hybrid electrolyte. The electrochemical characterization was based on three basic parameters, the characterization of the total movement of lithium ions in the electrolyte, the examination of the relationship between the hybrid electrolyte and the metallic lithium and how the hybrid electrolyte works in a battery full cell. For the study of the total movement of lithium ions inside the electrolyte the most important parameter that must be examined is the ionic conductivity of the electrolyte. In a symmetric cell with gold electrodes impedance measurements occurred for the determination of the ionic conductivity. Although, the calculation of the ionic conductivity is not enough for the determination of the total lithium ion movement inside the electrolyte. For that reason, the electrolyte was put in a symmetric cell with metallic lithium as electrodes. With the use of Bruce – Vincent method and the open circuit potential relaxation the transport number (t+ss) and diffusion constant (D) were calculated. In order to examine the relationship between the hybrid electrolyte and the metallic lithium, in a symmetric cell with lithium as electrodes, cyclic voltammetry and galvanostatic charge – discharge occurred in order to examine if there is a chemical reaction between the electrolyte and the lithium and also to study the interaction between them during the ion exchange. For the study of the electrolyte in battery full cell, a cell with lithium anode and LiFePO4 cathode was synthesized. Three galvanostatic charge – discharge measurements occurred with rates of 0.1C, 0.05C and 0.01C respectively and the capacity was calculated. The results showed that a hybrid solid electrolyte was synthesized that presented excellent behavior for the total movement of the lithium ions, but because of its low mechanical strength due to the development of lithium dendrites there was a short circuit in the battery cell.